بریدن فولاد ضخیم با لیزر: پنجره‌های فرآیند و الزامات کیفیت پرتو

زیر ۱۰ میلی‌متر، اغلب مشکلات لیزر فیبر، مشکلات پارامتری هستند. بالاتر از حدود ۱۶ میلی‌متر، این مشکلات به مشکلات فیزیکی تبدیل می‌شوند.

در این آستانه، سه عامل همزمان تغییر می‌کنند:

• شیار کانالی عمیق: شیار به کانالی عمیق تبدیل می‌شود که گاز کمکی در رسیدن به پایین آن با مشکل مواجه می‌شود.

• پراکندگی پرتو: اثرات طول رِیلی و پراکندگی پرتو باعث می‌شوند نقطه فوکوس در عمق ۲۰ میلی‌متری زیر سطح، به‌طور قابل‌اندازه‌گیری بزرگ‌تر شود.

• ریسک‌های نفوذ: نفوذ—نه برش—عملیاتی است که بیشترین احتمال را برای دور ریختن قطعات، نازل‌ها و عدسی‌های محافظ دارد.

این راهنما به بررسی برش فولاد کربنی و صفحات با مقاومت بالا در ضخامت‌های ۱۶ تا ۳۰ میلی‌متر می‌پردازد و محدودیت‌های حاصل‌ضرب پارامترهای پرتو (BPP)، اپتیک‌های زوم، نفوذ تدریجی، پویایی اکسیژن، کنترل شیب برش و پیشگیری از تشکیل ذوب‌شده (دروز) را پوشش می‌دهد.

پرتو لیزر متمرکز شکلی مخروطی—نه استوانه‌ای—دارد. چگالی توان در پایین شیاری به عمق ۲۵ میلی‌متر به‌طور قابل‌توجهی کمتر از بالای آن است و فلز مذاب مسافت بسیار بیشتری را برای خروج طی می‌کند. اندازه کوچک نقطه فوکوس، سرعت بالای برش و فوکوس دقیق—که در ورق‌های نازک مؤثر هستند—در اینجا دقیقاً برخلاف موفقیت عمل می‌کنند.

در ورقی با ضخامت ۳ میلی‌متر، گاز کمکی بلافاصله به منطقه برش می‌رسد. در صفحه‌ای با ضخامت ۲۵ میلی‌متر، این گاز باید از طریق شیاری باریک با دیواره‌های مذاب و عرضی کمتر از ۱/۰ میلی‌متر حرکت کند. فشار استاتیک نازل اطلاعات بسیار اندکی دربارهٔ فشار دینامیکی در پایین شیار ارائه می‌دهد؛ بسیاری از شکایات مربوط به «توان لیزر ناکافی» در واقع ناشی از مشکلات دینامیک گاز هستند.

در ضخامت ۲۰ میلی‌متر، شیبی معادل ۰/۳ میلی‌متر در هر طرف، خطای ابعادی ۱/۵ درصدی ایجاد می‌کند که کنترل کیفیت بلافاصله آن را شناسایی می‌کند. در ضخامت ۳ میلی‌متر، همان خطای ابعادی تقریباً نادیده گرفته می‌شود.

محصول پارامتر پرتو (BPP) برابر است با حاصل‌ضرب نیم‌زاویه واگرایی در شعاع کمر پرتو (که بر حسب میلی‌متر-میلی‌راد اندازه‌گیری می‌شود). این کمیت تعیین می‌کند که چقدر پرتو لیزر می‌تواند به‌طور دقیق متمرکز شود و چقدر سریع واگرا می‌شود. برخلاف توان خام لیزر، BPP را نمی‌توان تنها با افزودن ماژول‌های توان بهبود بخشید.

