Лазерно рязане на дебела стомана: прозорци на процеса и изисквания към качеството на лъча

При дебелини под 10 mm повечето проблеми с влакнените лазери са свързани с параметрите. При дебелини над приблизително 16 mm те стават проблеми на физиката.

На този праг едновременно се променят три фактора:

• Дълбока канавка на реза: Канавката на реза става дълбок канал, в който помощният газ има трудности да достигне дъното.

• Разклонение на лъча: Ефектите от дължината на Рейли и разхождането на лъча водят до забележимо по-голям фокусиран петън на 20 mm под повърхността.

• Рискове при пробиване: Пробиването — а не рязането — става операцията, която най-вероятно води до отхвърляне на детайли, дюзи и предпазни лещи.

Това ръководство разглежда рязането на въглеродна стомана и високопрочни плочи с дебелина 16–30 мм и охватва граници на произведението на параметрите на лъча (BPP), зум-оптика, прогресивно пробиване, динамика на кислорода, контрол на конусността и предотвратяване на образуване на шлака.

Фокусираният лазерен лъч има конична, а не цилиндрична форма. Плътността на мощността в дъното на реза с дебелина 25 мм е значително по-ниска в сравнение с тази в горната му част, а разтопеният метал трябва да измине много по-голямо разстояние, преди да бъде изхвърлен. Малкият диаметър на фокусното петно, високата скорост на рязане и силната фокусировка — които работят добре при тънки листове — тук действат директно против вас.

При лист с дебелина 3 мм подпомагащият газ достига зоната на рязане веднага. При плоча с дебелина 25 мм газът трябва да премине надолу по тесен канал с разтопени стени и ширина, която често е под 1,0 мм. Статичното налягане в соплата ви казва много малко за динамичното налягане в дъното; много от оплакванията за "недостатъчна лазерна мощност" всъщност са проблеми с динамиката на газа.

На 20 мм наклон от 0,3 мм от всяка страна представлява грешка в размерите от 1,5 %, която контролът на качеството ще забележи веднага. На 3 мм същата грешка остава почти незабелязана.

Произведението на параметрите на лъча (BPP) е половината от ъгъла на разходимост, умножена по радиуса на талията (измерено в mm·mrad). То определя колко плътно може да се фокусира лазерният лъч и с каква скорост се разхожда. За разлика от суровата лазерна мощност, BPP не може да се подобри просто чрез добавяне на модули за мощност.

За влакнен източник с дължина на вълната 1 µm теоретичният дифракционен лимит е около 0,34 mm·mrad. Реалните индустриални източници в практиката се различават значително:

• Източници с висока яркост и единичен режим: около 0,3–1,5 mm·mrad

• Стандартни многомодови източници за рязане: около 2,0–6,0 mm·mrad

• Стари източници с висока мощност: 8,0 mm·mrad и повече

Размерът на петното и дължината на Рейли (дълбочина на фокуса) са вродено свързани чрез BPP. При фиксиран BPP намаляването наполовина на диаметъра на петното намалява дължината на Рейли четири пъти. Петно с диаметър 0,15 mm, идеално за неръждаема стомана с дебелина 4 mm, ще бъде силно разфокусирано на една трета от пътя през плоча с дебелина 25 mm.

Дебелите секции изискват по-голямо петно с дълга приложима фокусна дълбочина, което изисква превъзходно качество на лъча (по-нисък BPP). Две машини, класифицирани и двете като 20 kW, могат да имат разлика до 100 % в максималната постижима дебелина само поради качеството на лъча.

Съвет за покупателя: „20 kW“ не е пълна спецификация. Винаги изисквайте изходен BPP, диаметър на ядрото на оптичното влакно и реалния размер на петното, доставено чрез действителната глава за рязане.

Таблицата по-долу предоставя практически инженерен модел за кислородно рязане на конструкционна въглеродна стомана (не теоретични граници за пълно прерязване):

Забележка: Скоростите са ориентировъчни за мека стомана с кислород. Спецификациите на доставчиците за „максимална дебелина“ често описват прерязването (разделяне на листа), а не качеството на ръба, подходящо за чертане.

Класове като S690/S700 и закалени и отпуснати износостойки плочи (400–500 HB) внасят два специфични търговски риска:

1. Омекване на зоната, засегната от топлината (HAZ): Кислородното рязане внася висока температура в термообработените сплави, което води до омекване на зоната, засегната от топлината, чиято твърдост може да падне под зададените граници за твърдост при изтегляне.

2. Пукнатини по ръба: Дебелите високопрочни плочи имат по-висок риск от пукане по ръбовете при горещо рязане и последваща формовка без отстраняване на напреженията.

За ръбове, при които твърдостта е критична, често се предпочита инженерно решение с рязане чрез азот или високонапрежен въздух при намалени скорости, вместо с кислород.

Зум рязането глави вграждат моторизирани колимиращи оптични системи, които регулират коефициента на разширение на лазерния лъч преди той да достигне фокусиращата леща. Това позволява динамична настройка на размера на фокусното петно и дълбочината на фокуса без физическа смяна на лещите.

• Контурни резове в плочи с дебелина 20 mm и повече: Увеличете размера на фокусното петно, за да удължите дълбочината на фокуса, като жертвате максималната интензивност, за да постигнете по-права и по-малко конична стена на реза.

• Пробивни режими: Увеличете размера на точката, за да намалите пиковата интензивност и да предотвратите експлозивно отскачане, като динамично съчетавате настройките на увеличението с регулиране на мощността.

