Welke metaaleigenschappen beïnvloeden het lasersnijproces?

Metalen zijn onderhevig aan continu onderzoek om hun mechanische eigenschappen te verbeteren voor verschillende toepassingen. Dat is voor lasersnijden niet anders. Er zijn steeds meer legeringen waarvan het snij oppervlak door laseren van zeer hogekwaliteit is. Maar, hoewel de legering een invloed heeft op de performantie van de lasersnijmachine, is het verre van de enige eigenschap die belangrijk is. Er zijn daarnaast ook verschillende metaalsoorten die te lasersnijden zijn.

In dit artikel gaan we de belangrijkste parameters uit de doeken doen waar je moet op letten in jouw zoektocht naar de metaalsoort voor jouw laserwerkstuk.

Legeringen

Lasersnijden biedt een hele resem van mogelijkheden en uitdagingen,van zacht staal tot staal met een hoge treksterkte tot roestvrij staal,aluminium, titanium en nikkel of koper legeringen. Al deze metalen hebben verschillende toepassingen en doeleinden en worden gebruikt voor verschillende producten. Ze zijn echter allemaal te lasersnijden.

Hieronder een overzicht van de verschillende legeringen en hun mogelijkheden voor metaalbewerking met een lasersnijmachine.

Zacht staal

Zacht staal is het meest gebruikte metaal dat gesneden wordt met lasers wegens het grote volume van industriële applicaties. Het is ook de gemakkelijkste metaalsoort om te lasersnijden.

Zacht staal bestaat voornamelijk uit ijzer met verschillende andere legeringselementen in kleine controleerbare hoeveelheden. Het gaat hier vooral over Koolstof (C), mangaan (Mn), Silicium (Si), Fosfor (P) en zwavel (S).

De meeste zachte stalen hebben een laag koolstof gehalte ( 0.05-0.4% ).Meer koolstof verbetert de treksterkte en hardheid van het metaal,maar maakt het ook meer bros en verminderd de lasbaarheid aanzienlijk. Hoe lager het koolstofgehalte, hoe hoger de snijsnelheid.Metalen met een koolstof gehalte dicht tegen de 0.4% hebben daarnaast de neiging om kleine micro breukjes te veroorzaken aan de snijrand. Is het koolstof gehalte onder de 0.15% is er van microbreukjes geen sprake. Belangrijk om hier rekening mee te houden,want deze breukjes kunnen later zorgen voor scheuren of metaalmoeheid. Er zijn echter hitte behandelingen om dit tegen te gaan.

Mangaan ( 0.25-0.50% ) wordt voornamelijk gebruikt omdat het helpt bij de oxidatie van staal tijdens productie. Oxidatie is nefast voor de staalkwaliteit. Daarnaast voorkomt het ook de formatie van ijzersulfide. Het bemoeilijkt lasersnijden wel. De snijsnelheid zal lager liggen, net als de kwaliteit van de snijrand. Fosfor ( onder 0.035% ) verhoogt dan weer de weervastheid van het staal.

Zwavel ( onder 0.04% ) wordt over het algemeen meer gezien als een vervuiling dan als een legeringselement. Het maakt staal brosser en moeilijker te lassen, maar in lage hoeveelheden verhoogt het de bewerkbaarheid. Metalen met een zwavelgehalte van ongeveer 0.4% worden vaak gebruikt in de electrische industrie. Het zwavel zorgt namelijk voor een toename in de electrische weerstand en bestandbaarheid tegen thermische oxidatie. De snij snelheid is echter tot 20% lager bij een hoge zwavel aanwezigheid.

Of het nu gaat over dunne of dikke plaatbewerking, zacht staal kan altijd gelaserd worden met acceptabele tot superieure snijranden (zeker vergeleken met andere thermische snijtechnologiën). Alle legeringen van zacht staal blijven binnen de toleranties van het lasersnijproces en zorgen niet voor grote verschillen in de instellingen van de machine. De legering heeft ook niet zoveel invloed op de snijrandkwaliteit en de snijsnelheid.

Dat maakt een lasersnijmachine zeer geschikt voor het bewerken van de meest gebruikte staalsoorten in de industrie en dat in grote hoeveelheden.

Roestvrijstaal

Roestvrij staal valt onder de categorie van chroom – nikkel stalen. Hunlegering hoeveelheden liggen tot 10-20 keer hoger dan bij zacht staal.Chroom (Cr) is het hoofdelement en is ongeveer 18% van roestvrijstaal. Nikkel (Ni) is goed voor ongeveer 8% bij de meest voorkomendetypes.