برای منبع فیبری با طول موج ۱ میکرومتر، حد تئوری پراش تقریباً برابر ۰/۳۴ میلی‌متر-میلی‌راد است. منابع صنعتی واقعی از این مقدار به‌طور قابل‌توجهی متفاوت‌اند:

• منابع تک‌حالتی با روشنایی بالا: تقریباً ۰٫۳ تا ۱٫۵ میلی‌متر·میلی‌راد

• منابع استاندارد برش چندحالتی: تقریباً ۲٫۰ تا ۶٫۰ میلی‌متر·میلی‌راد

• منابع قدیمی با توان بالا: ۸٫۰ میلی‌متر·میلی‌راد و بیشتر

اندازه نقطه و طول رِیلی (عمق کانونی) از طریق پارامتر BPP به‌طور ذاتی به هم مرتبط‌اند. در BPP ثابت، نصف‌شدن قطر نقطه، طول رِیلی را به یک‌چهارم کاهش می‌دهد. نقطه‌ای به قطر ۰٫۱۵ میلی‌متر که برای برش فولاد ضدزنگ ۴ میلی‌متری ایده‌آل است، در فاصله‌ای معادل یک‌سوم ضخامت صفحه‌ای به ضخامت ۲۵ میلی‌متر به‌طور قابل‌توجهی از کانون خارج می‌شود.

برش مقاطع ضخیم نیازمند نقطه‌ای بزرگ‌تر با عمق کانونی قابل‌استفاده بلندتر است که برای دستیابی به آن، کیفیت برجسته‌تر پرتو (BPP پایین‌تر) لازم است. دو دستگاه که هر دو با توان اسمی ۲۰ کیلووات مشخص شده‌اند، می‌توانند تنها بر اساس کیفیت پرتو، تا ۱۰۰ درصد در حداکثر ضخامت قابل‌برش تفاوت داشته باشند.

نکته خریدار: "۲۰ کیلووات" مشخصاتی کامل نیست. همیشه BPP خروجی، قطر هسته فیبر و اندازه واقعی نقطه تحویل‌شده از سر برش را بپرسید.

جدول زیر چارچوب مهندسی کاربردی برای برش اکسیژنی فولاد کربنی سازه‌ای (نه حد نظری برش کامل) ارائه می‌دهد:

توجه: سرعت‌ها برای فولاد نرم و با استفاده از اکسیژن ارائه شده‌اند. مشخصات «حداکثر ضخامت» ارائه‌شده توسط تأمین‌کنندگان اغلب به معنای جداکردن (جدا شدن صفحه) است، نه کیفیت لبه‌ای قابل قبول برای کشیدن.

درجه‌هایی مانند S690/S700 و صفحه‌های سایشی سردشده و تمپر شده (۴۰۰ تا ۵۰۰ HB) دو خطر تجاری خاص را ایجاد می‌کنند:

1. نرم‌شدن منطقه تحت تأثیر حرارت (HAZ): برش اکسیژنی مقدار زیادی گرما را به آلیاژهای عمل‌آوری‌شده وارد می‌کند و منطقه نرم‌شده HAZ ایجاد می‌کند که ممکن است سختی لازم برای فرآیند کشش را نداشته باشد.

2. ترک لبه: ورق ضخیم با مقاومت بالا هنگام برش داغ و سپس شکل‌دهی بدون آزادسازی تنش، خطر بالاتری از ترک لبه دارد.

برای لبه‌هایی که سختی آن‌ها حیاتی است، برش با نیتروژن یا هوای فشرده با سرعت کاهش‌یافته اغلب گزینه مهندسی ترجیح‌داده‌شده‌تری نسبت به برش اکسیژنی است.

سرهای برش زوم، عدسی‌های هم‌محور موتوردار را درون خود جای داده‌اند که نسبت گسترش پرتو را قبل از برخورد با عدسی فوکوس تنظیم می‌کنند. این امر امکان تنظیم پویای اندازه نقطه و عمق فوکوس را بدون تغییر فیزیکی عدسی فراهم می‌کند.

• کانتورها در ورق‌های ۲۰ میلی‌متری و ضخیم‌تر: اندازه نقطه را افزایش دهید تا عمق فوکوس گسترش یابد و با کاهش شدت اوج، دیواره برشی صاف‌تر و کمتر مخروطی‌شکل ایجاد شود.

• روال‌های سوراخ‌کردن: افزایش اندازه نقطه برای کاهش شدت اوج و جلوگیری از پاشش ناگهانی، همراه با تنظیم پویای زوم و افزایش تدریجی توان.

