Skuteczność cięcia laserowego w dużej mierze zależy od tego, w jaki sposób różne materiały pochłaniają i rozprzestrzeniają energię. Weźmy na przykład metale – stal nierdzewna i aluminium zachowują się całkowicie inaczej ze względu na swoje właściwości termiczne. Stal nierdzewna ma niską przewodność cieplną, około 15 W/mK, co oznacza, że ciepło gromadzi się w jednym miejscu. Aluminium to zupełnie inna historia – dzięki znacznie wyższej przewodności, około 205 W/mK, ciepło szybko się rozprzestrzenia, co utrudnia uzyskanie jednolitych topień. Miedź to z kolei zupełnie inny przypadek. Przy długości fali 1 mikron miedź odbija niemal całe światło – aż 95%. Ten problem odbicia wymaga poważnych dostosowań wiązki laserowej, jeśli chcemy osiągnąć stabilne cięcie. W przypadku nowoczesnych laserów światłowodowych, są one w stanie wchłonąć niemal całą energię ze stali – aż do 99% pochłaniania, ale z miedzią sprawy się komplikują, ponieważ pochłanianie spada do zaledwie 60-70%. Dlatego też warsztaty zajmujące się miedzią często potrzebują specjalnych technik i sprzętu, aby wszystko działało poprawnie.
Jeśli chodzi o cięcie stali nierdzewnej i miękkiej, lasery światłowodowe bezsprzecznie przewyższają systemy CO2, zwłaszcza przy pracy z cienkościennymi rurami, gdzie mogą ciąć nawet o 30% szybciej. Dlaczego? Lasery światłowodowe pracują przy znacznie krótszej długości fali, około 1,08 mikrona, która jest lepiej pochłaniana przez metale takie jak stal, co oznacza mniej traconej energii i krótszy czas cyklu. Z drugiej strony, lasery CO2 mają dłuższe długości fal wynoszące 10,6 mikrona, które w rzeczywistości lepiej sprawdzają się w niektórych zastosowaniach. Mniej się odbijają podczas cięcia metali nieżelaznych, takich jak mosiądz, dlatego producenci nadal polegają na nich w przypadku konkretnych zadań, gdzie najważniejsza jest stabilność. Spoglądając na najnowsze dane z sektora lotniczego z 2023 roku, firmy wykorzystujące lasery światłowodowe odnotowały spadek kosztów cięcia stali nierdzewnej o około 18,50 USD na metr bieżący w porównaniu do tradycyjnych systemów CO2. Większość tych oszczędności wynikała z mniejszej ilości gazu pomocniczego potrzebnego podczas pracy oraz ogólnej poprawy efektywności energetycznej.
Trzy zmienne krytycznie wpływają na jakość cięcia:
Dla stali węglowej utrzymanie ciśnienia gazu w zakresie 1,2–1,5 bar jest kluczowe, aby uniknąć tworzenia się żużlu i zapewnić stałą jakość cięcia.
Stal nierdzewna i stal konstrukcyjna stanowią ponad 65% zastosowań przemysłowych wycinania rur laserem (IMTS 2023), cenione za równowagę wytrzymałości, spawalności i reakcji na energię laserową. Materiały te mogą być przetwarzane w grubości od 0,5 mm do 25 mm z minimalnymi strefami wpływu ciepła, co czyni je idealnym wyborem dla produkcji wysokiej precyzji.
Stale nierdzewne z rodziny austenitycznej, takie jak 304 i 316, są powszechnie stosowane, ponieważ zawierają około 18–20 procent chromu. To właśnie chrom zapewnia im wysoki stopień ochrony przed rdzą i uszkodzeniami chemicznymi. W przypadku cięcia tych materiałów dzisiejsza technologia laserów światłowodowych umożliwia uzyskanie bardzo dokładnych cięć. Mowa tu o szerokościach cięcia sięgającym nawet 0,1 milimetra, z dokładnością wymiarową ±0,05 mm, nawet przy rurach o grubości 15 mm. Producenci sprzętu medycznego i firm produkujących rury do przemysłu spożywczego potrzebują właśnie takiej precyzji. Ich produkty wymagają powierzchni całkowicie gładkich, bez zgrubień czy zadziorów, czego nie można osiągnąć w sposób ciągły bez zastosowania zaawansowanych systemów laserowych.
