Laserové rezanie

Rezanie kovov laserom si získalo širokú popularitu v rôznych odvetviach vďaka svojej „presnosti“, „účinnosti“, „všestrannosti“ a „nákladovej{{0}efektívnosti“. Jednou z veľkých výhod je, že môže výrazne znížiť náklady na nástroje prostredníctvom ‌eliminácie foriem‌, ‌minimalizácie materiálového odpadu‌ a ‌zvyšovania flexibility výroby‌, a nižšie je krátky zoznam výhod:

 

 

Vlastnosti laserového rezania rôznych kovových materiálov

 

Hliník

Hrúbka: zvyčajne do ‌20 mm‌ s vysokovýkonnými vláknovými lasermi (väčší alebo rovný 6 kW), tenké plechy (1–6 mm) dosahujú najlepšiu kvalitu

Šírka rezu‌: ‌0,1–0,3 mm‌, ovplyvnená odrazivosťou materiálu a asistenčným plynom (pre zamedzenie oxidácie sa uprednostňuje dusík) ‌Tolerancia‌: ±‌0,05–0,1 mm‌ pre tenké plechy; hrubšie materiály (±0,15 mm) v dôsledku tepelného skreslenia.

Kvalitný rez, hladké hrany s minimálnou tvorbou nečistôt pri použití dusíka.

Riziko ‌oxidácie‌ s pomocou kyslíka, čo si vyžaduje následné{0}}spracovanie.

Vláknové lasery ponúkajú pomerne málo výhod, ktoré z nich robia preferované možnosti rezania hliníka:

 

√Vysoká{0}}hustota výkonu, zamerajte svoju energiu na veľmi malé miesto, čo umožňuje efektívne rezanie aj s reflexnými materiálmi, ako je hliník.

√Vysoká rýchlosť rezania, vysoký výkon a vynikajúca kvalita lúča vláknových laserov umožňujú rýchle rezanie a zvyšujú produktivitu.

√Zóna ovplyvnená teplom-minimalizovaným (HAZ) dokáže produkovať menej tepla ako iné typy laserov, čo vedie k čistejším rezom s menším tepelným skreslením.

√Všestrannosť, dokáže rezať širokú škálu hrúbok hliníka a zliatin.

 

Úvahy o rezaní hliníka laserom

 

Pri rezaní hliníkových materiálov zvukovým laserom existuje niekoľko veľmi kritických faktorov a operátori musia vždy zvážiť nasledujúce aspekty:

 

√Pri rezaní hliníka sa často uprednostňuje dusík, pretože vytvára rezy bez-oxidu, zatiaľ čo pri hrubších materiáloch sa často používa kyslík, ale môže viesť k oxidácii okraja. Nevýhodou dusíka sú náklady.

√Zaostrovací bod, je múdre vyskúšať polohu zaostrenia vzhľadom na povrch materiálu pred začatím hromadného rezania a skúsený operátor vždy vyskúša nastavenie na pozitívne alebo negatívne zaostrenie, ktoré môže niekedy zlepšiť kvalitu rezu.

√Rýchlosť rezania na nájdenie správnej rovnováhy medzi rýchlosťou rezania a výkonom je rozhodujúca, pretože nízka rýchlosť môže vytvárať príliš veľa nadmerného tepla, zatiaľ čo vysoká rýchlosť nemusí dosiahnuť úplné preniknutie.

√Čistota, operátor sa musí vždy uistiť, že hliníkové plechy sú čisté a bez olejov alebo nečistôt, ktoré by mohli ovplyvniť kvalitu rezu.

√Tepelný manažment, pravidelné intervaly ochladzovania-, aby sa zabránilo hromadeniu tepla, ktoré by mohlo spôsobiť deformáciu materiálu.

√Kvalita hrán, operátor musí upraviť parametre, ak spozoruje problémy, ako je tvorba štrku alebo nadmerné topenie.

