Cięcie wodą i cięcie laserem jest już od jakiegoś czasu podejmowane przeze mnie w mediach społecznościowych. Wykorzystanie wody (waterjet) i lasera do wycinania kształtów z elementów zarówno płaskich (2D) jak i przestrzennych – 3D (ilustracja 1) jest powszechnie wykorzystywane zarówno w produkcji seryjnej jak i jednostkowej. Takie zdolności technologiczne wynikają z faktu wykorzystania sterowania numerycznego. Właśnie zdolność wykorzystania obu tych technik zarówno do produkcji seryjnej jak i jednostkowej stanowi jedną z zalet. Autor [1] zasadnie stwierdza, iż współcześnie w zasadzie nie ma możliwości opracowania i wdrożenia zupełnie nowej technologii. Podobnego zdania jestem i ja co nie oznacza, że nie należy spodziewać się przełomowych rozwiązań. Postęp technologiczny ma przede wszystkim charakter jakościowy. Rozwój maszyn technologicznych koncentruje się na doskonaleniu ich konstrukcji, a w kontekście technologicznym na parametrach obróbkowych.

Ilustracja 1. Efekty cięcia laserem 2D i 3D – Yamazaki MAZAK.

Postęp w zakresie maszyn do cięcia laserem dotyczy rodzajów stosowanych źródeł laserowych, automatyzacji, uwzględniania rozwiązań w ramach Przemysłu 4.0. Z technologicznego punktu widzenia zarówno maszyny do cięcia wodą jak i do cięcia laserem mają zapewniać coraz większą wydajność i dokładność obróbki.

TEWY Nr 4/2019 (24) Cięcie wodą i laserem 4.15 MB 1121 downloads

TEWY Nr 4/2019 (24) Cięcie wodą i laserem Cięcie wodą i cięcie laserem jest...

Download

Cięcie wodą – strumieniem wodno-ściernym

Cięcie strumieniem wodno-ściernym polega na wykorzystaniu skoncentrowanej energii strumienia wody pod wysokim ciśnieniem (około 4000 bar) wraz z drobnoziarnistym materiałem ściernym do usuwania materiału (obróbka ubytkowa). Tę metodę cięcia określa się jako zimną gdyż nie występuje strefa ciepła [2-4]. Brak oddziaływania termicznego powoduje brak naprężeń termicznych, a więc także brak odkształceń materiału w obszarze cięcia. Osiągana prędkość robocza strumienia wodno-ściernego przekracza prędkość dźwięku. W zależności od modelu wycinarki wodnej spotykamy się z różnymi prędkościami: 760, 1000 m/s. Wymienione ciśnienie umożliwia przepływ strumienia wody przez dyszę wodną o średnicy od Ø0,1 do Ø0,4 mm. Średnica strumienia wodno-ściernego zawiera się w przedziale od Ø0,2 do Ø0,7 mm. Przepływająca przez dyszę woda pod dużym ciśnieniem tworzy wąski strumień, który wytwarza ssanie wciągające powietrze i materiał ścierny (ścierniwo).

W przypadku cięcia wodą wyróżnia się metodę bezpośrednią i pośrednią. W pierwszej ścierniwo jest mieszane w zbiorniku ciśnieniowym wody do uzyskania wymaganej koncentracji. Taka zawiesina jest doprowadzona do głowicy roboczej. W metodzie pośredniej woda i ścierniwo są dostarczane osobno do głowicy roboczej [5].

Cięcie wodą może być stosowane do wycinania skomplikowanych kształtów z przedmiotów wykonanych ze zróżnicowanych materiałów (stale, w tym stale narzędziowe, stale nierdzewne; metale nieżelazne i ich stopy; kamień, w tym piaskowiec, marmur, granit; ceramika; tworzywa sztuczne, w tym guma; szkło; płyty drewnopochodne) – ilustracja 2. Właśnie zdolność cięcia tak zróżnicowanych materiałów stanowi ogromną zaletę tej metody cięcia. Do zalet zalicza się także to, że cięcie można rozpocząć w dowolnym miejscu bez konieczności wykonywania tzw. otworu wstępnego [5].

Ilustracja 2. Przykład cięcia wodą z kamienia naturalnego i szkła.

Chropowatość powierzchni po cięciu strumieniem wodno-ściernym jest ważnym czynnikiem, który charakteryzuje tę metodę cięcia. Pogorszenie chropowatości (jej zwiększenie) wynika z istnienia dwóch stref w procesie cięcia. Wyróżnia się dwie strefy: zużycia poślizgowego i udarowego. W pierwszej chropowatość zachowuje stabilne mniejsze wartości. W przypadku drugiej strefy chropowatość ulega znaczącemu pogorszeniu [3].