Aby osiągnąć cięcie bez utlenienia, zaleca się zastosowanie azotu jako gazu wspomagającego o ciśnieniu 12–16 bar dla rur ze stali nierdzewnej o grubości 3–8 mm. Dla większych grubości (10–15 mm), laser włóknowy o mocy 4 kW pracujący z prędkością 0,8–1,2 m/min zapewnia wynik bez gruzu i minimalne odkształcenia termiczne. Te parametry wspierają wysoką powtarzalność w środowiskach produkcyjnych zautomatyzowanych.
Stosunkowo niska zawartość węgla w stali miękkiej (poniżej 0,3%) oznacza, że szybko ulega ona wyparowaniu podczas ogrzewania do około 1500 stopni Celsjusza. Ta właściwość czyni stal miękką szczególnie dobrze przystosowaną do zastosowań w cięciu laserowym włóknistym. Za pomocą standardowego systemu laserowego o mocy 6 kW operatorzy mogą przecinać rury z blachy stalowej o grubości 20 mm z imponującą prędkością dochodzącą do około 2,5 metra na minutę. Cięcia tworzą niemal pionowe krawędzie z minimalnym odchyleniem kątowym (około plus-minus pół stopnia), co jest bardzo korzystne dla spawaczy, którzy nie muszą poświęcać dodatkowego czasu na wykańczanie po cięciu. Patrząc na aspekt finansowy, systemy laserowe oferują również znaczące oszczędności. Dane branżowe z 2023 roku przedstawione przez FMA pokazują, że koszty eksploatacji spadają o około 23% po przejściu z tradycyjnych metod cięcia plazmą.
W przypadku rur ze stali węglowej o grubości przekraczającej 25 mm, impulsowe tryby laserowe (1–2 kHz) pomagają kontrolować dopływ ciepła i zapobiegać deformacjom. Stosowanie mieszanek gazów wspomagających na bazie tlenu poprawia usuwanie żużlu, zmniejszając jego pozostałości o 40% w sekcjach 30 mm. Zapewnia to dokładność wymiarową elementów konstrukcyjnych stosowanych w budownictwie i maszynach ciężarowych.
Dostawca Tier 1 z branży motoryzacyjnej wdrożył 3D cięcie rur laserem do produkcji 5000 rur paliwowych dziennie z dokładnością wymiarową wynoszącą 99,7%. Ten sam system osiągnął powtarzalność 0,12 mm na uchwytach hydraulicznych ze stali nierdzewnej SS304, skracając czas po obróbce o 62% w porównaniu do konwencjonalnych metod obróbki.
Aluminium doskonale odbija światło – około 90% przy typowych dla naszych laserów długościach fal – a także szybko traci ciepło. Te właściwości utrudniają stałe wchłanianie energii przez laser podczas obróbki. Co się dzieje dalej? Otóż, strefa topnienia staje się niestabilna, a szczelina cięcia nierówna, zwłaszcza przy cienkościennych rur, często stosowanych w produkcji. Przewodnictwo cieplne to kolejne wyzwanie, ponieważ aluminium przewodzi ciepło około pięć razy lepiej niż stal nierdzewna. Dlatego operatorzy muszą bardzo dokładnie dobierać parametry, aby osiągnąć czyste cięcie bez niechcianego osadu topionego materiału, który powstaje po obróbce.
Użycie azotu jako gazu pomocniczego zmniejsza utlenianie o do 70% w porównaniu do tlenu. Połączenie tego z impulsowymi trybami pracy lasera o wysokiej częstotliwości (≥2000 Hz) oraz zoptymalizowanymi odległościami dyszy od materiału (0,8–1,2 mm) poprawia gładkość krawędzi o 25%. Te dostrojenia są kluczowe do osiągnięcia czystych powierzchni gotowych do spawania w aplikacjach o wysokiej wartości.
