Cięcie laserowe metali jest jednym z najbardziej zaawansowanych procesów obróbki termicznej stosowanych we współczesnym przemyśle. Łączy w sobie zjawiska optyczne, termodynamiczne, hydrodynamiczne oraz metalurgiczne zachodzące w bardzo krótkim czasie i w mikroskopijnej skali. Zrozumienie fizyki procesu umożliwia optymalizację parametrów technologicznych, poprawę jakości krawędzi oraz zwiększenie wydajności i stabilności produkcji.

1. Oddziaływanie wiązki laserowej z powierzchnią metalu

Absorpcja i odbicie promieniowania

Gdy wiązka laserowa pada na powierzchnię metalu, część energii zostaje odbita, a część zaabsorbowana przez materiał. Wielkość absorpcji zależy od:

• długości fali promieniowania,
• temperatury materiału,
• stanu powierzchni (utlenienie, chropowatość),
• kąta padania wiązki.

Metale w temperaturze pokojowej odbijają znaczną część promieniowania, dlatego początkowa absorpcja jest ograniczona. Wraz ze wzrostem temperatury absorpcja rośnie, co powoduje dodatnie sprzężenie zwrotne – nagrzany materiał pochłania energię coraz efektywniej.

Absorpcję można zapisać jako:

[
A = 1 – R
]

gdzie:

• A – absorpcja,
• R – współczynnik odbicia.

W stanie pary absorpcja energii jest bardzo wysoka, co stabilizuje proces.

2. Koncentrowanie energii i gęstość mocy wiązki

Kluczowym parametrem fizycznym jest gęstość mocy wiązki laserowej, osiągająca wartości:

• (10^6 – 10^8 , W/cm^2) – zakres topienia materiału,
• powyżej (10^8 , W/cm^2) – parowanie i tworzenie kanału parowego.

Silne skupienie energii powoduje gwałtowny wzrost temperatury w bardzo małym obszarze, umożliwiając lokalne stopienie lub odparowanie metalu.

3. Mechanizmy topnienia i parowania materiału

Po przekroczeniu temperatury topnienia materiał przechodzi w stan ciekły. Dalsze dostarczanie energii prowadzi do:

• przegrzania cieczy,
• intensywnego parowania,
• powstawania wysokiego ciśnienia par metalu.

Proces przejścia ciecz → para powoduje osłabienie wiązań międzycząsteczkowych i odrywanie cząstek materiału z powierzchni.

4. Formowanie kanału parowego (keyhole)

Przy wysokiej gęstości mocy powstaje w materiale kanał parowy zwany keyhole. Jest to wąska, głęboka szczelina:

• wypełniona parami metalu,
• o ścianach pokrytych cienką warstwą ciekłego metalu,
• stabilizowana przez napięcie powierzchniowe i ciśnienie par.

Kanał parowy zwiększa absorpcję energii dzięki wielokrotnym odbiciom promieniowania wewnątrz szczeliny, co poprawia efektywność procesu.

5. Dynamika jeziorka ciekłego metalu

W obszarze oddziaływania wiązki powstaje jeziorko ciekłego metalu. Jego zachowanie zależy od wielu zjawisk fizycznych.

Siły działające na ciekły metal

• napięcie powierzchniowe,
• lepkość cieczy,
• ciśnienie par metalu,
• siły Marangoniego (wynikające z gradientów temperatury),
• oddziaływanie strumienia gazu technologicznego.

Zjawiska przepływowe

W szczelinie zachodzą złożone przepływy ciekłego metalu, które decydują o:

• jakości powierzchni cięcia,
• stabilności procesu,
• powstawaniu defektów.

6. Rola gazu technologicznego

Gaz pomocniczy odgrywa kluczową rolę w procesie.

Usuwanie ciekłego metalu

Strumień gazu wydmuchuje stopiony materiał ze szczeliny cięcia.

Ochrona przed reakcjami chemicznymi

Gazy obojętne, takie jak azot lub argon, zapobiegają utlenianiu.

Wspomaganie reakcji egzotermicznych

Tlen reaguje z metalem, uwalniając dodatkową energię cieplną i zwiększając prędkość cięcia.

