Laserové řezání tlusté oceli: okna procesu a požadavky na kvalitu světelného paprsku

Pod 10 mm jsou většinou všechny problémy s vláknovými lasery způsobeny špatným nastavením parametrů. Nad přibližně 16 mm se však mění na problémy fyzikální.

Na této hranici současně dojde ke změně tří faktorů:

• Hluboká řezná drážka: Řezná drážka se stává hlubokým kanálem, do jehož dna se obtížně dostává pomocný plyn.

• Rozbíhavost paprsku: Důsledky Rayleighovy délky a rozptylu svazku způsobují, že ohnisková skvrna je 20 mm pod povrchem měřitelně větší.

• Rizika pro průraz: Průraz – nikoli řez – se stává operací s nejvyšším rizikem poškození dílů, trysky i ochranných čoček.

Tato příručka se zabývá řezáním uhlíkové oceli a vysoce pevných plechů o tloušťce 16–30 mm a pokrývá limity Součinu parametrů svazku (BPP), zoomovou optiku, postupný průraz, dynamiku kyslíku, kontrolu zkosení a prevenci trosky.

Zaměřený laserový paprsek má tvar kužele, nikoli válce. Výkonová hustota na dně řezu o šířce 25 mm je výrazně nižší než nahoře a roztavený kov musí urazit mnohem větší vzdálenost, než se vymkne z řezu. Malá velikost ohniskové skvrny, vysoká rychlost řezání a ostré zaměření – které fungují dobře u tenkých plechů – zde působí přímo proti vám.

U plechu tloušťky 3 mm dosáhne pomocný plyn řezného prostoru okamžitě. U desky tloušťky 25 mm musí plyn putovat dolů úzkým kanálem s roztavenými stěnami a šířkou často pod 1,0 mm. Statický tlak trysky vám velmi málo napoví o dynamickém tlaku na dně; mnoho stížností na „nedostatečný výkon laseru“ je ve skutečnosti způsobeno problémy s prouděním plynu.

U tloušťky 20 mm představuje zkosení o 0,3 mm na každé straně rozměrovou chybu 1,5 %, kterou kontrola kvality okamžitě odhalí. U tloušťky 3 mm se stejná chyba téměř nepozoruje.

Součin parametrů svazku (BPP) je poloviční úhel rozptylu vynásobený poloměrem svazku v jeho nejužším místě (měřeno v mm·mrad). Určuje, jak úzce lze laserový svazek zaostřit a jak rychle se rozptyluje. Na rozdíl od hrubé výkonové hodnoty laseru nelze BPP zlepšit pouhým přidáním výkonových modulů.

U vláknového zdroje s vlnovou délkou 1 µm je teoretická difrakční mez blízko 0.34 mm·mrad. Průmyslové zdroje v reálném provozu se však výrazně liší:

• Zdroje s vysokou jasností a jedním režimem (single-mode): přibližně 0.3–1.5 mm·mrad

• Standardní vícemodové řezné zdroje: přibližně 2.0–6.0 mm·mrad

• Starší zdroje s vysokým výkonem: 8.0 mm·mrad a více

Velikost ohniskové skvrny a Rayleighova délka (hloubka ostrosti) jsou prostřednictvím BPP vzájemně propojeny. Při pevné hodnotě BPP snížení průměru skvrny na polovinu zkrátí Rayleighovu délku na čtvrtinu. Skvrna o průměru 0.15 mm, která je ideální pro nerezovou ocel tloušťky 4 mm, bude již po jedné třetině průchodu deskou tloušťky 25 mm značně mimo ostrost.

Tloušťky materiálu vyžadují větší světlý bod s dlouhým použitelným ohniskovým rozsahem, což vyžaduje vyšší kvalitu světelného paprsku (nižší BPP). Dvě stroje s uvedeným výkonem 20 kW se mohou lišit až o 100 % v dosažitelné tloušťce materiálu pouze na základě kvality světelného paprsku.

Tipy pro kupujícího: "20 kW" není úplná specifikace. Vždy požádejte o výstupní hodnotu BPP, průměr jádra optického vlákna a velikost dodaného světlého bodu prostřednictvím skutečné řezací hlavy.