Producent przeprowadził w 2023 roku pewne testy, podczas których osiągnął dokładność rzędu plus-minus 0,05 milimetra przy produkcji baterii pojazdów elektrycznych za pomocą systemu z laserem włóknowym o mocy 6 kW. Zauważono również ciekawy efekt przy cięciu rur aluminiowych z serii 6xxx – śledząc zmiany temperatury w trakcie procesu, udało się znacząco zmniejszyć ilość odpadów, obniżając je z około 12 procent do nieco ponad 3 procent. Zgodnie z ostatnimi badaniami opublikowanymi m.in. w „Journal of Materials Processing Technology”, można zaobserwować wyraźne zmiany w kierunku większego stosowania aluminium w celu zmniejszenia masy samochodów. Producentów samochodów elektrycznych zastępuje obecnie około 40 procent elementów, które wcześniej były produkowane ze stali, specjalnie ciętymi detalami aluminiowymi.
Lasery światłowodowe dominują obecnie w procesie cięcia rur aluminiowych, stanowiąc 68% instalacji na całym świecie. Ich długość fali 1,08 μm zapewnia lepsze wchłanianie niż lasery CO₂, umożliwiając prędkości cięcia wynoszące 1,2–1,8 m/min przy cięciu aluminium o grubości 8 mm z efektem pozbawionym gruzu. Taka wydajność sprzyja ich wdrażaniu w sektorach takich jak HVAC, transport czy energie odnawialne.
Podczas pracy z materiałami takimi jak miedź i mosiądz, zgodnie z najnowszymi badaniami z Instytutu Przetwarzania Laserowego z 2023 roku, odbijają one około 95% energii laserowej na tych długościach fal podczerwonych. To odbicie powoduje poważne problemy z elementami optycznymi i utrzymanie stabilnych warunków przetwarzania bywa dość trudne. Mosiądz dodatkowo komplikuje sytuację, ponieważ podczas cięcia cynk, który wchodzi w jego skład, ma tendencję do parowania, co prowadzi do nieregularnych cięć z nierównymi brzegami, a czasami nawet powoduje powstawanie drobnych dziurek w materiale. Aby ominąć te problemy, większość specjalistów polega na ustawieniach impulsowego lasera w połączeniu z zastosowaniem azotu jako gazu wspomagającego. Impulsy pomagają lepiej kontrolować proces topnienia, a azot zapobiega utlenianiu, co czyni cały proces cięcia znacznie bardziej przewidywalnym i niezawodnym dla producentów zajmujących się tymi trudnościami metalami.
Laserowe włókienne źródła obecnie potrafią ciąć czyste płyty miedziane o grubości do 3 mm przy mocy 1 kW lub wyższej, osiągając dokładność rzędu 0,1 mm dzięki lepszej kontroli wiązki. Istnieje jednak pewna wada: cięcie to zajmuje około 30–40% dłużej niż przy obróbce stali, ponieważ miedź bardzo skutecznie przewodzi ciepło. Możliwe jest to dzięki długości fali lasera wynoszącej 1,08 mikrometra, która jest przez miedź pochłaniana w około 22%, co jest wynikiem niemal trzykrotnie lepszym niż w przypadku tradycyjnych laserów CO2. Ta poprawa otworzyła możliwość produkcji delikatnych komponentów, takich jak przewody elektryczne o cienkich ściankach czy specjalistyczne systemy wymiany ciepła, gdzie liczy się precyzja.
Trzy sprawdzone podejścia poprawiające obróbkę miedzi i mosiądzu:
Te metody zmniejszają powstawanie osadu o 62% i pozwalają utrzymać prędkości cięcia do 20 m/min na rurach miedzianych o grubości 2 mm.
Zapotrzebowanie na precyzyjne elementy miedziane wzrosło o prawie połowę, według najnowszego badania przemysłowego Global Industrial Cutting Survey z 2023 roku, jednak nadal istnieją dość znaczące bariery techniczne, które należy pokonać. Uzyskanie bardzo ciasnych tolerancji poniżej 0,2 mm wymaganych m.in. do dekoracyjnych listew, osprzętu okrętowego czy sprzętu medycznego nie jest łatwe przy zastosowaniu standardowych systemów cięcia. Oczywiście lasery włóknowe o mocy 6 kW radzą sobie z miedzią o grubości 8 mm z dokładnością rzędu 0,25 stopnia, jednak koszt eksploatacji takiej maszyny to około 180 dolarów na godzinę. Taki poziom wydatków oznacza, że większość firm wykorzystuje je wyłącznie w ostateczności, zazwyczaj w drogich zastosowaniach lotniczych czy specjalistycznym przyrządzeniu, gdzie ekstremalna precyzja rzeczywiście ma znaczenie.
