Wiązka światła tnie stal grubości kilku centymetrów z dokładnością do dziesiątych części milimetra. Brzmi jak science fiction? To codzienność nowoczesnych zakładów obróbki metali. Ale co tak naprawdę dzieje się w strefie cięcia — w tej mikroskopijnej szczelinie, przez którą laser przechodzi z prędkością kilku metrów na minutę? Zapraszamy za kulisy jednej z najbardziej fascynujących technologii przemysłowych.
Potoczne wyobrażenie o tnącym laserze sprowadza się do wizji bardzo gorącej wiązki światła, która „spala" metal. Rzeczywistość jest znacznie bardziej złożona i fascynująca.
Cięcie laserowe to skomplikowany proces termodynamiczny, w którym w ciągu milisekund zachodzi szereg zjawisk fizycznych: absorpcja fotonów, nagrzewanie sieci krystalicznej, topnienie, a nierzadko również odparowanie metalu. Każde z tych zjawisk musi być precyzyjnie kontrolowane — to właśnie ta kontrola odróżnia profesjonalne cięcie laserowe od przypadkowego przypalenia materiału.
Zanim cokolwiek się stopi, energia lasera musi zostać przez metal zaabsorbowana. I tu zaczyna się pierwsza fizyczna zagadka: metale, z natury rzeczy, są doskonałymi reflektorami światła. Polerowana stal czy aluminium mogą odbijać nawet 90% padającego promieniowania.
Kluczem do efektywnej absorpcji jest długość fali lasera:
Warto też pamiętać, że absorpcja rośnie wraz z temperaturą materiału. Gdy metal zaczyna się nagrzewać, jego zdolność do pochłaniania energii laserowej wzrasta — to swoisty efekt samowzmacniający, który przyspiesza cały proces.
Gdy energia lasera zostaje zaabsorbowana, w strefie cięcia zachodzi niemal natychmiastowa sekwencja przemian fazowych:
Fotony przekazują energię elektronom w sieci krystalicznej metalu. Energia ta błyskawicznie przekształca się w ciepło i rozprzestrzenia w materiale. Szybkość tego procesu zależy od przewodności cieplnej — materiały takie jak miedź (401 W/m·K) czy aluminium (237 W/m·K) odprowadzają ciepło tak szybko, że utrzymanie wystarczającej temperatury w strefie cięcia wymaga znacznie większej mocy lasera niż w przypadku stali nierdzewnej (~16 W/m·K).
Gdy temperatura lokalnie przekracza punkt topnienia, metal przechodzi w stan ciekły. Stopiony materiał tworzy wąską, roztopioną bruzdę — tzw. kerf (szczelina cięcia). Szerokość kerfu, zazwyczaj od 0,1 do 0,3 mm, decyduje o precyzji i ilości materiału traconego podczas obróbki.
Przy wystarczająco wysokiej gęstości mocy (typowo powyżej 10⁶ W/cm²) metal nie tylko topnieje — zaczyna odparowywać. Powstaje tzw. keyhole (dziurka od klucza) — wąski, głęboki kanał wypełniony gorącą plazmą metaliczną. Ciśnienie par metalicznych pomaga wypychać stopiony materiał z obszaru cięcia. To właśnie ten mechanizm umożliwia cięcie bardzo grubych elementów z zachowaniem prostopadłości krawędzi.
Sam laser nie wystarczy. Bez skutecznego usunięcia stopionego metalu ze szczeliny cięcia, materiał ponownie zastygnąłby i zablokował wiązkę. Tu wkracza gaz asystujący, podawany koncentrycznie wokół wiązki pod ciśnieniem od kilku do kilkunastu barów.
Wybór gazu to strategiczna decyzja technologiczna, uzależniona od rodzaju ciętego materiału i wymagań dotyczących jakości krawędzi.
Tlen (O₂) jest gazem z wyboru przy cięciu stali węglowych i konstrukcyjnych. Wchodzi w egzotermiczną reakcję z żelazem, dostarczając dodatkowej energii do procesu — cięcie jest szybsze i możliwe przy niższej mocy lasera. Ceną jest jednak lekko utleniona, ciemna krawędź, która w niektórych zastosowaniach wymaga dodatkowej obróbki.
