Różnice jakości przy cięciu stali nierdzewnej: na co działa ciśnienie i posuw

Stal nierdzewna przy cięciu – dlaczego „kaprysi” bardziej niż zwykła stal

Właściwości materiału a przebieg cięcia

Stal nierdzewna z punktu widzenia cięcia zachowuje się inaczej niż zwykła stal węglowa. Ma niższe przewodnictwo cieplne, co oznacza, że ciepło koncentruje się w strefie cięcia zamiast szybko rozchodzić się po materiale. Powierzchnia szybciej się nagrzewa, łatwo powstaje szeroka strefa wpływu ciepła, odbarwienia i miejscowe przegrzania. Dla cięcia oznacza to, że okno parametrów jest węższe – ciśnienie i prędkość posuwu trzeba ustawiać dokładniej, bo stal mniej „wybacza” błędy.

Drugi ważny parametr to temperatura topnienia i sposób, w jaki stal nierdzewna przechodzi ze stanu stałego w ciekły. Nierdzewka ma tendencję do tworzenia lepkawego, gęstego metalu w stanie ciekłym. Trudniej go wyrzucić z szczeliny cięcia, szczególnie przy niedostatecznym ciśnieniu gazu lub zbyt dużym posuwie. Efektem są „sople”, przyklejony żużel i poszarpana dolna krawędź.

W przeciwieństwie do stali węglowej, gdzie tlen uczestniczy aktywnie w procesie spalania metalu, stal nierdzewna jest odporna na utlenianie dzięki warstwie tlenków chromu. Dlatego przy cięciu laserem zwykle stosuje się azot, a nie tlen – bo tlen nie „pomaga” w cięciu tak jak w zwykłej stali, a za to powoduje silne utlenienie krawędzi, trudne później do spawania.

Skład chemiczny a zachowanie w łuku, wiązce, strudze

Chrom, nikiel i często molibden w stali nierdzewnej zmieniają przewodność elektryczną i cieplną oraz lepkość strefy ciekłej. W procesach, gdzie mamy łuk plazmowy lub wiązkę lasera, przekłada się to na stabilność kolumny plazmy czy stożka promieniowania. W praktyce łatwiej o wahania szerokości szczeliny, „przeskoki” łuku i lokalne niedocięcia.

Stale austenityczne (typu 304, 316) mają z reguły większą rozszerzalność cieplną niż stale węglowe. Przy tym samym dopływie ciepła bardziej się odkształcają, co psuje prostopadłość krawędzi, odkształca ciecie w dłuższych elementach i wpływa na tolerancje montażowe. Wymusza to ostrożniejsze gospodarowanie energią: posuw i ciśnienie trzeba tak dobrać, by nie „grzać” blachy dłużej niż to konieczne.

Dodatek molibdenu (np. w 316L) zwiększa odporność na korozję, ale jednocześnie jeszcze bardziej utrudnia płynięcie ciekłego metalu. Gaz lub woda muszą mieć odpowiednio dobrane ciśnienie i dynamikę, w przeciwnym razie ciekły metal tylko zmienia kształt, zamiast zostać wyrzucony ze szczeliny.

Dlaczego nierdzewka łatwiej się „mazi” i tworzy zadzior

Przy cięciu stali nierdzewnej topiona strefa ma tendencję do rozciągania się i przyklejania do dolnej krawędzi. W zwykłej stali węglowej ciekły metal jest bardziej „kruchy”, szybciej odrywa się w postaci kropli. Nierdzewka przypomina raczej ciągnący się syrop: przy zbyt niskim ciśnieniu gazu lub wodzie o za małej energii krople nie są odrywane, tylko rozsmarowywane.

Efekt „maźniętej” krawędzi nasila się, gdy:

• posuw jest za duży – ciekły metal nie ma czasu, by zostać wydmuchany/wyciśnięty ze szczeliny,
• ciśnienie jest za małe – struga nie ma energii, żeby wyrzucić materiał na zewnątrz,
• ognisko lasera lub łuk plazmowy nie są precyzyjnie ustawione – energia nie jest skupiona tam, gdzie powinna.

Rezultatem jest typowy dla złego cięcia nierdzewki zadzior na spodzie, czasami bardziej przypominający nawis niż klasyczny, ostry zadzior. Taka krawędź wymaga żmudnego szlifowania lub frezowania, co potrafi pogrzebać opłacalność produkcji seryjnej.

