Cięcie laserowe jest jednym z najbardziej zaawansowanych procesów obróbki materiałów, wykorzystującym skoncentrowaną wiązkę światła o wysokiej mocy. Proces ten, choć pozornie prosty, obejmuje szereg skomplikowanych zjawisk fizycznych, które decydują o jakości i efektywności cięcia. W niniejszym artykule szczegółowo przeanalizujemy kluczowe mechanizmy zachodzące podczas interakcji wiązki laserowej z materiałem.
Mechanizm topnienia i parowania materiału
Absorpcja promieniowania
Kiedy wiązka laserowa pada na powierzchnię metalu, część energii zostaje odbita, a część zaabsorbowana przez materiał. Współczynnik absorpcji zależy od:
- długości fali promieniowania laserowego
- temperatury materiału
- stanu powierzchni (chropowatość, obecność tlenków)
- kąta padania wiązki
Zaabsorbowana energia przekształca się w ciepło, powodując lokalny wzrost temperatury materiału. Co istotne, wraz ze wzrostem temperatury zwiększa się również współczynnik absorpcji, co prowadzi do zjawiska dodatniego sprzężenia zwrotnego.
Przemiany fazowe
W obszarze oddziaływania wiązki laserowej materiał przechodzi przez kolejne fazy:
- Nagrzewanie do temperatury topnienia
- Przemiana fazowa ciało stałe-ciecz (topnienie)
- Nagrzewanie cieczy do temperatury wrzenia
- Przemiana fazowa ciecz-gaz (parowanie)
Szybkość tych przemian zależy od gęstości mocy wiązki laserowej i właściwości termofizycznych materiału. Przy bardzo wysokich gęstościach mocy może dochodzić do bezpośredniego przejścia ze stanu stałego w gazowy (sublimacja).
Formowanie się szczeliny cięcia
Mechanizm powstawania szczeliny
Formowanie szczeliny cięcia jest procesem dynamicznym, w którym można wyróżnić następujące etapy:
- Inicjacja – lokalne stopienie i częściowe odparowanie materiału
- Rozwój – usuwanie stopionego materiału przez strumień gazu technologicznego
- Stabilizacja – utworzenie się kanału o względnie stałym przekroju
Na geometrię szczeliny wpływają:
- parametry wiązki laserowej (moc, rozkład energii)
- prędkość cięcia
- ciśnienie i rodzaj gazu technologicznego
- właściwości materiału
Hydrodynamika procesu
W szczelinie cięcia zachodzą złożone zjawiska przepływowe:
- ruch ciekłego metalu pod wpływem ciśnienia gazu
- tworzenie się wirów i zawirowań
- interakcje między fazą ciekłą a gazową
- gradient temperatury i napięcia powierzchniowego
Tworzenie się wypływki i jej kontrola
Mechanizm powstawania wypływki
Wypływka powstaje w wyniku:
- niedostatecznego usunięcia stopionego materiału
- wysokiej lepkości cieczy
- nieodpowiedniego ciśnienia gazu
- zbyt wysokiej prędkości cięcia
Struktura wypływki zależy od:
- właściwości fizykochemicznych materiału
- parametrów procesu
- warunków chłodzenia
Metody kontroli wypływki
Minimalizację wypływki można osiągnąć poprzez:
- Optymalizację parametrów procesu
- Odpowiedni dobór gazu technologicznego
- Kontrolę dynamiki przepływu w szczelinie
- Zastosowanie specjalnych dysz
Strefa wpływu ciepła (SWC)
Charakterystyka SWC
Strefa wpływu ciepła to obszar materiału, w którym zachodzą zmiany strukturalne pod wpływem cyklu cieplnego. Jej wielkość i właściwości zależą od:
- mocy lasera
- czasu oddziaływania
- przewodności cieplnej materiału
- przemian fazowych w stanie stałym
Wpływ na właściwości materiału
W strefie wpływu ciepła mogą zachodzić:
- zmiany mikrostruktury
- zmiany twardości
- powstawanie naprężeń własnych
- modyfikacje właściwości mechanicznych
Podsumowanie
Zrozumienie zjawisk fizycznych zachodzących podczas cięcia laserowego jest kluczowe dla optymalizacji procesu i uzyskania wysokiej jakości wyrobów. Złożoność interakcji między wiązką laserową, materiałem i gazem technologicznym wymaga starannego doboru parametrów procesu oraz uwzględnienia właściwości materiału. Dalszy rozwój tej technologii będzie się wiązał z dokładniejszym poznaniem i kontrolą opisanych zjawisk.
Bibliografia
- Steen, W. M., & Mazumder, J. (2010). Laser Material Processing. Springer.
- Ready, J. F. (2001). LIA Handbook of Laser Materials Processing. Laser Institute of America.
- Ion, J. C. (2005). Laser Processing of Engineering Materials. Elsevier.
- Pro Metal Form (2025) Fizyka procesu cięcia laserowego metali.