De toevoeging van nikkel en chroom zorgt voor een minder brosmateriaal en maakt lassen makkelijker. De meeste roestvrij stalen zijnniet magnetisch, maar er zijn ook types met een lage nikkel waardedie wel magnetisch zijn.

Roestvrij staal is zeer goed bestand tegen corrosie door eennatuurlijke Cr2O3 film op het oppervlakte wanneer het blootgesteldwordt aan de atmosfeer. Deze filmt zorgt voor een beschermendscherm tegen verdere corrosie.

Wegens deze reactiviteit met zuurstof onstaan er vaak onzuiverheden bij het lasersnijden die het snijvlak er heel onzuiver doen uitzien. Daarom wordt roestvrij staal voornamelijk met stikstof gelaserd als non-reactief gas. Dit verhoogt de kosten van het snijden wel aanzienlijk. Ook de snijdikte is aanzienlijk lager voor roestvrijstaal. Voor gelijkaardige kwaliteitsresultaten als zacht staal moet je de snijdikte halveren.

Aluminium legeringen

Aluminium (Al) is de tweede meest voorkomende staalsoort in de industrie als het op lasersnijden aankomt. Net zoals bij roestvrij staal oxideert aluminium zeer snel wanneer het blootgesteld wordt aan de elementen. Een Al2O3 -film komt over het oppervlakte wat verdere corrosie tegengaat.

Deze film gaat net zoals bij roestvrij staal sterk reageren met zuurstof tijdens het snijden, ook hier wordt dus vaak overgeschakeld naar stikstof of een ander non-reactief gas.

Aluminium is niet magnetisch en kan dus niet via magnetische methodes verplaatst worden.

Titanium en Nikkel legeringen

Vooral in de luchtvaart en energie industrie zijn titanium (Ti) en nikkel(Ni) legeringen zeer populair. Ze hebben goede mechanische eigenschappen, een hoge slijtvastheid, taaiheid en hebben een grote sterkte tot gewicht ratio tegenover andere metalen (inclusief aluminium). Sommige hebben ook een hoge corrosiebestendigheid in chemische omgevingen en kunnen om met een hoge temperatuurstijging. Deze voordelen moeten altijd afgewogen worden tegen een hogere kost per kilo.

Titanium wordt al sinds begin de jaren 50 gebruikt, maar is een duur metaal dat voornamelijk in de luchtvaart gebruikt wordt als constructie staal. In de energie sector komen de hoge temperatuur en hoge drukweerstand van pas in bvb gas turbines. Het is ook biologisch compatibel met menselijk weefsel en botten, wat het zeer geschikt maakt voor de medische industrie.

Bij het lasersnijden reageert titanium met zuurstof in een zeer exotherme reactie. Het reageert ook met stikstof als de temperatuur te hoog wordt. Dit kan leiden tot zeer heftige reacties zelfs bij lasersnijden op kamertemperatuur.

Oxidatie tijdens het snijproces zorgt voor een inkt blauw uitzicht en gaat zorgen voor een sterke toename in de hardheid in de geoxideerde zone. Dit tot het punt dat er barsten ontstaan. Het maakthet materiaal zeer bros.

Het is dan ook aangeraden om een inert gas als argon (Ar) te gebruiken bij het lasersnijden.

Koper legeringen

Koper kan gelaserd worden in zijn pure vorm alsook in gelegerde vormen. Messing is koper met 1/3e zink (Zn) en brons bevat 10% tin. Deze drie vormen zijn de belangrijkste groepen voor commercieel gebruik als het over koper legeringen gaat.

Brons wordt meestal gegoten in een mal en wordt niet vaak gebruikt in plaatsvorm. Het wordt dan ook niet vaak gelaserd, maar eerder mechanisch behandeld (frezen bvb). Koper en messing worden echter wel heel vaak behandeld met een lasersnijmachine. Koper is een goede geleider en is zeer geschikt om te werken met elektrische stroom. Daarom vindt je het vooral in electronica en industriële elektrische systemen. Het heeft ook een zeer goede thermische geleidbaarheid waardoor het perfect is voor warmtewisselaars. Het is over het algemeen niet magnetisch.

Koper legeringen hebben een sterke weerstand tegen corrosie.Oxidatie van koper door zuurstof is een zeer gematigd proces vergeleken met staal en titanium. Zuurstof kan dus gebruikt worden als lasergas en zorgt voor een hogere snijsnelheid dan een neutraal of inert gas.

