Laserudskæring af tyk stål: Procesvinduer og krav til strålekvalitet

Under 10 mm er de fleste fiberlaserproblemer parameterproblemer. Over ca. 16 mm bliver de fysikproblemer.

Ved denne grænse ændres tre faktorer samtidigt:

• Dyb kanal i skærspringet: Skærspringet bliver en dyb kanal, hvor hjælpegassen har svært ved at nå bunden.

• Stråledivergens: Rayleigh-længdeeffekter og stråledivergens gør, at fokuspunktet målesbart bliver større 20 mm under overfladen.

• Risici ved gennemboring: Det er gennemboringen – ikke skæringen – der oftest resulterer i udtjente dele, dyser og beskyttelseslinser.

Denne vejledning undersøger skæring af kulstål og højstyrkeplader med tykkelsen 16–30 mm og omhandler grænser for Beam Parameter Product (BPP), zoomoptik, progressiv gennemboring, ilt-dynamik, taper-kontrol og smeltedepositsforebyggelse.

En fokuseret laserstråle har form som en kegle, ikke en cylinder. Effekttætheden ved bunden af en 25 mm bred skærefuge er betydeligt lavere end ved toppen, og smeltet metal skal rejse en meget længere strækning, inden det bliver udvist. En lille fokusplet, en høj skærehastighed og en meget præcis fokus – som fungerer godt ved tynd plade – virker direkte imod dig her.

På et 3 mm tykt pladeblad når hjælpegassen straks til skæreområdet. På en 25 mm tyk plade skal gassen bevæge sig ned ad en smal kanal med smeltede vægge og en bredde, der ofte er under 1,0 mm. Dysestatisk tryk fortæller dig meget lidt om det dynamiske tryk i bunden; mange klager over "utilstrækkelig laserstyrke" skyldes faktisk problemer med gasdynamikken.

Ved 20 mm repræsenterer en sidevinkel på 0,3 mm pr. side en dimensionel fejl på 1,5 %, som kvalitetskontrollen straks vil registrere. Ved 3 mm går den samme fejl næsten ubemærket forbi.

Beam Parameter Product (BPP) er halvdelen af divergensvinklen ganget med midtpunktsradius (målt i mm·mrad). Det definerer, hvor præcist en laserstråle kan fokuseres, og hvor hurtigt den divergerer. I modsætning til rå laserstyrke kan BPP ikke forbedres blot ved at tilføje flere effektmoduler.

For en 1 µm fiberkilde ligger den teoretiske diffraktionsgrænse tæt på 0,34 mm·mrad. I praksis varierer industrielle kilder betydeligt:

• Kilder med høj lysstyrke i én tilstand: ca. 0,3–1,5 mm·mrad

• Standardkilder til multistandsbeskæring: ca. 2,0–6,0 mm·mrad

• Ældre kilder med høj effekt: 8,0 mm·mrad og derover

Pletstørrelse og Rayleigh-længden (fokussdybden) er indbyrdes forbundet gennem BPP. Ved en fast BPP reduceres Rayleigh-længden til en fjerdedel, når pletdiameteren halveres. En plet på 0,15 mm, der er ideel til 4 mm rustfrit stål, vil være kraftigt defokuseret allerede én tredjedel inde i en 25 mm plade.

Tykkere sektioner kræver en større plet med en lang brugbar fokallængde, hvilket kræver en bedre strålekvalitet (lavere BPP) for at opnås. To maskiner, der begge er angivet til 20 kW, kan adskille sig med op til 100 % i den maksimale opnåelige tykkelse udelukkende på grund af forskelle i strålekvaliteten.

Køberråd: «20 kW» er ikke en fuldstændig specifikation. Spørg altid efter den faktiske BPP-værdi, fiberkernens diameter og den leverede pletstørrelse gennem det faktiske beskæringshoved.

Tabellen nedenfor giver en praktisk ingeniørramme for iltskæring af strukturel kulstål (ikke teoretiske adskillelsesgrænser):

Bemærk: Hastighederne er vejledende for blødt stål med ilt. Leverandørers "maksimal tykkelse"-specifikationer beskriver ofte treningskapacitet (pladeseparation) frem for kantkvalitet, der er egnet til tegning.

Kvaliteter som S690/S700 samt udlignede og tempererede slidplader (400–500 HB) introducerer to specifikke kommercielle risici:

1. Varmeindvirket zone (HAZ) blødgørelse: Iltskæring tilfører stor varme til varmebehandlede legeringer, hvilket efterlader en blødere HAZ, der kan falde under trækningshårdhedsspecifikationerne.

2. Kantrevner: Tykke plader af højstyrkelegeringer har øget risiko for kantspaltning, når de skæres varmt og derefter formeres uden spændingsaflastning.

For kanter, hvor hårdheden er kritisk, er kvælstof- eller højtryksluftskæring ved reducerede hastigheder ofte det foretrukne ingeniørmæssige valg frem for iltskæring.

Zoomskærekoppe indeholder motoriserede kollimerende optikker, der justerer stråleudvidelsesforholdet, inden strålen rammer den fokuserende linse. Dette gør det muligt at justere spotstørrelsen og fokaldybden dynamisk uden at udskifte linser fysisk.

• Konturer i plader på 20 mm og tykkere: Forøg spotstørrelsen for at forlænge fokaldybden, idet topintensiteten reduceres for at opnå en ligeere og mindre konisk snitside.

• Gennemboreprocedurer: Udvid spotstørrelsen for at reducere topintensiteten og forhindre eksplosiv tilbagekastning; kombiner dynamisk zoomjustering med effektrampning.