Praktyczne konsekwencje: węższe okno parametrów

Połączenie niższego przewodnictwa cieplnego, dużej rozszerzalności cieplnej i specyficznych właściwości stopu powoduje, że zakres poprawnych parametrów jest w nierdzewce dużo ciaśniejszy niż w „czarnej” stali. Niewielka zmiana ciśnienia lub posuwu potrafi:

• zrobić z ładnej, gładkiej krawędzi – pofalowaną, przegrzaną ścianę,
• zamienić prostopadłość w widoczny „skos” krawędzi,
• dodać kilka dziesiątych milimetra zadzioru na spodzie,
• wywołać niedocięcia przy tych samych konturach.

Dlatego przy cięciu stali nierdzewnej ciśnienie i prędkość posuwu trzeba traktować nie jak luźne suwaki, tylko jako ściśle powiązany zestaw parametrów. Każda korekta jednego z nich powinna pociągać za sobą korektę drugiego, a także ewentualnie mocy, ogniskowej czy wysokości palnika.

Co dokładnie rozumiemy jako „jakość cięcia” w nierdzewce

Najważniejsze kryteria oceny krawędzi

Jakość cięcia stali nierdzewnej to nie tylko wizualne „ładnie czy brzydko”. W praktyce produkcyjnej liczy się kilka powtarzalnych parametrów, które da się obejrzeć, zmierzyć i powiązać z ustawieniami maszyny. Do najważniejszych należą:

• chropowatość powierzchni cięcia – widoczne linie, rowki, fale wzdłuż kierunku posuwu,
• prostopadłość ściany cięcia – różnica wymiaru góra–dół, stożkowatość,
• szerokość szczeliny cięcia (kerf) – ile materiału faktycznie „ginie”,
• stan krawędzi pod spawanie – utlenienie, nawis stopionego metalu, podtopienia,
• powtarzalność w serii – czy dziesiąty i setny detal są takie same jak pierwszy.

Ciśnienie i posuw wpływają na wszystkie te kryteria. Różnie jednak: czasem bardziej na chropowatość, czasem mocniej na prostopadłość lub topografię dolnej krawędzi.

Chropowatość, fale i rowki a dalsza obróbka

Chropowatość po cięciu nierdzewki objawia się charakterystycznymi pionowymi rowkami, biegnącymi w dół krawędzi. Przy dobrych parametrach linie są drobne, równoległe, niemal gładkie w dotyku. Przy złych – pojawiają się głębokie rowki, falowanie, czasem nieregularne „ząbki”.

Dla montażu mechanicznego chropowatość wpływa na to, jak dokładnie pasują się elementy, jak zachowują się podczas skręcania, oraz ile czasu trzeba poświęcić na ewentualne gratowanie. Dla spawania ma znaczenie jeszcze większe – duże rowki i nawis stopionego metalu zaburzają przyleganie brzegów, utrudniają uzyskanie równomiernego przetopu, a czasem wymagają dodatkowego fazowania.

Prędkość posuwu i ciśnienie gazu lub wody decydują o tym, jak szybko i jak dokładnie usuwany jest materiał ze szczeliny. Zbyt duży posuw wobec aktualnego ciśnienia generuje chropowatą, poszarpaną dolną część krawędzi. Zbyt mały posuw przy wysokim ciśnieniu – z kolei może tworzyć mikroubytki, „wygryzione” miejsca i drobne nieregularności, które widać przy dokładnych pomiarach.

Prostopadłość i kąt nachylenia ściany cięcia

Idealnie byłoby, gdyby ściana cięcia była w pełni prostopadła do powierzchni blachy. W praktyce część procesu energii jest tracona po drodze, wiązka lub łuk rozszerzają się w głąb materiału, a gaz lub woda tworzą lejkowaty kształt szczeliny. Pojawia się charakterystyczny kąt nachylenia ściany – na górze szczelina jest węższa, na dole szersza, albo odwrotnie.

Na prostopadłość wpływają głównie:

• rodzaj procesu (laser, plazma, waterjet),
• wysokość palnika/ogniska,
• moc/energia jednostkowa,
• posuw – większy posuw zwykle pogarsza kąt ściany,
• ciśnienie gazu lub wody – może zwężać lub rozszerzać szczelinę.

W cienkich blachach odchyłki kąta często są akceptowalne. W grubszych (powyżej kilku–kilkunastu milimetrów) każdy stopień odchyłki zaczyna mieć znaczenie przy montażu i spawaniu. Właśnie tu dobrze dobrany posuw „pod prostopadłość” bywa ważniejszy niż próba wyciśnięcia maksymalnej prędkości detalu.

Szerokość szczeliny (kerf) a tolerancje wymiarowe

Szerokość szczeliny cięcia, czyli kerf, określa, ile materiału zostaje usunięte w trakcie prowadzenia strugi. Przy cięciu nierdzewki kerf będzie zależeć od:

• średnicy ogniska/łuku/strugi,
• mocy/energii,
• ciśnienia – szczególnie w laserze i waterjecie,
• posuwu – im wolniej, tym dłużej działa energia w jednym miejscu i tym szerzej potrafi się rozlać strefa stopienia.