Mechanische en fysische eigenschappen

De mechanische eigenschappen van metalen zoals maximale trekspanning en maximale treksterkte, hardheid, soortelijk gewicht, uitzettingscoëfficient hebben geen grote invloed op het lasersnijproces. Lasersnijden is een thermisch proces met snelle opwarming en koeling. De effecten zijn echter beperkt tot een kleine snijzone. In die snijzone kunnen de materiaaleigenschappen wel merkbaar anders zijn dan in de rest van het materiaal.

Voor metalen met een hoog ijzer gehalte bvb kan de hardheid in de snijzone tot 50-100% toenemen afhankelijk van de input variabelen van de laser (golflengte, vermogen, cyclus en gastype). Geleidbaarheid wordt verlaagd en weerstand tegen metaalmoeheid verminderd.

In de meeste gevallen zijn de effecten echter zeer locaal. Ongeveer de helft van de materiaaldikte wordt beïnvloed. Dit is dus meestal niet significant voor het hele product.

Thermische geleidbaarheid

Materiaaleigenschappen zoals thermische geleidbaarheid heeft wel een merkbare invloed op de kwaliteit, productiviteit, snijsnelheid en veiligheid van het lasersnijproces. De efficiëntie waarmee de energie van de laser via warmte wordt afgevoerd door het werkstuk kan het laserproces een pak minder efficiënt maken.

Dit wordt nog belangrijker bij dikkere platen aan een tragere snijsnelheid. En als het hele werkstuk opwarmt kan het uiteraard leiden tot brandwonden. Ook oliën of smering kunnen voor brandgevaar zorgen in dit geval.

Viscositeit

De viscositeit van een metaal speelt ook een belangrijke rol. In het algemeen hebben metalen een lage viscositeit bij hun smelttemperatuur. Toch kan dit zorgen een niet mooie snijrand na het snijden, omdat het snijvlak vloeibaar wordt. Viscositeit neemt ook nog verder toe als de temperatuur toeneemt. Aluminium bijvoorbeeld heeft al een zeer lage smelt temperatuur, dus daar is het een zeer belangrijke factor.

Optische eigenschappen

De meeste metalen oppervlakte reflecteren tot 80% infrarood light bijkamertemperatuur. De overige 20% wordt omgezet tot hitte en datzorgt voor een smelting als het basis onderdeel van hetlasersnijproces.

De reflectiviteit van metalen kan echter drastisch verandered wordendoor natuurlijke of artificiële coatings op het oppervlak. Ook deoppervlakte van het metaal speelt een rol, wat is de ruwheid? Eengepolijst oppervlak heeft een hogere reflectiveit. Zelfs de hoekwaarmee gesneden wordt heeft invloed.

Hoe dit invloed heeft is relatief complexe materie aangezien nietalleen de materiaaleigenschappen een effect hebben, maar ook degolflengte van je laser van belang is.

Lubricatie

Vaak krijgen metalen platen een dunne film van olie om het plaatstaalte beschermen tegen corrosie. Het verminderd ook corrosie doorwrijwing bij opslag en vervoer. Het lasersnij proces is echter zeldenbeinvloed hierdoor aangezien de lubricatie zeer snel verdampt.

Het kan echter wel een vertragend effect hebben op de productiviteitaangezien omgaan met geolied materiaal minder gemakkelijk is. Hetis glad, platen plakken aan mekaar en het heeft gevolgen voor debrandveiligheid. Dit heeft invloed in het laden en ontladen van delasersnijmachine.

Coating

Coating gebasseerd op zink worden frequent gebruikt om staal te beschermen tegen corrosie. Veel plaatstaal wordt gegalvanisseerd op basis van zink. Het helpt daarnaast tegen krassen en vlekken en bevordert de verfbaarheid.

In de meeste gevallen hebben coatings een smeltpunt ver onder dat van het basis metaal. Hierdoor zou zink coating theoretisch gezien weinig impact mogen hebben op het lasersnijproces. In de praktijk echter vermindert de efficientie aanzienlijk.

Er ontstaat namelijk een afzetting op het snijoppervlak die de kwaliteit naar beneden haalt. Dit kan alleen tegengegaan worden door de snijsnelheid drastisch te verlagen (tot 20%).

Er zijn geen noemenswaardige verschillen op de merken tussen de verschillende galvanisatieprocessen (Electrolytisch, thermisch of galvanisch verzinken). Hoewel de oppervlakte textuur wel anders kan zijn en dat heeft invloed op de reflectiviteit. De vaporisatie ervan kan wel giftig zijn en moet dus deftig gefilterd worden.