Následující tabulka poskytuje praktický inženýrský rámec pro řezání konstrukční uhlíkové oceli kyslíkem (nikoli teoretické mezní hodnoty pro úplné přerušení):

Poznámka: Rychlosti jsou orientační pro mírnou ocel s použitím kyslíku. Specifikace dodavatelů pro „maximální tloušťku“ často popisují oddělení (oddělení desky), nikoli kvalitu hrany akceptovatelnou pro kreslení.

Třídy jako S690/S700 a kalené a popouštěné plechy odolné proti opotřebení (400–500 HB) představují dva konkrétní obchodní rizika:

1. Měkknutí tepelně ovlivněné zóny (HAZ): Kyslíkové řezání vkládá do tepelně zpracovaných slitin velké množství tepla, čímž vzniká měkknoucí tepelně ovlivněná zóna (HAZ), jejíž tvrdost může klesnout pod požadované hodnoty pro tažení.

2. Praskání na okraji: Silné vysoce pevné plechy mají zvýšené riziko praskání okrajů při horkém řezání a následném tvarování bez odstranění vnitřních napětí.

Pro okraje, u nichž je kritická tvrdost, je často inženýrskou preferencí místo kyslíkového řezání řezání dusíkem nebo stlačeným vzduchem za vysokého tlaku při snížených rychlostech.

Zoomové řezací hlavy integrují motorizované kolimující optiky, které upravují poměr rozšíření svazku před tím, než dopadne na fokusovací čočku. To umožňuje dynamickou úpravu velikosti světelného bodu a hloubky ohniska bez fyzické výměny čoček.

• Obrysy v plechu tloušťky 20 mm a více: Zvětšete velikost ohniskové skvrny, abyste prodloužili ohniskovou hloubku, za cenu snížení maximální intenzity, čímž dosáhnete rovnějších a méně zúžených stěn řezné štěrbiny.

• Postupy průrazu: Zvětšete velikost ohniskové skvrny, abyste snížili maximální intenzitu a zabránili explozivnímu odstřikování taveniny; přizpůsobujte nastavení zoomu dynamicky spolu se stupňováním výkonu.

• Geometrie malých otvorů: Zmenšete velikost ohniskové skvrny, abyste provedli řez otvorů menších než tloušťka materiálu, za předpokladu, že počáteční průraz využívá rozšířený profil ohniskové skvrny, aby nedošlo k výbuchu.

Požadavek na řídicí jednotku: Ujistěte se, že vaše CNC řídicí jednotka podporuje přepínání velikosti ohniskové skvrny během jedné vrstvy. Řídící jednotky s zoomovými hlavami, které umožňují úpravy pouze mezi vrstvami, ztrácejí většinu své užitečnosti při řezání tlustých desek.

Statický průraz kyslíkem při plném výkonu na desce tloušťky 25 mm způsobí výbuch: roztavený kov a oxid železitý vytrysknou směrem vzhůru, čímž se struska svaří na trysku a poškodí posuvné ochranné kryty.

Postupný průraz eliminuje tento riziko pomocí vícestupňové posloupnosti:

1. Začátek s vysokým rozostřením: Zvýšená výška průrazu se zaměřením nad povrchem desky za účelem rozptýlení počáteční tepelné energie.

2. Pulzní iniciace klíčového otvoru: Vysoký špičkový výkon při nízkém poměru zapnutí spouští tavení bez vyvolání nekontrolovatelné exotermické reakce.

3. Postupné klesání: Bod zaměření klesá, zatímco výkon/poměr zapnutí postupně stoupá ve 3 až 6 diskrétních krocích, čímž se díra postupně prohlubuje.

4. Pobyt na dně: Pobyt při sníženém výkonu dokončí průraz a umožní vyčištění taveného bazénku.

5. Přechod řezu: Tlak, zaměření a výkon se plynule přepínají na řezné parametry ještě před zahájením pohybu os.

U dílů vyžadujících desítky průrazů tlustých desek převládá doba průrazu nad celkovými náklady na zpracování. Před zakoupením zařízení vyhodnoťte „účinnost cyklu průrazu“ spolu s čistou výkonovou kapacitou laseru.