• هندسه سوراخ کوچک: کاهش اندازه نقطه برای برش سوراخ‌هایی با عمق کمتر از ضخامت کامل، به‌شرط اینکه در ابتدا از نمای گسترده‌شده نقطه برای جلوگیری از انفجار استفاده شود.

نیازمندی کنترل‌کننده: اطمینان حاصل کنید که کنترل‌کننده CNC شما قابلیت تغییر اندازه نقطه درون لایه را دارد. سرآنهای زوم که تنها قادر به تنظیم اندازه نقطه در سطح هر لایه هستند، بیشترین کارایی خود را در صفحات ضخیم از دست می‌دهند.

سوراخ‌کردن ثابت با توان کامل با گاز اکسیژن روی صفحه‌ای با ضخامت ۲۵ میلی‌متر منجر به انفجار می‌شود: فلز مذاب و اکسید آهن به‌صورت ناگهانی به‌سمت بالا پرت می‌شوند و سرباره را به نازل جوش داده و صفحات محافظ لغزنده را آسیب می‌زنند.

سوراخ‌کردن تدریجی این خطر را با یک دنباله چندمرحله‌ای از بین می‌برد:

1. شروع با پراکندگی بالا: ارتفاع نفوذ افزایش‌یافته با تمرکز بالاتر از سطح صفحه برای پخش انرژی حرارتی اولیه.

2. آغاز کلیدچال با حالت پالسی: توان اوج بالا در چرخه کار پایین، ذوب را آغاز می‌کند بدون اینکه واکنش گرمایی خارج از کنترل را تحریک کند.

3. اجرا با افت تدریجی: تمرکز کاهش می‌یابد در حالی که توان/چرخه کار در ۳ تا ۶ مرحلهٔ مجزا افزایش می‌یابد و سوراخ را به‌تدریج عمیق‌تر می‌کند.

4. توقف در انتهای سوراخ: توقف با توان کاهش‌یافته، نفوذ کامل را تکمیل می‌کند و به حوضچهٔ مذاب اجازه می‌دهد پاک شود.

5. گذار به برش: فشار، تمرکز و توان به‌صورت نامحسوس به پارامترهای برش تغییر می‌کنند، پیش از آغاز حرکت محور.

در قطعاتی که نیازمند ده‌ها سوراخ‌کوبی روی ورق‌های ضخیم هستند، زمان سوراخ‌کوبی بخش اصلی هزینهٔ فرآوری کلی را تشکیل می‌دهد. پیش از خرید تجهیزات، «کارایی چرخهٔ سوراخ‌کوبی» را در کنار توان لیزر خام ارزیابی کنید.

برش لیزری با اکسیژن بر پایهٔ واکنش گرمادهٔ اکسیداسیون آهن است، نه بر اساس خروج مکانیکی صرف مواد مذاب. فشار اضافی گاز لایهٔ مرزی مذاب را مختل کرده، منطقهٔ واکنش را خنک می‌کند و شیاری گسترده، خراشیده و از اکسیداسیون بیش‌ازحد رنج می‌برد.

ورق‌های ضخیم نیازمند دبی حجمی بالا در سرعت جریان پایین‌اند. قطرهای بزرگ‌تر نازل در فشارهای متوسط، گاز را بدون ایجاد آشفتگی در کانال عمیق هدایت می‌کنند. در مواد ۲۰ تا ۳۰ میلی‌متری، نازل‌های تک‌لایه (۱٫۲ تا ۲٫۵ میلی‌متر) در فشار ۰٫۶ تا ۱٫۵ بار، پنجرهٔ عملیاتی استاندارد را تشکیل می‌دهند.

• زیر سرعت بهینه: شیار بیش‌ازحد گرم می‌شود و اکسیداسیون سنگین و ذوب‌شدهٔ نامنظم و گرانولی با سرعت پایین ایجاد می‌کند.

• بالاتر از سرعت بهینه: پرتو سریع‌تر از واکنش اکسیداسیون پیش می‌رود و باقی‌مانده‌ی ریز و بسیار چسبنده‌ی سریع در لبه‌ی پایینی ایجاد می‌شود.