7. Mechanizmy usuwania materiału

W zależności od parametrów procesu wyróżnia się trzy główne mechanizmy:

1. Cięcie przez stapianie i wydmuch ciekłego metalu.
2. Cięcie reakcyjne z udziałem tlenu (spalanie metalu).
3. Cięcie przez bezpośrednie odparowanie materiału.

8. Formowanie szczeliny cięcia i krawędzi

Szczelina cięcia jest dynamicznym układem, w którym:

• laser działa jako skoncentrowane źródło energii,
• ciekły metal jest usuwany przez gaz,
• front cięcia przemieszcza się wraz z ruchem głowicy.

Geometria szczeliny zależy od mocy lasera, prędkości cięcia, ciśnienia gazu oraz właściwości materiału.

9. Powstawanie wypływki (dross) i jej kontrola

Wypływka powstaje, gdy stopiony metal nie zostaje całkowicie usunięty i zastyga na dolnej krawędzi elementu.

Na jej powstawanie wpływają:

• lepkość ciekłego metalu,
• ciśnienie i rodzaj gazu,
• prędkość cięcia,
• energia liniowa procesu.

10. Strefa wpływu ciepła (HAZ)

Charakterystyka

Strefa wpływu ciepła (HAZ) to obszar, w którym materiał nie został stopiony, lecz jego struktura uległa zmianie wskutek wysokiej temperatury.

Zmiany mikrostrukturalne

W HAZ mogą wystąpić:

• przemiany fazowe,
• zmiany twardości,
• wzrost kruchości,
• naprężenia własne.

Wielkość tej strefy zależy od parametrów procesu i właściwości cieplnych materiału.

11. Przewodzenie ciepła i zjawiska termiczne

Rozkład temperatury podczas cięcia zależy od:

• przewodności cieplnej metalu,
• grubości materiału,
• czasu oddziaływania wiązki,
• trybu pracy lasera (ciągły lub impulsowy).

Materiały o wysokiej przewodności cieplnej szybciej rozpraszają energię, co wpływa na szerokość strefy wpływu ciepła.

12. Parametry wpływające na stabilność procesu

Parametry wiązki

• długość fali,
• jakość wiązki (M²),
• pozycja ogniska,
• tryb pracy.

Parametry technologiczne

• moc lasera,
• prędkość cięcia,
• rodzaj i ciśnienie gazu,
• wysokość dyszy.

Właściwości materiału

• absorpcyjność,
• przewodność cieplna,
• temperatura topnienia,
• lepkość ciekłego metalu.

13. Zjawiska niestabilności procesu

Proces może ulegać destabilizacji wskutek:

• oscylacji kanału parowego,
• turbulencji przepływu ciekłego metalu,
• niestabilnej absorpcji energii,
• zanieczyszczeń powierzchni,
• błędnego ogniskowania wiązki.

Stabilność keyhole oraz równowaga pomiędzy parowaniem a usuwaniem ciekłego metalu są kluczowe dla jakości cięcia.

14. Współczesne kierunki badań

Obecne badania nad procesem cięcia laserowego koncentrują się na:

• modelowaniu sprzężonych zjawisk cieplnych i hydrodynamicznych,
• analizie dynamicznej absorpcji energii,
• monitorowaniu procesu w czasie rzeczywistym,
• wykorzystaniu sztucznej inteligencji do optymalizacji parametrów,
• minimalizacji strefy wpływu ciepła.

Podsumowanie

Fizyka procesu cięcia laserowego metali obejmuje złożone oddziaływania promieniowania laserowego z materiałem, procesy topnienia i parowania, hydrodynamikę ciekłego metalu oraz zjawiska termiczne i metalurgiczne. Kluczowe znaczenie mają absorpcja energii, tworzenie kanału parowego, przepływ jeziorka ciekłego metalu oraz skuteczne usuwanie materiału przy pomocy gazu technologicznego. Kontrola tych zjawisk umożliwia uzyskanie wysokiej jakości krawędzi, minimalizację strefy wpływu ciepła oraz stabilność procesu, co czyni cięcie laserowe jedną z najbardziej precyzyjnych i efektywnych technologii obróbki metali.