Skupiona wiązka strumienia wodno-ściernego po uderzeniu w powierzchnię przedmiotu obrabianego ulega rozbiciu. Poniżej górnej powierzchni przedmiotu wiązka ulga rozproszeniu co skutkuje zniekształceniem powierzchni obrabianej. Odchyłki i tolerancja wymiarów geometrycznych rosną w miarę wzrostu grubości przedmiotu obrabianego. Na ilustracji 3 pokazano zjawisko stożka. Innym czynnikiem istotnie wpływającym na przebieg obróbki strumieniem wodno-ściernym (wtarjet) jest zużywanie się dyszy formującej strumień. Wynika to m.in. ze bardzo dużej prędkości i obecności ścierniwa. Na wzór obróbki skrawaniem monitoruje się stan zużycia dyszy [3].

Ilustracja 3. Powstawanie stożka podczas cięcia strumieniem wodno-ściernym i jego wpływ na powierzchnie obrobione.

Do parametrów cięcia zalicza się prędkość cięcia [mm/s] (np. 3,15; 2,45 mm/s). Prędkość cięcia nie ma istotnego wpływu na szczelinę przecięcia oraz krawędź od strony wejścia w materiał przedmiotu obrabianego. W przypadku szczeliny od strony wyjścia strugi jej szerokość zwiększa wraz ze spadkiem prędkości cięcia. Wraz ze zmniejszaniem się prędkości cięcia maleje kąt między powierzchniami przecięcia (bardziej równoległe powierzchnie). Im mniejsza prędkość cięcia tym mniej widoczne są ślady obróbki na powierzchni. Promień zaokrąglenia krawędzi rys  rośnie, a same ślady można uznać za dążące do prostoliniowości. Prędkość cięcia w znacznym stopniu oddziałuje na parametry jakościowe powierzchni przecięcia – czyli w zasadzie chropowatość powierzchni przecięcia [4, 5].

Innym parametrem obróbkowym cięcia strumieniem wodno-ściernym jest jego ciśnienie. Wraz z jego wzrostem poprawia się jakość powierzchni cięcia [5].

Do wad cięcia strumieniem wodno-ściernym zalicza się małą szybkość cięcia, gorsza jakość powierzchni przecięcia (powierzchnie boczne) oraz znaczące odchylenie zarysu przecięcia od zarysu idealnego [5].

Cięcie laserem

Cięcie laserem (ilustracja 4) jako laserowa technika wytwarzania jest najczęściej stosowana w przemyśle ciężkim i maszynowym. Cięcie laserem to proces cieplny dążący do rozerwania spójności materiału poprzez oddziaływanie na niego wiązki laserowej. Proces ten wymaga wykorzystania podawanego współosiowo z wiązką lasera i pod ciśnieniem gazu roboczego (powietrze; tlen; azot; argon). Stosuje się zatem reaktywne i obojętne. Wybór rodzaju gazu roboczego zależy m.in. od rodzaju obrabianego materiału [6, 7]. Powietrze stosuje się przy takich materiałach jak: aluminium, tworzywa sztuczne, drewno, kompozyty, szkło, guma i kwarc. Powietrze jest najtańsze lecz nie zaleca się jego użycia tam gdzie wymagana jest jak największa dokładność obróbki. Użycie tlenu dedykowane jest do obróbki takich materiałów jak stale i miedź. Tlen stosuje się w przypadku wymaganej precyzyjnej obróbki. Niektóre gazy takiej jak argon sprawdzają się przy tych samych materiałach co inne gazy. W przypadku azotu to sprawdza się on przy wycinaniu laserowym ze stali  odpornych na korozję, aluminium oraz stopów niklu. Argon przeznaczony jest do stali specjalnych, wysokostopowych, stopów niklu, aluminium i stopów aluminium, tantalu oraz cyrkonu. Gdy stosowany jest argon to konieczne jest stosowanie laserów większych mocy. Powodem jest synteza plazmy nad obszarem cięcia [7].

Ilustracja 4. Cięcie laserem – fragment przestrzeni roboczej wycinarki laserowej – stoisko firmy KIMLA – STOM 2019

Powietrze oraz tlen oprócz usuwania ciekłego materiału ze strefy cięcia  przyczyniają się do wzrostu energii cięcia w wyniku reakcji egzotermicznej tlenu z żelazem (zwiększa się prędkość cięcia).

By w ogóle proces cięcia laserem był możliwy konieczne jest doprowadzenie wiązki lasera do powierzchni przedmiotu obrabianego z jednoczesnym zapewnieniem właściwej gęstości mocy. Na ilustracji 5 przedstawiono poglądowy schemat skupienia wiązki laserowej. Część wiązki lasera zostaje odbita od powierzchni przedmiotu obrabianego.

Ilustracja 5. Poglądowy szkic pokazujący skupienie wiązki laserowej.

Właśnie określone skupienie wiązki na powierzchni zapewnia uzyskanie wymaganej gęstości mocy [W/cm²]. Uzyskuje się to poprzez układ soczewek gdyż wiązka lasera jest falą elektromagnetyczną. Według obliczeń teoretycznych falę promieniowania lasera gazowego CO₂, której długość wynosi 10,6 μm można skupić do średnicy nie mniejszej niż 0,1 mm. W przypadku lasera włóknowego, którego promieniowanie cechuje się długością fali równą 1064 nm. Taką wiązkę można skupić do średnicy ok. 0,01 mm [6].