• Геометрия на малки отвори: Намалете размера на точката, за да изрежете отвори с дебелина по-малка от дебелината на материала, при условие че първоначалният пробив се извършва с разширен профил на точката, за да се предотврати избухване.

Изискване към контролера: Осигурете, че вашият CNC контролер поддържа превключване на размера на точката в рамките на един слой. Главите с функция за увеличение, които позволяват настройки само между слоеве, губят повечето си полезност при рязане на дебели плочи.

Статичен пробив с пълна мощност и кислород върху плоча с дебелина 25 mm причинява експлозия: течният метал и желязния оксид изригват нагоре, заварявайки шлака към дюзата и повреждайки защитните плъзгащи се елементи.

Прогресивно пробиване елиминира този риск чрез многостепенна последователност:

1. Високо разфокусиран старт: Повишена височина на пробиване с фокус, зададен над повърхността на плочата, за да се разпръсне първоначалната топлинна енергия.

2. Иницииране на ключова дупка чрез импулси: Висока връхна мощност при нисък цикъл на работа инициира топенето, без да предизвика неконтролируема екзотермична реакция.

3. Стъпково изпълнение надолу: Фокусът спада, докато мощността и цикълът на работа нарастват постепенно през 3 до 6 дискретни стъпки, като дупката се задълбочава постепенно.

4. Задържане в дъното: Задържане при намалена мощност завършва пробиването и позволява на течния басейн да се изчисти.

5. Преход към рязане: Налягането, фокусът и мощността се променят гладко към параметрите за рязане, преди да започне движението по осите.

При детайли, изискващи десетки пробиви в дебели листове, времето за пробиване доминира над общата обработка. Оценете "ефективността на цикъла на пробиване" заедно със суровата лазерна мощност преди закупуването на оборудването.

Лазерното рязане с кислород се основава на екзотермичното окисляване на желязото, а не на чисто механично кинетично изхвърляне. Излишното налягане на газа нарушива течната гранична слой, охлажда зоната на реакцията и води до широк, издраскан и прекалено окислен разрез.

За дебели листове е необходим висок обемен разход при ниска скорост на потока. По-големите диаметри на соплата при умерено налягане доставят газа надълбоко по канала, без да се създава турбулентност. При материали с дебелина 20–30 мм стандартният работен диапазон са еднослоеви сопла (1,2–2,5 мм) при налягане 0,6–1,5 бар.

• Под оптималната скорост: Разрезът се прегрява, което води до интензивно окисляване и грубо, неравномерно, бавно образуващо се стопено отпадъчно вещество.

• Над оптималната скорост: Лъчът изпреварва окислителната реакция и оставя фин, високо адхезивен високоскоростен шлак по долната ръбна част.

При плоча с дебелина 25 мм полезният диапазон на скоростта може да е под ±20 % от номиналната скорост. Прилагайте корекции на подаването, специфични за контура, вместо една обща скорост на подаване. Ъгловият шлак почти изключително се причинява от забавяне без корекция на мощността/газа.

Чистота на газа под 99,5 % води до незабавно намаляване на скоростта на рязане и тежко образуване на шлак. Винаги измервайте чистотата на газа и динамичното налягане директно при входа на рязещата глава при пълен поток.

• Причина: Естествена геометрия на кислородната реакция, при която свежестта на газа е най-висока отгоре.

• Решение: Леко преместете фокусната точка по-навътре в материала; увеличете размера на петното, за да уравновесите вертикалната плътност на мощността; подравнете концентричността на дюзата.

• Причина: Твърде дълбок фокус в комбинация с прекомерно налягане на помощния газ или с диаметър на дюзата, който е твърде малък.

• Решение: Повдигнете позицията на фокуса; намалете налягането на газа; увеличете диаметъра на отвора на дюзата.

• Причина: Прекомерен топлинен вход на единица дължина (прегряване).

• Решение: Увеличете скоростта на рязане, намалете лазерната мощност или намалете налягането на кислорода.

• Причина: Лъчът изпреварва фронта на окислението.

• Решение: Намалете скоростта на рязане или понижете позицията на фокуса. Не повишавайте налягането на газа, тъй като това влошава напръскването при висока скорост.

При оценка на високомощни влакнени лазерни машини за обработка на материали с дебелина 16–30 mm изисквайте от доставчиците да потвърдят:

• Доставена BPP на изхода и действителен размер на петното върху работната част чрез главата.

• Оптичен зум коефициент и възможност за динамична промяна на размера на петното в рамките на един слой.

• Документирана максимална дебелина за постепенно пробиване (не само дебелина за завършващ рязане).

• Изчислена скорост на консумация на кислород (м³/ч) при 20–30 мм и подразбирана експлоатационна цена.

• Образци за рязане на място с вашата специфична стоманена марка, като се измерва конусността и се правят фотографии на шлаката при стандартизирано осветление.

Възможността за рязане на дебели плочи се определя преди издадената поръчка — определяна от качеството на лъча, способността за пробиване и газовата динамика.

Ако определяте машинно оборудване за структурна стомана или износващи се плочи с дебелина 16–30 мм, предоставете изискванията си за дебелина, марки материали и толерансни спецификации. Нашата техническа екип за приложения ще предложи персонализирани препоръки за мощност/BPP, процедура за постепенно пробиване и фабрични изпитания на пробни образци преди доставка.

[Поискайте оценка на приложението за дебели плочи] →Включи дебелината на плочата, класа на материала, минималните диаметри на отворите и изискванията за толеранс на ръба за инженерна оценка.