Jeżeli dobiera się parametry „na styk” do tolerancji rzędu dziesiątych części milimetra, zmiana ciśnienia gazu o kilka bar lub spadek wydajności pompy wody zauważalnie poszerza szczelinę. To z kolei przesuwa faktyczną linię cięcia względem planowanego toru narzędzia. Przy produkcji seryjnej wahania kerfu mogą generować niestałe wymiary detali, mimo że program w maszynie się nie zmienia.

Stan krawędzi pod spawanie

Dla wielu zakładów pracujących z nierdzewką najważniejsze pytanie brzmi: czy po cięciu da się od razu spawać, czy trzeba szlifować, czyścić, usuwać warstwę tlenków i nawisy. Parametry ciśnienia i posuwu silnie wpływają na:

• ilość i rodzaj zadzioru na spodzie,
• stopień odbarwienia krawędzi (przegrzanie),
• obecność przyklejonego żużla,
• głębokość mikropęknięć i nadtopień na krawędzi.

Do spawania MIG/TIG na nierdzewce zwykle wymaga się krawędzi czystej, bez grubej warstwy tlenków i z minimalnym zadziorem. Zbyt małe ciśnienie gazu ochronnego przy cięciu laserowym lub zbyt wolny posuw spowodują, że krawędź będzie mocno przegrzana – ciemne, niebieskie przebarwienia sięgające kilku milimetrów od linii cięcia. Taka strefa ma zmienione własności i przy spawaniu może zachowywać się inaczej niż reszta materiału, dlatego często wymaga zeszlifowania.

Powtarzalność wymiarów w serii

Jednym z kryteriów jakości jest powtarzalność. Nawet jeśli pojedynczy detal wygląda poprawnie, cały proces upada, gdy pięćdziesiąty element jest już o 0,5 mm „większy” lub „mniejszy” niż pierwszy. Powody bywają różne: nagrzewanie się blachy, zużywanie się dyszy, spadki ciśnienia w instalacji gazowej, wahania ciśnienia pompy wody.

Ciśnienie i posuw zaliczają się do parametrów, które trzeba monitorować w czasie. Jeżeli zasilanie gazem w zakładzie jest niestabilne, a cięcie odbywa się na granicy możliwości maszyny (bardzo duże prędkości), pierwsze symptomy pogorszenia jakości objawią się właśnie na krawędzi: inny kąt ścianki, więcej zadzioru, trochę gorsza chropowatość. Przy produkcji seryjnej dobrze jest mieć proste procedury kontroli wzrokowej i pomiarowej po każdej zmianie partii blachy lub po określonym czasie pracy.

Rola ciśnienia w procesach cięcia stali nierdzewnej

Gaz, łuk, wiązka – gdzie ciśnienie „robi robotę”

W większości procesów cięcia stali nierdzewnej ciśnienie medium roboczego – gazu lub wody – pełni trzy podstawowe funkcje:

• transportuje energię (woda pod wysokim ciśnieniem w waterjecie),
• usuwa ciekły materiał z szczeliny (gaz w laserze, plazmie),
• chłodzi i stabilizuje łuk lub wiązkę (gaz osłonowy, plazmowy).

Przy cięciu laserowym gaz (najczęściej azot dla nierdzewki) jest sprężony i podawany współosiowo z wiązką. Jego zadaniem jest wyrzucić stopiony materiał w dół i jednocześnie odizolować strefę cięcia od powietrza. Przy cięciu wodą ciśnienie jest kluczowe – to ono decyduje, z jaką prędkością trafia w materiał struga wody ze ścierniwem i czy jest w stanie go „przeciąć” przez całą grubość.

Jak zmiana ciśnienia przekłada się na krawędź – typowe objawy

Niewielka korekta ciśnienia potrafi całkowicie zmienić wygląd krawędzi. Na produkcji objawia się to w dość powtarzalny sposób – po wyglądzie detalu można często „na oko” ocenić, w którą stronę poszliśmy z ustawieniami.

Przy zbyt niskim ciśnieniu w cięciu laserowym nierdzewki dolna krawędź zaczyna się:

• mocno strzępić – pojawia się wiszący zadziorek,
• „zamykać” – szczelina cięcia zwęża się, rośnie ryzyko niedocięć,
• zabarwiać – widać ciemniejsze ślady przegrzania, bo stopiony materiał dłużej styka się z krawędzią.