• Lille hullgeometri: Reducer pletstørrelsen for at skære huller, der er tyndere end pladens tykkelse, idet det indledende gennemboring bruger en udvidet pletprofil for at undgå eksplosion.

Krav til CNC-styring: Sørg for, at din CNC-styring understøtter skift af pletstørrelse inden for samme lag. Zoomhoveder, der kun kan justeres pr. lag, mister det meste af deres nytteværdi ved tykke plader.

En statisk gennemboring med fuld effekt og ilt på en 25 mm plade forårsager en eksplosion: Smeltet metal og jernoxid sprænger opad, hvilket svejser slagger til dyse og beskadiger beskyttende skydepaneler.

Progressiv gennemboring eliminerer denne risiko via en flertrinssekvens:

1. Høj defokus i starten: Forhøjet gennemboringshøjde med fokus indstillet over pladens overflade for at sprede den indledende termiske energi.

2. Pulsed nøglehul-start: Høj top-effekt ved lav arbejdscyklus starter smeltning uden at udløse en ukontrollerlig eksotermisk reaktion.

3. Trinvis nedadgående udførelse: Fokus falder, mens effekten/arbejdscyklus øges trinvis over 3 til 6 diskrete trin, hvilket gradvist fordyber hullet.

4. Bundpause: En pause med reduceret effekt afslutter gennemboringen og giver den smeltede pool tid til at ryddes.

5. Skæringsovergang: Tryk, fokus og effekt skifter nahtløst til skæreparametre, inden aksebevægelse begynder.

Ved emner, der kræver dusinvis af tykplade-gennemboringer, dominerer gennemboringstiden den samlede procesomkostning. Vurder "gennemboringcyklus-effektiviteten" sammen med rå laserstyrke, inden udstyret købes.

Ilt-laserskæring bygger på eksotermisk jernoxidation frem for ren mekanisk kinetisk udskylning. Overskydende gastryk forstyrrer den smeltede grænselag, køler reaktionszonen og giver en bred, ujævn og overoxideret skærefuge.

Tykke plader kræver en høj volumetrisk strømningshastighed ved lav strømningshastighed. Større dysediametre ved moderat tryk leverer gas ned ad den dybe kanal uden at skabe turbulens. På materiale på 20–30 mm repræsenterer enkeltdysediametre (1,2–2,5 mm) ved 0,6–1,5 bar det almindelige driftsområde.

• Under optimal hastighed: Skærspringen overophedes og danner kraftig oxidation samt grov, klumpet lavhastighedsdrus.

• Over optimal hastighed: Laserstrålen løber foran oxidationssystemet og efterlader fin, meget tilhæftende højhastighedsdrus ved bundkanten.

På 25 mm plade kan det brugbare hastighedsområde være under ±20 % af den nominelle hastighed. Anvend kontur-specifikke fødehastighedsjusteringer i stedet for én global fødehastighed. Hjørnedrus skyldes næsten udelukkende deceleration uden justering af effekt/gas.

Gasrenhed under 99,5 % medfører øjeblikkelig reduktion af skærehastigheden og alvorlig slaggerdannelse. Mål altid gasrenheden og den dynamiske tryk direkte ved indgangen til skæreknuden under fuld strømning.

• Årsag: Naturlig geometri for iltreaktion, hvor gasfriskheden er højest øverst.

• Løsning: Flyt fokuspunktet lidt dybere ind i materialet; forøg pletstørrelsen for at ligevægte den lodrette effekttæthed; juster dysekoncentriciteten.

• Årsag: For dybt fokus kombineret med for højt hjælpegasstryk eller en for lille dyseåbningsdiameter.

• Løsning: Hev fokuspunktet opad; sænk gaspresset; forøg dyseåbningsstørrelsen.

• Årsag: For meget varmeindførsel pr. længdeenhed (overbrænding).

• Løsning: Forøg skærehastigheden, reducer laserstyrken eller juster ilttrykket nedad.

• Årsag: Strålen løber foran oxidationen.

• Løsning: Reducer skærehastigheden eller sænk fokuseringspositionen. Øg ikke gastrykket, da dette forværre højhastigheds-slag.

Når du vurderer fibertilasermaskiner med høj effekt til bearbejdning af 16–30 mm tykke materialer, skal leverandørerne dokumentere følgende:

• Leveret BPP ved uddata og faktisk pletstørrelse på arbejdsemnet gennem headet.

• Optisk zoomforhold samt mulighed for dynamisk justering af pletstørrelsen inden for lagene.

• Dokumenteret maksimal progressiv gennemboringstykkelse (ikke kun maksimal adskillelsesskærestykkelse).

• Beregnet iltforbrugsrate (m³/t) ved 20–30 mm og den deraf afledte driftsomkostning.

• Udførelse af skærsamples på stedet med din specifikke stålsorte, hvor taper måles og slagger fotograferes under standardiseret belysning.

Evnen til at skære tykke plader fastlægges før udstedelse af købsordre – bestemt af strålekvalitet, igennemboreevne og gasdynamik.

Hvis du specificerer maskineri til 16–30 mm konstruktionsstål eller slidplade, indsend venligst dine krav til tykkelse, materialeklasser og tolerancekrav. Vores applikationsingeniørteam vil give en tilpasset anbefaling for effekt/BPP, en progressiv igennemboreprocedure samt fabrikstest af samples før levering.

[Anmod om en vurdering af anvendelsen til tykke plader] →Inkludér pladetykkelse, materialeklasse, mindste hullens diameter og krav til kanttolerance for en ingeniørvurdering.