 

Problémy s kvalitou laserového rezania hliníka

 

 

Pri laserovom rezaní hliníkových materiálov, ktoré chradnú rúrky, plechy alebo platne, je málo hlavy, a ak rozumiete týmto prekážkam, môže vám to pomôcť dosiahnuť optimálne výsledky a zároveň minimalizovať náklady na rezanie kovov.

 

√Odrazivosť, to je takmer primárna výzva pri laserovom rezaní hliníka, pretože môže spôsobiť aj spätné odrazy, ktoré poškodia stroj. Hliník prirodzene odráža významnú časť laserového lúča, čo môže znížiť účinnosť rezania a potenciálne poškodiť laserový systém, ak nie je správne spravovaný. Táto odrazivosť si vyžaduje použitie špecifických typov laserov a úrovní výkonu, aby sa zabezpečilo efektívne rezanie, a kvôli tomuto problému je vláknový laser veľmi populárnou voľbou.

√Tepelná vodivosť, dobrá tepelná vodivosť spôsobuje, že rezanie laserom je dosť náročné, pretože materiál rýchlo odvádza teplo, čo môže sťažiť dosiahnutie lokalizovaného tavenia potrebného na presné rezy. Dobrá tepelná vodivosť preto môže viesť k väčšej šírke zárezu a potenciálne tepelne-ovplyvneným zónam okolo okrajov rezu.

√Oxidová vrstva, tenká oxidová vrstva vytvorená na hliníkových povrchoch, zvyčajne narúša proces rezania laserom-a má vyššiu teplotu topenia ako samotný hliník, čo môže spôsobiť nekonzistentnosť v kvalite rezu alebo si vyžaduje dodatočnú energiu na prenikanie.

√Molekulárna štruktúra, jej kujná molekulárna štruktúra môže niekedy viesť k menej požadovanej kvalite hrany a hrana často obsahuje ostrapy alebo vykazuje mierny efekt tavenia pozdĺž orezaných hrán. Pri niektorých náročných projektoch sa vyžaduje dodatočné spracovanie.

 

Nerezová oceľ

 

 

√ Nastavenie výkonu v závislosti od hrúbky a typu nerezového materiálu a je dôležité, aby otvor vyrezaný laserom bol koaxiálny so stredom dýzy. Populárna možnosť napájania je označená takto:

1. Tenká platňa (1-3 mm), výkon 1000-2000W s ochranou dusíkom, aby sa zabránilo tepelnej deformácii

2‌. Stredná doska (10-25 mm), odporúča sa výkon 4000-6000 W a na zníženie defektov trosky sa používa kyslík

‌3. Extra thick plate (>50 mm): 12 000 W + výkon je potrebný v kombinácii s technológiou viacnásobnej perforácie, pričom sa kontroluje stabilita tlaku plynu, aby sa znížila situácia kužeľa.

 

√ Veľkosť dýzy, určuje tvar prúdu plynu vstupujúceho do rezu, oblasť difúzie plynu a rýchlosť prúdenia plynu, čím ovplyvňuje stabilitu odstraňovania taveniny a rezania. Prúd vzduchu vstupujúci do rezu je veľký, rýchlosť je rýchla a poloha obrobku v prúde vzduchu je správna, čím silnejšia je schopnosť rozprašovania odstrániť roztavený materiál. Čím je nehrdzavejúca oceľ hrubšia, tým väčšia by mala byť použitá tryska, tým väčšie je nastavenie proporcionálneho ventilu a tým väčší je prietok, čím je možné zabezpečiť tlak a znížiť efekt normálnej sekcie. Odporúčaný priemer trysky na rezanie rôznych hrúbok nehrdzavejúcej ocele je nasledujúci:

1. 1 mm, φ1,0 mm

2. 2-3 mm, φ1,5 mm

3. 3-5 mm, φ2,0 mm

4. 5-10 mm,φ 3,0 mm +

 