Przy za wysokim ciśnieniu z kolei:

• kerf potrafi się nieco poszerzyć,
• w krawędzi mogą pojawić się drobne „wgryzienia”, wygląda jakby ktoś lekko podszczypywał linię cięcia,
• w cienkich blachach detal potrafi się bardziej odkształcać przez lokalne siły strugi gazu lub wody.

W plazmie i waterjecie zmiany są podobne, choć mechanizm inny. Zbyt małe ciśnienie skutkuje niestabilnym łukiem lub zbyt „miękką” strugą wody, która przestaje nadążać z wybieraniem materiału. Przewymiarowane ciśnienie natomiast zwiększa zużycie dysz, generuje większy hałas i wibracje, a przy waterjecie może powodować lekki „zakos” szczeliny, gdy struga zaczyna odchylać się w kierunku przeciwnym do posuwu.

Dobrym nawykiem jest zapamiętywanie charakterystycznych „sygnatur” dla poszczególnych procesów i grubości. Po kilku dniach pracy operator jest w stanie już po dwóch detalach stwierdzić: „tu brakuje paru barów” albo „tu ktoś przydusił gaz za mocno”.

Różnice między cięciem azotem, tlenem i sprężonym powietrzem

W nierdzewce najczęściej używa się azotu. Jego rolą jest cięcie „na czysto” – bez celowego utleniania krawędzi. Wysokie ciśnienie azotu:

• zapewnia gładką, jasną krawędź,
• minimalizuje strefę przebarwień,
• ułatwia cięcie bez późniejszego szlifowania pod spawanie TIG/MIG.

Tlen wykorzystuje się rzadziej – głównie tam, gdzie liczy się prędkość, a nie idealna czystość powierzchni. Tlen bierze udział w reakcji chemicznej spalania żelaza, co dodaje energii do procesu. W efekcie:

• można ciąć grubszą nierdzewkę przy mniejszej mocy lasera,
• prędkości posuwu bywają wyższe,
• ale krawędź jest mocno utleniona, ciemna i wymaga czyszczenia przed spawaniem.

Sprężone powietrze jest wariantem kompromisowym – tańsze niż azot, daje jednak bardziej „szarą” krawędź, z mieszanym tlenkowym nalotem. Ciśnienia robocze są zbliżone do azotu, ale wahania w instalacji sprężonego powietrza (wilgoć, olej, spadki ciśnienia przy dużym poborze) szybciej odbijają się na jakości cięcia.

Przy przechodzeniu z azotu na powietrze czy tlen nie wystarczy zmienić rodzaju gazu. Trzeba też zwykle skorygować:

• ciśnienie robocze,
• posuw,
• wysokość ogniska lub palnika,
• czasami też strategię prowadzenia (lead-in, lead-out, mikromostki).

Ciśnienie a grubość blachy – kiedy „dokręcać”, a kiedy odpuścić

Intuicja podpowiada: im grubsza blacha, tym większe ciśnienie. W praktyce granice narzuca nie tylko maszyna, ale też sama fizyka procesu. W cienkich nierdzewkach (do kilku milimetrów) wysokie ciśnienia gazu lub wody:

• pomagają utrzymać wąski, stabilny kerf,
• mocno ograniczają przypalenia i przebarwienia,
• pozwalają zwiększyć posuw bez utraty jakości.

W grubszych materiałach sytuacja się komplikuje. Zbyt agresywne ciśnienie:

• rozszerza szczelinę na dole,
• może powodować silniejsze „wyrywanie” ciekłego metalu, co zwiększa chropowatość,
• w plazmie – powoduje odkształcenia łuku i gorszy kąt ścianki, bo łuk zaczyna „tańczyć” w szczelinie.

Dlatego przy dużych grubościach sensowne bywa lekkie obniżenie ciśnienia względem katalogu i jednoczesne zmniejszenie posuwu. Zamiast walczyć o maksymalną prędkość, ustawia się kombinację ciśnienie–posuw pod kątem prostopadłości i zmniejszenia zadzioru.

Stabilność ciśnienia w instalacji a powtarzalność detali

Sam poziom ciśnienia to jedno, ale równie ważna jest jego stabilność. Spadki ciśnienia w instalacji:

• delikatnie poszerzają strefę stopienia,
• zwiększają ryzyko niedocięć przy małych mostkach materiału,
• generują nieregularne zadziorowanie – jeden detal wygląda dobrze, kolejny już gorzej.

Przy cięciu nierdzewki dłuższymi seriami warto:

• obserwować manometry na maszynie, ale też na centralnej stacji gazowej,
• sprawdzić, czy w krytycznych godzinach (np. gdy pracuje też lakiernia, piaskarnia, inne lasery) ciśnienie nie siada znacząco,
• rozważyć buforowe zbiorniki gazu przy samym laserze lub pompę wzmacniającą przy waterjecie.