در صفحه‌ای با ضخامت ۲۵ میلی‌متر، پنجره‌ی سرعت قابل استفاده ممکن است کمتر از ±۲۰٪ سرعت اسمی باشد. به جای استفاده از یک نرخ تغذیه‌ی جهانی واحد، از تنظیمات نرخ تغذیه‌ی ویژه‌ی هر مسیر استفاده کنید. باقی‌مانده‌ی گوشه تقریباً منحصراً ناشی از کاهش سرعت بدون تنظیم توان یا گاز است.

خلوص گاز کمتر از ۹۹٫۵٪ باعث کاهش فوری سرعت برش و تشکیل شدید باقی‌مانده می‌شود. همیشه خلوص گاز و فشار پویا را دقیقاً در ورودی سر برش و در حالت جریان کامل اندازه‌گیری کنید.

• علت: هندسه‌ی طبیعی واکنش اکسیژن که در آن تازگی گاز در بالا بیشترین مقدار را دارد.

• راه‌حل: نقطه‌ی کانونی را کمی عمیق‌تر درون ماده تنظیم کنید؛ اندازه‌ی لکه را افزایش دهید تا تراکم توان عمودی یکنواخت شود؛ هم‌محوری نازل را تنظیم کنید.

• علت: کانون‌گذاری بیش از حد عمیق همراه با فشار گاز کمکی بیش از حد یا قطر نازل کوچک‌تر از حد لازم.

• راه‌حل: بالا بردن موقعیت کانون‌گیری؛ کاهش فشار گاز؛ افزایش اندازه سوراخ نازل.

• علت: ورودی حرارت بیش از حد در هر واحد طول (سوزاندن بیش از حد).

• راه‌حل: افزایش سرعت برش، کاهش توان لیزر یا تنظیم فشار اکسیژن.

• علت: پرتو لیزر از جبهه اکسیداسیون جلو می‌زند.

• راه‌حل: کاهش سرعت برش یا پایین آوردن موقعیت کانون‌گیری. فشار گاز را افزایش ندهید، زیرا این کار خاکستر سرعت بالا را بدتر می‌کند.

هنگام ارزیابی دستگاه‌های لیزر فیبر توان بالا برای پردازش ضخامت‌های ۱۶ تا ۳۰ میلی‌متر، از تأمین‌کنندگان بخواهید موارد زیر را تأیید کنند:

• ارسال BPP در خروجی و اندازهٔ واقعی لکه در قطعهٔ کار از طریق سر دستگاه.

• نسبت زوم نوری و قابلیت تنظیم پویای اندازهٔ لکه درون هر لایه.

• حداکثر ضخامت فلز قابل سوراخ‌کردن تدریجی (نه صرفاً ضخامت برش کامل) به‌صورت مستند شده.

• نرخ مصرف اکسیژن (مترمکعب بر ساعت) محاسبه‌شده در ضخامت‌های ۲۰ تا ۳۰ میلی‌متر و هزینهٔ عملیاتی ناشی از آن.

• نمونه‌های برش در محل با درجهٔ فولاد مشخص‌شدهٔ شما، با اندازه‌گیری شیب برش و عکاسی از ریزش مواد ذوب‌شده تحت روشنایی استاندارد.

توانایی برش ورق‌های ضخیم پیش از صدور سفارش تعیین می‌شود — این توانایی توسط کیفیت پرتو، قابلیت سوراخ‌کردن و دینامیک گازها تعیین می‌گردد.

اگر ماشین‌آلاتی را برای فولاد سازه‌ای یا ورق سایشی با ضخامت ۱۶ تا ۳۰ میلی‌متر مشخص می‌کنید، لطفاً ضخامت‌های مورد نیاز، درجات مواد و مشخصات تحمل‌پذیری را ارسال نمایید. تیم مهندسی کاربردی ما پیش از تحویل، توصیه‌ای سفارشی از توان و BPP، روال سوراخ‌کردن تدریجی و آزمون نمونه در کارخانه ارائه خواهد داد.

[درخواست ارزیابی کاربردی برای ورق‌های ضخیم] →ضخامت صفحه، درجه ماده، کوچک‌ترین قطر سوراخ‌ها و محدودیت‌های تحمل لبه را برای ارزیابی مهندسی شامل کنید.