Azot (N₂) to gaz preferowany do stali nierdzewnych i aluminium. Jako gaz obojętny chemicznie skutecznie zapobiega utlenianiu w strefie cięcia, pozostawiając jasne, czyste krawędzie gotowe bezpośrednio do spawania lub lakierowania — bez żadnej dodatkowej obróbki mechanicznej.
Argon (Ar) sięga się po niego przy cięciu tytanu i stopów egzotycznych, które są wyjątkowo wrażliwe na wszelkie reakcje chemiczne w podwyższonej temperaturze. Jako gaz szlachetny jest całkowicie obojętny i zapewnia najwyższy poziom ochrony materiału.
Cięcie z tlenem przypomina kontrolowany, ukierunkowany pożar — egzotermiczna reakcja utleniania żelaza dostarcza nawet 30-40% całkowitej energii potrzebnej do cięcia. To dlatego stale węglowe można ciąć z większą prędkością i przy niższej mocy lasera niż stal nierdzewną.
Każdy proces termiczny pozostawia ślad w materiale. W przypadku cięcia laserowego tym śladem jest HAZ (Heat Affected Zone — strefa wpływu ciepła) — obszar wokół cięcia, w którym metal, choć nie stopiony, był wystawiony na działanie wysokiej temperatury wystarczającej do zmiany jego mikrostruktury.
W strefie HAZ mogą zajść:
Minimalizacja HAZ to jeden z głównych celów optymalizacji parametrów cięcia. Lasery światłowodowe o krótkim czasie oddziaływania i precyzyjnie skupionej wiązce generują HAZ znacznie mniejszy niż tradycyjne metody cięcia termicznego, takie jak cięcie plazmą czy palnikiem acetylenowym.
Zrozumienie fizyki cięcia laserowego prowadzi do jednego praktycznego wniosku: każdy parametr ma znaczenie i każdy z każdym oddziałuje.
Moc lasera wyznacza ilość dostępnej energii. Zbyt mała — metal nie zostaje przecięty. Zbyt duża — nadmierne topienie, szeroka szczelina, pogorszona jakość krawędzi.
Prędkość cięcia to kompromis między wydajnością a jakością. Przy zbyt dużej prędkości laser nie zdąży dostarczyć wystarczającej energii — pojawiają się zaszlakowania i niecięcia. Zbyt wolno — nadmierne nagrzewanie, szerokie HAZ, deformacje cienkich blach.
Skupienie wiązki (pozycja ogniska) decyduje o gęstości mocy w materiale. Dla cienkich blach ognisko ustawia się na powierzchni. Dla grubych — nieco poniżej, aby zapewnić energię na całej głębokości cięcia.
Ciśnienie i przepływ gazu wpływają na efektywność usuwania stopiwa i ochronę optyki tnącej przed odpryskami.
W BAPRO-MET rozumiemy, że fizyka to nie tylko teoria — to fundament każdej decyzji technologicznej. Dobór właściwego lasera, parametrów cięcia i gazu asystującego do konkretnego materiału i grubości to różnica między:
Nowoczesne lasery światłowodowe, z mocami sięgającymi 20-30 kW i zaawansowanymi systemami sterowania, otwierają możliwości, które jeszcze dekadę temu były nieosiągalne — cięcie miedzi i mosiądzu z laserami zielonymi, automatyczna optymalizacja parametrów przez algorytmy AI, czy hybrydowe procesy łączące cięcie z innymi operacjami w jednym zabiegu.
Cięcie laserowe metali to przykład technologii, w której głębokie zrozumienie fizyki — absorpcji światła, termodynamiki, mechaniki płynów — przekłada się bezpośrednio na jakość i efektywność produkcji. W ułamku sekundy, na obszarze mniejszym niż milimetr kwadratowy, rozgrywa się fascynujący spektakl przemian materii, sterowany z chirurgiczną precyzją przez wiązkę fotonów.
Chcesz wiedzieć więcej o tym, jak dobieramy parametry cięcia dla konkretnych materiałów w naszym zakładzie? Skontaktuj się z naszym zespołem technicznym — chętnie omówimy specyfikę Twojego projektu.