W praktyce często pomaga prosta reguła: przy ważnych seriach nie zaczyna się cięcia, gdy ciśnienie w instalacji jest już blisko minimum roboczego. Lepiej odczekać kilka minut, aż inne maszyny skończą cykl, niż poprawiać kilkadziesiąt detali po fakcie.

Posuw – główny „regulator” wyglądu krawędzi

Intuicyjna rola prędkości posuwu

Posuw decyduje o tym, jak długo energia „stoi” w jednym miejscu. Przy wysokich prędkościach każda porcja materiału widzi wiązkę lub łuk bardzo krótko – wystarcza na stopienie i wyrzucenie metalu, ale nagrzewanie strefy przyległej jest mniejsze. Przy niskich prędkościach krawędź jest „podgrzewana” dłużej, co ma swoje plusy i minusy.

Efekt jest taki:

• zwiększanie posuwu – mniejsza strefa wpływu ciepła, ale większe ryzyko niedocięć i zadzioru,
• zmniejszanie posuwu – lepsza pewność przebicia i cięcia, natomiast rośnie przegrzanie i kerf może się poszerzać.

Na krawędzi widać to jako zmianę tekstury rowków. Przy dobrze dobranym posuwie linie są równoległe i prawie pionowe. Gdy posuw jest za duży – rowki zaczynają się „odchylać” w stronę posuwu, przybierają kształt łagodnych łuków. Gdy posuw jest za mały – struktura robi się bardziej „falista”, momentami wręcz wygładzona, z lokalnymi nadtopieniami.

Posuw minimalny i maksymalny – granice bezpiecznej pracy

Dla każdej kombinacji materiał–grubość–moc istnieje realny zakres bezpiecznych prędkości. Można go przybliżyć trzema punktami:

• posuw maksymalny technologiczny – powyżej tej wartości zaczynają się niedocięcia lub bardzo silny zadziorek,
• posuw optymalny jakościowo – najczęściej nieco niższy niż maksymalny, zapewnia dobre kąty i akceptowalny czas,
• posuw minimalny sensowny – poniżej tej wartości nie ma już zysku jakości, za to mocno rośnie przegrzanie, przebarwienia i szerokość szczeliny.

Przy stali nierdzewnej ten „korytarz” jest zwykle węższy niż dla stali czarnej. Materiał gorzej przewodzi ciepło, szybko się przegrzewa i „mści się” za zbyt powolne prowadzenie. Zdarza się, że zejście z posuwem o kilkanaście procent sprawia, że krawędź staje się ładniejsza na dole, ale za to zaczyna się nieakceptowalne przebarwienie na górze i szersza strefa wpływu ciepła.

Wpływ posuwu na chropowatość i strukturę rowków

Chropowatość krawędzi nierdzewnej w dużym stopniu zależy od tego, czy posuw „nadąża” za procesem topienia i wydmuchiwania materiału. Gdy prędkość jest zbyt wysoka:

• stopiony metal nie zdąża zostać całkowicie wypchnięty ze szczeliny,
• część materiału „zawisa” na spodniej krawędzi jako zadzior,
• rowki stają się głębsze i bardziej niesymetryczne.

Przy nadmiernym spowolnieniu sytuacja odwraca się. Energia z ogniska „rozlewa się” na boki, nagrzewa większy fragment materiału. W rowkach pojawiają się:

• lokalne wygładzenia, jakby krawędź była nadtopiona i lekko spłynięta,
• drobne ubytki, gdy gaz lub struga wody „wyrywa” zbyt miękki, przegrzany materiał,
• nieregularne przebarwienia, widoczne zwłaszcza w laserze azotowym.

W praktyce posuw ustawia się więc nie „na czuja”, ale pod konkretny efekt: jeśli priorytetem jest jak najmniejsza chropowatość, często trzeba delikatnie zrezygnować z szybkości i znaleźć ten punkt, w którym krawędź ma najdrobniejsze, równomierne rowki przy nadal akceptowalnym czasie cięcia.

Posuw a kształt detalu – proste odcinki kontra detale skomplikowane

Większość maszyn CNC potrafi automatycznie redukować posuw w narożnikach i na małych promieniach. Dla nierdzewki ma to szczególne znaczenie. Jeżeli w złożonym detalu zostawi się identyczny posuw wszędzie:

• na prostych odcinkach krawędź może wyglądać dobrze,
• w ciasnych łukach i przy małych detalach zaczynają się przegrzania, zadziory, a nawet nadtopienia narożników.

