Zjawiska fizyczne zachodzące podczas procesu cięcia laserowego metali

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:

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:

  1. Nagrzewanie do temperatury topnienia
  2. Przemiana fazowa ciało stałe-ciecz (topnienie)
  3. Nagrzewanie cieczy do temperatury wrzenia
  4. 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:

  1. Inicjacja – lokalne stopienie i częściowe odparowanie materiału
  2. Rozwój – usuwanie stopionego materiału przez strumień gazu technologicznego
  3. Stabilizacja – utworzenie się kanału o względnie stałym przekroju

Na geometrię szczeliny wpływają:

Hydrodynamika procesu

W szczelinie cięcia zachodzą złożone zjawiska przepływowe:

Tworzenie się wypływki i jej kontrola

Mechanizm powstawania wypływki

Wypływka powstaje w wyniku:

Struktura wypływki zależy od:

Metody kontroli wypływki

Minimalizację wypływki można osiągnąć poprzez:

  1. Optymalizację parametrów procesu
  2. Odpowiedni dobór gazu technologicznego
  3. Kontrolę dynamiki przepływu w szczelinie
  4. 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:

Wpływ na właściwości materiału

W strefie wpływu ciepła mogą zachodzić:

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

  1. Steen, W. M., & Mazumder, J. (2010). Laser Material Processing. Springer.
  2. Ready, J. F. (2001). LIA Handbook of Laser Materials Processing. Laser Institute of America.
  3. Ion, J. C. (2005). Laser Processing of Engineering Materials. Elsevier.
  4. Pro Metal Form (2025) Fizyka procesu cięcia laserowego metali.