√ Typ pomocného plynu, kyslík, dusík a vzduch sa bežne používajú na rezanie laserom z nehrdzavejúcej ocele a každý z nich má iný vplyv na kvalitu rezu. Kyslík podstúpi exotermickú reakciu, čím sa do reznej plochy pridá dodatočné teplo, čím sa dosiahne hladšia hrana rezu, avšak hrana rezu vytvorí žltý nádych. Dusík môže zachovať pôvodnú farbu nehrdzavejúcej ocele pred oxidáciou a rezanie dusíkom vedie k úzkej šírke zárezu v dôsledku absencie exotermickej oxidačnej reakcie, takže na vytlačenie roztaveného kovu z dolnej zárezu sú potrebné vyššie tlaky dusíka. Preto je dusík preferovaným pomocným plynom pri rezaní nehrdzavejúcej ocele. Pomocný plyn je nasmerovaný koaxiálne na obrobok pozdĺž laserového lúča a jeho hlavným účelom je vytlačiť roztavený materiál zo zárezu a zabrániť tvorbe trosky.

 

√ Ohnisková poloha, rôzna hrúbka plechu a triedy nehrdzavejúcej ocele vyžadujú inú ohniskovú polohu. Pred rezaním sa zmeria skutočné nulové ohnisko a test a analýza parametrov procesu rezania sa môže vykonať s nulovým ohniskom ako referenčným bodom. Negatívne rozostrenie je hlavným smerom výberu procesu pre rezanie nehrdzavejúcej ocele. Pri rezaní hrubých plechov by sa malo ohnisko nastaviť v rámci dosky (zvyčajne 1/3 až 1/4 hrúbky dosky), aby sa optimalizovalo rozloženie energie.

 

√ Nastavenie frekvencie, vysoko{0}}frekvenčné rezanie (400 – 500 Hz) môže znížiť zvyšky trosky a zlepšiť kvalitu rezu pre tenké plechy a pre obrobky s vysokými požiadavkami na presnosť. Pri rezaní stredne hrubých plechov (6-10 mm) môže zníženie frekvencie na 200-300 Hz zlepšiť kvalitu rezu, ak nastavenie na 100 Hz spôsobí zlyhanie rezania.

 

√ Pracovný cyklus, pracovný cyklus 53% je kritická hodnota. Ak budete pokračovať v znižovaní pracovného cyklu, na spodnom povrchu budú stopy po neúplnom rezaní, pracovný cyklus sa zvýši na 60% a časť bude drsná a vrstvená. Pracovný cyklus impulzu sa vzťahuje na podiel času ožiarenia lúčom v každom impulze.

 

Uhlíková oceľ

 

 

Laserové rezanie uhlíkovej ocele zvyčajne vyžaduje špecifický rozsah výkonu, hrúbku ocele, ako aj priemer dýzy a nižšie je obľúbené nastavenie pevných parametrov, ktoré si zvolilo mnoho výrobcov:

 

√Hrúbka ocele: 1,0-3,0 mm 1-2 Kw s tryskou 1,0-1,5 mm

√Hrúbka ocele: 3,0-6,0 mm 2-4 Kw s tryskou 1,5-2,0 mm

√Hrúbka ocele 6,0-10,0 mm, 4-6 Kw s tryskou 2,0-2,5 mm

√Hrúbka ocele vyššie vyžaduje výkon 6K+ Kw a veľkosť trysky je často väčšia ako 2,5 mm.

 

Úvahy o laserovom rezaní uhlíkovej ocele

 

8 mm platňa z uhlíkovej ocele

Pri diskusii o tom, ako určiť najlepšie parametre procesu pre rezanie laserom, zvyčajne musíme zvážiť niekoľko kľúčových faktorov vrátane výkonu lasera, rýchlosti rezania, typu plynu, veľkosti trysky a tlaku. Správnym nastavením týchto parametrov je možné optimalizovať laserový rezací efekt dosiek z uhlíkovej ocele a zlepšiť efektivitu výroby a kvalitu rezu. Okrem toho rôzne vzory rezu ovplyvnia výber a nastavenie parametrov procesu rezania, čo následne ovplyvňuje rýchlosť a kvalitu rezu. Operátor musí pochopiť, že experimenty a optimalizačné parametre musia byť nastavené pred hromadným rezaním. Zároveň neustálymi pokusmi a optimalizáciou môžeme postupne zbierať skúsenosti a zlepšovať presnosť a efektivitu rezania. Po sérii experimentov môžeme získať optimálne parametre procesu pre stredný-výkonný vláknový laserový rezací stroj na rezanie uhlíkovej ocele s hrúbkou 8 mm. Ďalej podrobne preskúmame výber a úpravy pre laserové rezanie uhlíkovej ocele 8 mm a 3 mm.