Zależność jest prosta: przy tej samej prędkości liniowej, ruch po łuku i częste zmiany kierunku sprawiają, że efektywny czas działania energii w lokalnym miejscu rośnie. Oprogramowanie kompensuje to zwykle obniżeniem posuwu w newralgicznych fragmentach. Warto jednak weryfikować, czy domyślne ustawienia nie są zbyt zachowawcze (zbyt wolne) lub zbyt agresywne.

Przy detalu z wieloma otworami, szczelinami i ostrymi załamaniami stosuje się często dwa poziomy posuwu:

• wyższy – na długie, proste odcinki,
• niższy – w okolicach małych promieni, otworów, gwintowników, wpustów.

Taka strategia pozwala utrzymać rozsądny czas cięcia, a jednocześnie zadbać o newralgiczne miejsca, w których najmniejsze odkształcenie albo większy zadzior mogą zepsuć późniejszy montaż.

Regulacja posuwu w trakcie cięcia – kiedy reagować

Operator często widzi „na żywo”, że coś z procesem jest nie tak. Przy nierdzewce intuicja bywa jednak zwodnicza: spowolnienie na ślepo nie zawsze pomaga. W sensownym podejściu reaguje się na konkretne symptomy:

• górna krawędź przebarwia się na niebiesko – sygnał, że energia zbyt długo działa w jednym miejscu; można spróbować lekko zwiększyć posuw lub skorygować moc/ognisko, a nie tylko manipulować gazem,
• na dole rośnie zadzior, pojawiają się niedocięcia – zwykle posuw jest za duży względem aktualnego ciśnienia i mocy; tu lekkie spowolnienie pomaga częściej niż podkręcanie ciśnienia „do oporu”,
• ścianka jest mocno pochylona (stożek) – czasem pomaga minimalne obniżenie posuwu przy jednoczesnej korekcie ogniska, zamiast tylko zwiększać moc.

Dodatkowym narzędziem bywa korekta posuwu zależna od grubości blachy. W niektórych systemach można wprowadzić tabelę, w której maszyna sama redukuje procentowo prędkość np. powyżej określonej grubości, utrzymując podobną jakość krawędzi bez ręcznego „strzelania” ustawieniami przy każdej zmianie materiału.

Jak ciśnienie i posuw razem kształtują chropowatość krawędzi

Wspólny mianownik: ilość energii na jednostkę drogi

Ciśnienie i posuw wpływają na to, ile energii realnie trafia w każdy milimetr toru cięcia i jak sprawnie ta energia jest wykorzystywana. Można to sobie wyobrazić tak: posuw określa, ile „porcji” materiału wiązka napotyka w jednostce czasu, a ciśnienie – jak skutecznie usuwa stopioną strefę.

Jeśli posuw rośnie, energia na milimetr drogi spada. Żeby zachować jakość, trzeba:

• podnieść moc,
• zwiększyć ciśnienie,

Typowe kombinacje: wysokie ciśnienie + wysoki posuw, niskie ciśnienie + niski posuw

Przy ocenie chropowatości dobrze jest patrzeć na zestawy parametrów, a nie na pojedynczą wartość. Dwa skrajne przypadki pojawiają się najczęściej:

• wysokie ciśnienie i wysoki posuw – podejście „produkcyjne”,
  • szczelina cięcia jest stosunkowo wąska,
  • rowki na ściance stają się bardziej wyraźne i pochylone w kierunku posuwu,
  • zadzior zwykle nie jest dramatyczny, ale chropowatość rośnie,
  • przy gorszym stanie dyszy lub niewielkim rozogniskowaniu pojawiają się pojedyncze, głębsze rysy.
• niższe ciśnienie i niższy posuw – podejście „jakościowe”,
  • materiał dłużej przebywa w strefie topienia, więc łatwiej o wygładzenie rowków,
  • szczelina jest nieco szersza, ale struktura krawędzi bardziej jednorodna,
  • zbyt mocne zejście z posuwem potrafi jednak zniszczyć efekt – zamiast gładkiej powierzchni pojawia się „pofałdowanie” i przebarwienia.

Przy nierdzewce często kończy się na czymś pośrednim: lekko podniesionym ciśnieniu i delikatnie zredukowanym posuwie względem ustawień „na szybkość”. Taki kompromis bardzo wyraźnie poprawia jednorodność rowków bez dramatycznego wydłużenia czasu.

Okno procesowe – kiedy mała zmiana parametru psuje całą krawędź

Dla stali nierdzewnej charakterystyczne jest wąskie okno procesowe, czyli zakres ciśnień i posuwów, w którym proces jest stabilny. Poza nim zaczyna się loteria: raz krawędź wychodzi akceptowalna, a raz nadaje się wyłącznie do szlifierki.