Nowoczesne maszyny laserowe do cięcia rur osiągają różne wyniki w kluczowych materiałach:
| Materiał | Maksymalna grubość (laser włóknowy) | Jakość cięcia | Kluczowe aspekty |
|---|---|---|---|
| Stal nierdzewna | 25 mm | Doskonały | Wymaga azotu jako gazu wspomagającego |
| Stal miękka | 30 mm | Wysoka Precyzja | Optymalne z tlenem jako gazem wspomagającym |
| Aluminium | 15 mm | Dobre | Zalecane są powłoki antyodblaskowe |
| Miedź | 6 MM | Umiarkowany | Laser o dużej mocy (>6 kW) jest wskazany |
| Mosiądz | 12 mm | Spójny | Kluczowe są korekty częstotliwości impulsów |
Stal nierdzewna i węglowa są najbardziej przyjazne dla laserów, osiągając tolerancje poniżej ±0,1 mm. Do cięcia aluminium wymagana jest o 30% większa prędkość cięcia niż przy stali, aby zapobiec powstawaniu zalewów, natomiast wysoka odbijalność miedzi ogranicza sukces – zgodnie z badaniami przeprowadzonymi w 2023 roku, tylko 42% producentów deklaruje osiąganie stabilnych wyników przy czystej miedzi.
Sektory lotniczy i medyczny coraz częściej wykorzystują lasery włóknowe do cięcia rur tytanowych o grubości do 10 mm. Skuteczne przetwarzanie wymaga:
Stopy nadstopowe na bazie niklu, takie jak Inconel, odnotowują 19% roczny wzrost w zakresie stosowania cięcia laserowego, szczególnie dla elementów wydechowych pracujących w wysokiej temperaturze, wymagających wytrzymałości do 1200°C.
Optymalne ustawienia lasera zależą od czterech czynników:
Operatorzy powinni wykonywać próbne cięcia przy pracy z nowymi stopami, ponieważ nawet 0,5% zmiana składu może zmienić prędkość cięcia o 12–15%.
Cięcie laserowe zależy od tego, jak materiały pochłaniają i rozprowadzają energię. Metale takie jak stal nierdzewna i aluminium mają odmienne właściwości termiczne, które wpływają na ich reakcję na cięcie laserowe.
Lasery światłowodowe oferują większą prędkość i wydajność w porównaniu z laserami CO2, szczególnie przy rurach cienkościennych, dzięki krótszej długości fali i lepszej absorpcji energii.
Laser światłowodowy może ciąć miedź i mosiądz przy pewnych ustawieniach, takich jak impulsowe parametry lasera, jednak wymaga to większej mocy i czasu w porównaniu do miękkich metali.
Gazy pomocnicze, takie jak azot i tlen, są używane w celu poprawy jakości cięcia, zapobieżenia utlenianiu oraz zwiększenia efektywności, w zależności od materiału.
Tak, lasery światłowodowe są coraz częściej stosowane do cięcia aluminium dzięki swojej efektywności, choć konieczne są pewne dostosowania ze względu na odbiciowość i przewodnictwo cieplne aluminium.
Gorące wiadomości
RT Laser jest ogólnokrajowo uznawanym przedsiębiorstwem high-tech specjalizującym się w badaniach, rozwoju, produkcji i sprzedaży sprzętu laserowego. Nasze podstawowe produkty to maszyny do cięcia laserowego włóknowego, ręczne maszyny do spawania laserowego oraz maszyny do gięcia.
Nr 6-8, Park Przemysłowy Binhe, rejon Jiyang, miasto Jinan, prowincja Shandong, Chiny.
Prawa autorskie © 2025 przez RAYTU LASER Technology Co., Ltd. Polityka prywatności
EN