 

√Typ lasera: vláknový laser

√Rýchlosť rezania: 13 mm/s

√Výkon: 5kw

√Ohnisková poloha:+3.2 mm

√Veľkosť trysky: 2,3 mm

√Pomocný plyn: kyslík

√Tlak plynu pri 0,04 MPa.

√Perforačná frekvencia: 80 Hz.

 

3 mm platňa z uhlíkovej ocele

√Typ lasera: vláknový laser

√Rýchlosť rezania: 70 mm/s

√Výkon: 3Kw

√Ohnisková poloha:+2 mm

√Veľkosť trysky: 2,3 mm

√Pomocný plyn: kyslík

√Tlak plynu pri 0,35 MPa.

√Perforačná frekvencia: 300 Hz.

 

V priemyselných aplikáciách je šírka zárezu CO2 laserom vo všeobecnosti asi 0,2 až 0,3 mm, čo je obzvlášť vhodné na rezanie stredných a hrubých plechov a závisí to aj od typu rezania laserom a hrúbky oceľového materiálu. Kyslíková asistencia rozširuje šírku zárezu, ale zvyšuje rýchlosť a rezanie dusíkovým laserom bude mať čisté hrany-bez trosky, zatiaľ čo kyslíková asistencia vytvára otrepy vyžadujúce sekundárne brúsenie.

Meď a mosadz

 

 

Vysoká odrazivosť, vodivosť a všestrannosť medi a mosadze predstavujú jedinečné výzvy pre laserové rezanie a dva hlavné faktory sú odrazivosť a tepelná vodivosť, ktoré ovplyvňujú účinnosť a presnosť rezania laserom. Vláknový laser sa široko používa na prekonanie týchto výziev a operátor musí pri vykonávaní laserového rezania na reflexných kovoch, ako je nehrdzavejúca oceľ, hliník, meď a mosadz, zvážiť nasledujúce parametre:

 

√Vlnová dĺžka, 1 μm, ktorá môže byť dobre -absorbovaná reflexnými kovmi, ako je meď, hliník a nehrdzavejúca oceľ, sa bežne odporúča pre vláknový laser.

√Výkon a pulz, je veľmi rozumné nastaviť výkon lasera a trvanie pulzu, aby sa optimalizoval proces rezania, aby sa zabránilo nadmernému hromadeniu tepla a odrazom. Pre tenké medené plechy môže byť efektívna technika pulzného prepichovania, ktorá zahŕňa postupné zvyšovanie výkonu lasera cez sériu krátkych pulzov, až kým nie je materiál prepichnutý, čím sa zabráni neúplným rezom a tvorbe trosky.

√Pomocný plyn, dusík a kyslík sú bežné pri laserovom rezaní reflexných kovov a môžu pomôcť odfúknuť roztavený materiál a zabrániť odrazom.

√Zaostrovacia optika, je dôležité zabezpečiť, aby bola zaostrovacia optika čistá a správne zarovnaná, aby sa minimalizovali odrazy a optimalizovala sa účinnosť rezania.

√Dodávanie lúča, vysokokvalitné{0}}systémy dodávania lúča s reflexnými vrstvami môžu pomôcť minimalizovať odrazy.

√Pred začatím sériovej výroby sa dôrazne odporúča kalibrácia parametrov rezu, ako je rýchlosť, výkon a ohnisková vzdialenosť, aby sa dosiahla požadovaná kvalita rezu bez toho, aby došlo k nadmernému odrazu alebo hromadeniu tepla, a skúšobný rez v malom rozsahu.