Prosty przykład z lasera azotowego na nierdzewce 5–8 mm:

• przy jednym zestawie parametrów krawędź jest jasna, rowki drobne i niemal pionowe,
• po zwiększeniu posuwu o kilka–kilkanaście procent i pozostawieniu ciśnienia „jak było” pojawiają się nieregularne zdziory na spodzie,
• podkręcenie samego ciśnienia w odpowiedzi na zadziory nie zawsze pomaga – przy nierdzewce od pewnego momentu gaz bardziej „szarpie” stopiony metal, niż go stabilnie wypycha.

Dlatego testując parametry, zamiast zmieniać wszystko naraz, wygodniej jest korygować je małymi krokami i patrzeć, jak to się przekłada na wygląd trzech stref: górnej krawędzi, ściany i dołu z przeciągami.

Jak „czytać” krawędź: wskazówki diagnostyczne

Gotowy detal jest jak zapis danych z procesu. Z samego wyglądu można często odgadnąć, czy problemem był posuw, czy ciśnienie.

Przy zbyt dużym posuwie w stosunku do ciśnienia:

• rowki są silnie nachylone w kierunku posuwu i nieregularne,
• na spodniej krawędzi powstaje ciągły, „drutowy” zadzior, ciągnący się po całym konturze,
• miejscami widać „mikro-mostki” – punkty, w których cięcie prawie się przerwało.

Przy nadmiernym ciśnieniu w stosunku do posuwu i mocy:

• strukturę rowków przecinają pojedyncze, głębsze rysy – efekt lokalnego „wydarcia” metalu,
• spód bywa pozornie czysty, ale przy dotyku czuć ostre, punktowe zadziorki,
• na cienkich blachach zdarzają się delikatne wygięcia w okolicy szczeliny, bo gaz mechanicznie „pracuje” na krawędzi.

Jeśli obie wartości – posuw i ciśnienie – są zbyt niskie, krawędź wygląda bardzo charakterystycznie: rowki stają się faliste, tworzą się lokalne „poduszki” nadtopionego materiału i dość szeroka strefa przebarwień.

Praktyczna metoda strojenia pod chropowatość

Przy nowych materiałach lub innej partii blachy sprawdza się prosty schemat:

1. Ustawić parametry z tabeli producenta maszyny dla danej grubości jako punkt wyjścia.
2. Wykonać prosty pasek testowy i obejrzeć wyłącznie ściankę, ignorując na chwilę kolor górnej krawędzi.
3. Jeśli rowki są bardzo pochylone i głębokie – zmniejszyć posuw o kilka procent lub podnieść minimalnie ciśnienie.
4. Jeśli rowki zaczynają „falujeść”, a szczelina wyraźnie się poszerza – wrócić z posuwem w górę albo zredukować nieco ciśnienie.

Po ustabilizowaniu struktury ścianki dopiero przechodzi się do fine-tuningu pod kolor górnej krawędzi i wielkość zadzioru. Takie podejście ogranicza błąd polegający na tym, że próbuje się „wygładzić” krawędź samym gazem, ignorując fakt, że to posuw ustawia główny charakter rowków.

Prostopadłość i tolerancje wymiarowe a dobór parametrów

Skąd biorą się „stożkowate” ścianki w nierdzewce

W idealnym świecie szczelina cięcia miałaby identyczną szerokość na górze i na dole, a ścianki byłyby całkowicie pionowe. W praktyce niemal zawsze pojawia się pewien stożek – lekko szerszy otwór u góry niż u dołu albo odwrotnie. W nierdzewce zjawisko to jest bardziej widoczne niż w stali czarnej.

Przyczyny są dwie:

• profil wiązki lub strugi – wiązka lasera ma minimalną średnicę w ognisku, a powyżej i poniżej lekko się rozszerza; struga wody czy plazmy też ma swoją „talię”,
• wpływ energii na topienie krawędzi – górna strefa jest nagrzewana dłużej, przez co łatwiej o delikatne zaokrąglenie lub nadtopienie kąta.

Jeśli dołoży się jeszcze nieoptymalne ciśnienie i posuw, stożek wyraźnie się powiększa: na przykład za duży posuw sprawia, że dół jest „niedocięty” i węższy, a za małe ciśnienie wydłuża czas stopienia górnej części, poszerzając wejście szczeliny.

Wpływ ciśnienia na prostopadłość i szerokość szczeliny

Ciśnienie gazu lub wody nie tylko czyści szczelinę, lecz także subtelnie kształtuje jej geometrię. Przy zbyt niskim ciśnieniu:

• materiał przykleja się do ścianek, zwłaszcza w dolnej części,
• ścianki robią się bardziej pochylone, bo w dolnej strefie topnienie jest mniej skuteczne,
• rzeczywista szerokość szczeliny u dołu jest mniejsza niż wynikałoby to z ustawień ogniska.