Kyslíkové laserové řezání využívá exotermické oxidace železa spíše než čisté mechanické kinetické expulzi. Nadměrný tlak plynu narušuje roztavenou mezní vrstvu, ochlazuje reakční zónu a vytváří široký, vyrytý a přeoxidovaný řez.

Tlusté desky vyžadují vysoký objemový průtok při nízké rychlosti proudění. Větší průměry trysky při středním tlaku dodávají plyn hlubokým kanálem bez vzniku turbulencí. U materiálů o tloušťce 20–30 mm představují jednovrstvé trysky (1,2–2,5 mm) provozované při tlaku 0,6–1,5 baru standardní provozní rozsah.

• Pod optimální rychlostí: Řez se přehřívá, což vede k intenzivní oxidaci a hrubému, hrbolatému nízko-rychlostnímu troskovému usazení.

• Nad optimální rychlostí: Paprsek předbíhá reakci oxidace, čímž vzniká jemný, vysoce přilnavý a rychlý troskový povlak na spodním okraji.

U desky tloušťky 25 mm může být použitelné okno rychlosti menší než ±20 % jmenovité rychlosti. Použijte místo jediné globální posuvné rychlosti úpravy posuvné rychlosti specifické pro jednotlivé obrysy. Troska v rozích je téměř výhradně způsobena zpomalením bez úpravy výkonu a/nebo plynu.

Čistota plynu pod 99,5 % má za následek okamžitý pokles řezné rychlosti a výrazné vytváření trosky. Měřte čistotu plynu i dynamický tlak vždy přímo na vstupu řezné hlavy při plném průtoku.

• Příčina: Přirozená geometrie reakce kyslíku, kde je čerstvost plynu nejvyšší nahoře.

• Řešení: Mírně posuňte ohniskový bod trochu hlouběji do materiálu; zvětšete velikost světlého skvrny, aby se vyrovnala svislá hustota výkonu; zarovnejte souosost trysky.

• Příčina: Příliš hluboké ohnisko v kombinaci s nadměrným tlakem pomocného plynu nebo příliš malý průměr trysky.

• Řešení: Zvyšte polohu ohniska; snižte tlak plynu; zvětšete průměr otvoru trysky.

• Příčina: Nadbytečný tepelný vstup na jednotku délky (přepálení).

• Řešení: Zvyšte rychlost řezání, snižte výkon laseru nebo upravte tlak kyslíku.

• Příčina: Paprsek se pohybuje rychleji než fronta oxidace.

• Řešení: Snížte rychlost řezání nebo snižte polohu ohniska. Nesnižujte tlak plynu, protože to zhoršuje škváru při vysoké rychlosti.

Při hodnocení vysokovýkonových vláknových laserových strojů pro zpracování tloušťky 16–30 mm požadujte od dodavatelů ověření:

• Dodaný BPP na výstupu a skutečná velikost ohniska na obrobku prostřednictvím hlavy.

• Optický zvětšovací poměr a možnost dynamické úpravy velikosti ohniska během jedné vrstvy.

• Dokumentovaná maximální tloušťka materiálu pro postupné průrazné řezání (nejen tloušťka pro oddělovací řez).

• Vypočtená spotřeba kyslíku (m³/h) při tloušťkách 20–30 mm a odvozené provozní náklady.

• Řezné vzorky na místě pomocí vašeho konkrétního druhu oceli, se zkosením změřeným a struskou fotografovanou za standardizovaného osvětlení.

Schopnost řezat tlusté desky je rozhodnuta ještě před vydáním objednávky – určují ji kvalita svazku, schopnost průrazného průniku a dynamika plynů.

Pokud zadáváte stroj pro řezání konstrukční oceli nebo obráběcí oceli o tloušťce 16–30 mm, uveďte požadované tloušťky, třídy materiálu a specifikace tolerance. Náš tým aplikovaného inženýrství vám poskytne přizpůsobené doporučení výkonu a BPP, postup pro postupný průraz a testování vzorků v tovární podmínce před dodáním.

[Požádat o hodnocení aplikace pro tlusté desky] →Zahrňte tloušťku desky, třídu materiálu, minimální průměry otvorů a požadavky na toleranci okrajů pro technické posouzení.