Na ilustracji przedstawiono 6 przykład wycinania laserem [6]. Wyraźnie widać miejsce rozpoczęcia cięcia (wejścia wiązki lasera w materiał przedmiotu obrabianego. Według autora [7] punkt przebicia odgrywa istotną rolę. Do czynników wpływających na punkt przebicia zalicza się m.in. długość wiązki, gęstość mocy, rodzaj gazu roboczego i jego ciśnienie.

Wiązka lasera nie powinna przebijać się przez materiał bezpośrednio na linii cięcia ze względu na negatywne oddziaływanie na jakość powierzchni po cięciu. Powstające rozpryski mogą przywierać do powierzchni przedmiotu obrabianego co widać na ilustracji 6. Centralny punkt przebicia na ilustracji 6 bez wątpienia spełnia tę zasadę. W przeciwnym przypadku należy liczyć się z możliwością kolizji rozprysków z głowicą roboczą przy zamykaniu pętli. Warunkiem zapewnienia jakości cięcia laserem jest zachowanie stałej odległości końcówki dyszy głowicy roboczej od powierzchni przedmiotu. Zbyt duża odległość sprzyja rozrzedzeniu strumienia gazu roboczego i tym samym zmniejszenia efektywności usuwania produktów wycinania ze strefy cięcia. Gdy ta odległość jest zbyt mała dochodzi do powstania nadpaleń górnej krawędzi szczeliny cięcia [6, 7].

Ilustracja 6. Przykład cięcia laserem – widoczne punkty przebicia.

Do istotny parametrów cięcia laserem zalicza się prędkość cięcia, której dobór zależy od grubości i rodzaju przecinanego materiału. Za mała prędkość cięcia przyczynia się do nadtopień na krawędziach, a zbyt duża powoduje powstawanie narostów przy dolnej krawędzi (nacieki metalu i żużla) [6].

Ocena jakości powierzchni po cięciu powinna obejmować chropowatość powierzchni, jej fakturę, odchyłkę prostopadłości, kąt ukosu, sposób przebicia oraz szerokość szczeliny [8]. Bez wątpienia grubość ciętego przedmiotu obrabianego stanowi pewne ograniczenie w wykorzystaniu cięcia laserem. Bardzo poważnym ograniczeniem jest właśnie nieliniowy wzrost zapotrzebowania na gęstość mocy wiązki laserowej (zależy od mocy lasera i skupienia) wraz ze wzrostem grubości przedmiotu obrabianego.

Cięcie strumieniem wodno-ściernym i cięcie laserem nie wyczerpują metod cięcia i pomimo wieloletniego przemysłowego stosowania nadal są rozwijane. Prace rozwojowe dotyczą konstrukcji maszyn minimalizujących występowanie drgań, nowe rodzaje laserów oraz metod monitorowania procesów cięcia. O ile elementarne podstawy samych technik wytwarzania nie ulegają zmianom to jakościowy charakter postępu technologicznego umożliwia zwiększanie wydajności, precyzji obróbki, a także obróbkę kolejnych materiałów.

Źródła

1. Łuciów D., Rozwój technologii cięcia, MM Magazyn Przemysłowy Nr 2/2019
2. Słania J., Milewski P., Porównanie cięcia laserowego z cięciem strumieniem wodno-ściernym, Przegląd Spawalnictwa Nr 7/2014
3. Mazurkiewicz A., Czynniki wpływające na jakość powierzchni stali po cięciu strumieniem wodno-ściernym, Inżynieria materiałowa Nr 5/2008
4. Niesłony J., Löschner P., Wpływ prędkości cięcia strugą wodno-ścierną, STAL. Metale & Nowe Technologie Nr 09-10/2018
5. Trzepieciński T., Przecinanie wysokociśnieniową strugą wodno-ścierną, STAL. Metale & Nowe Technologie Nr 03-04/2018
6. Kurp P., Niekonwencjonalne technologie wytwarzania – cięcie laserowe, STAL. Metale & Nowe Technologie Nr 05-06/2019
7. Matuszewski M., Uwarunkowania technologiczne i dokładność cięcia laserem, MM Magazyn Przemysłowy Nr 5 (191)/2019
8. Górka J., Porównanie wpływu procesów cięcia termicznego na jakość i zmiany strukturalne powierzchni ciętych stali walcowanej termochemicznie S 700MC i ulepszonej cieplnie S 690QL, STAL. Metale & Nowe Technologie Nr 11-12/2018

TEWY Nr 4/2019 (24) Cięcie wodą i laserem 4.15 MB 1121 downloads

TEWY Nr 4/2019 (24) Cięcie wodą i laserem Cięcie wodą i cięcie laserem jest...

Download