Podniesienie ciśnienia poprawia „przeciągnięcie” procesu na dół blachy. Jednak po przekroczeniu rozsądnego poziomu:

• górna część szczeliny może się poszerzyć – strumień gazu mechanicznie wywiewa stopiony metal na boki,
• pojawia się miejscowe podmycie krawędzi, co psuje prostopadłość na krótkich odcinkach,
• tolerancje otworów maleją – wymiary zaczynają się „rozjeżdżać” w górnej strefie.

Dlatego przy detalach z ciasnymi tolerancjami wymiaru otworów często stosuje się minimalnie niższe ciśnienia niż przy typowych rozkrojach, a brak wydajności cięcia kompensuje się nieco mniejszym posuwem i precyzyjnie ustawionym ogniskiem.

Posuw a odchyłka prostopadłości ścianki

Posuw wpływa na to, jak bardzo energia „przeciąża” górną część blachy względem dolnej. Gdy prędkość jest nadmiernie wysoka:

• większa część energii zostaje zużyta w górnej strefie materiału – zanim proces zdąży „dociągnąć” równomierne topienie na cały przekrój, głowica już „ucieka” dalej,
• dół cięcia jest bardziej szorstki, węższy, pojawia się wyraźne stożkowate zawężenie,
• przy pomiarze kąta widać wyraźne odchyłki od 90°, często właśnie po stronie spodu.

Przy zbyt małym posuwie historia bywa odwrotna: energia tak długo koncentruje się w górnej części, że krawędź lokalnie się zaokrągla, powstaje „kołnierz” topionego materiału, a dół bywa relatywnie bardziej pionowy. Na rysunku wygląda to jak ścianka pochylona w stronę środka blachy od góry.

Najlepszą prostopadłość daje zwykle zestaw: posuw nieco poniżej maksymalnego technologicznego plus ciśnienie tuż poniżej granicy „rozdmuchiwania” górnej krawędzi. To ustawienie sprawia, że materiał jest równomiernie topiony na całej grubości, a różnica szerokości szczeliny między górą a dołem jest minimalna.

Grubość blachy a tolerancje wymiarowe

Wraz ze wzrostem grubości nierdzewki rosną wyzwania:

• wąski zakres posuwu, w którym cięcie jest stabilne, jeszcze się zawęża,
• częściej ujawnia się delikatne „zwichrowanie” ścianki – kąt nie jest stały na całej wysokości,
• tolerancje wymiarowe otworów i gniazd trudniej utrzymać bez korekt technologicznych.

Typowe reakcje technologów przy grubszych nierdzewkach to:

• zastosowanie korekt wymiarowych w programie (np. lekkie zmniejszenie średnicy otworów w rysunku, jeśli doświadczalnie wychodzą za duże),
• planowe zwolnienie posuwu w newralgicznych otworach kosztem czasu – szczególnie tam, gdzie będzie później gwintowanie lub wciskanie tulei,
• zmiana strategii konturu, np. cięcie precyzyjnych otworów na oddzielnym przebiegu z innymi parametrami niż reszta detalu.

W praktyce często stosuje się dwa „profile jakości”: szybki dla obrysów z liberalnymi tolerancjami oraz powolniejszy, nastawiony na prostopadłość i wymiar, wyłącznie dla otworów i miejsc montażowych.

Znaczenie stabilności parametrów dla powtarzalności wymiarów

Nawet najlepiej dobrany punkt pracy nie pomoże, jeśli moc, ciśnienie i posuw „pływają” w trakcie zmiany. W nierdzewce skutkuje to tym, że pierwsze sztuki z serii mają inne wymiary niż ostatnie, mimo identycznego programu CNC.

Do głównych winowajców należą:

• spadki ciśnienia gazu – otwory zaczynają się nieznacznie zawężać, zwłaszcza przy większych grubościach,
• nagrzewanie się głowicy i optyki – zmienia się efektywne ognisko, co wpływa na szerokość szczeliny i kąt ścianki,
• mikroprzyspieszenia i zwolnienia osi wynikające z przeciążenia serwonapędów – posuw nie jest już identyczny na każdym detalu.

Dlatego przy seriach, gdzie istotne są ciasne tolerancje wymiarowe (np. elementy pasowane, płyty czołowe, maskownice z widoczną szczeliną), wykonuje się czasem krótkie „detale próbne” na początku każdej partii, a następnie sprawdza kąt i wymiar. Jeśli różnice względem poprzedniej serii są zauważalne, łatwiej skorygować od razu posuw lub ciśnienie, niż poprawiać kilkadziesiąt elementów na frezarce czy pilnikiem.