Laserleikkaus paksuun teräkseen: prosessiikkunat ja säteen laatuvaatimukset

Alle 10 mm:n paksuudella useimmat kuitulaserongelmat ovat parametriongelmia. Noin 16 mm:n yläpuolella ne muuttuvat fysiikan ongelmiksi.

Tässä kynnysarvossa kolme tekijää muuttuu samanaikaisesti:

• Syvä kanavakärki: Kärki muodostaa syvän kanavan, johon apukaasu ei pääse helposti alaosaan.

• Säteen hajaantuminen: Rayleighin pituuden vaikutukset ja säteen hajaantuminen tekevät polttopisteestä huomattavasti suuremman 20 mm:n syvyydellä pinnan alapuolella.

• Läpipyörityksen riskit: Pistäminen – ei leikkaaminen – on se toiminto, joka todennäköisimmin aiheuttaa osien, suuttimien ja suojalinsien hylkäämisen.

Tässä oppaassa käsitellään 16–30 mm paksuisen hiiliteräksen ja korkean lujuuden levyjen leikkaamista, mukaan lukien säteen parametrin tulo (BPP) -rajat, zoom-optiikka, vaiheittainen pistäminen, hapen dynamiikka, kallistumisen hallinta ja sulamisjäämien estäminen.

Keskitetty laser­säde on kartio, ei lieriö. Tehotiukkuus 25 mm:n leikkausaukon pohjassa on huomattavasti pienempi kuin sen yläosassa, ja sulanut metalli joutuu kulkeutumaan paljon pidemmän matkan ennen poistumistaan. Pieni pistepiste, korkea leikkausnopeus ja tiukka keskitys – jotka toimivat hyvin ohuilla levyillä – ovat tässä suoraa vastakohtaa sinulle.

3 mm:n levyssä apukaasu pääsee leikkausalueelle välittömästi. 25 mm:n levyssä kaasun on kuljettava alaspäin kapeaa kanavaa, jonka seinämät ovat sulanutta ja leveys on usein alle 1,0 mm. Suuttimen staattinen paine ei kerro juurikaan dynaamisesta paineesta alaosassa; monet "liian vähän laseritehoa" -valitukset johtuvat itse asiassa kaasudynamiikasta.

20 mm:n kohdalla 0,3 mm:n kallistuma kummaltakin puolelta edustaa 1,5 %:n mitallisvirhettä, joka laadunvalvonta havaitsee välittömästi. 3 mm:n kohdalla sama virhe jää käytännössä huomaamatta.

Säteen parametrin tulo (BPP) on puolihajaantumiskulma kerrottuna tukipisteen säteellä (mitattuna mm·mrad-yksiköissä). Se määrittelee, kuinka tiukkaan laser­säde voidaan keskittää ja kuinka nopeasti se hajaantuu. Toisin kuin raakalaseriteho, BPP:tä ei voida parantaa yksinkertaisesti lisäämällä tehomoduuleja.

1 µm:n kuitulähteen teoreettinen diffraktioraja on noin 0,34 mm·mrad. Käytännön teollisuuslähteet vaihtelevat merkittävästi:

• Korkean kirkkauden yksitilaisten lähteiden: noin 0,3–1,5 mm·mrad

• Standardien monitilaisten leikkauslähteiden: noin 2,0–6,0 mm·mrad

• Vanhojen korkean tehon lähteiden: 8,0 mm·mrad ja yli

Pistekoko ja Rayleighin pituus (polttosyvyys) ovat sisäisesti kytkettyjä BPP:n kautta. Kiinteällä BPP:llä pistekoon puolittaminen nelinkertaistaa Rayleighin pituuden. 0,15 mm:n pistekoko, joka on ihanteellinen 4 mm:n ruostumattomalle teräkselle, menettää merkittävästi tarkkuuttaan jo kolmannesmatkalla 25 mm:n levyä leikatessa.

Paksuissa osissa vaaditaan suurempaa pistekokoa ja pitkää käytettävissä olevaa polttosyvyyttä, mikä edellyttää parempaa säde laatua (alempaa BPP:tä). Kaksi konetta, joilla molemmilla on nimellisteho 20 kW, voi eroaa toisistaan jopa 100 %:lla saavutettavassa paksuudessa pelkästään säteen laadun perusteella.

Ostajan vinkki: "20 kW" ei ole täydellinen spesifikaatio. Kysy aina tuotetusta BPP:stä, kuidun ytimen halkaisijasta ja todellisesta pistekooksi leikkauspäähän toimitettuna.

Alla oleva taulukko tarjoaa käytännöllisen insinöörimallin rakenneteräksen happileikkaukseen (ei teoreettisia katkaisurajoja):

Huomautus: Nopeudet ovat suuntaa-antavia hiiliteräkselle hapella leikattaessa. Toimittajien ilmoittamat "suurimmat paksuudet" kuvaavat usein leikkausta (levyn erottamista) eivätkä hyväksyttävää piirrettävän reunan laatua.

Luokat kuten S690/S700 ja karkaistut sekä temperoidut kulumisvastukseen suunnitellut levyt (400–500 HB) aiheuttavat kaksi erityistä kaupallista riskiä:

1. Lämmönvaikutusalueen pehmeneminen: Happamuusleikkaus syöttää suurta lämpöä kuumennettuihin seoksiin, jolloin kuumakäsittelyn vaikutusalue (HAZ) pehmenee ja kovuus voi laskea muovauksessa vaaditun kovuuden alapuolelle.

2. Reunasäröily: Paksu korkealujuinen levy aiheuttaa korkean reunatuhon riskin, kun sitä leikataan kuumana ja muovataan myöhemmin ilman jännitysten poistamista.

Kovuudeltaan kriittisille reunoille typpi- tai korkeapaineinen ilmaleikkaus vähennetyillä nopeuksilla on usein suositeltavampi tekninen ratkaisu kuin happamuusleikkaus.

Zoom-leikkauspäät sisältävät moottoroidut kollimoivat optiikat, jotka säätävät säteen laajenemissuhdetta ennen kuin se osuu keskittävään linssiin. Tämä mahdollistaa pistekoon ja polttotason syvyyden dynaamisen säädön ilman fyysistä linssinvaihtoa.

• Käyrät yli 20 mm paksussa levysä: Suurenna pistekokoa laajentaaksesi polttotason syvyyttä; tämä vähentää huippuintensiteettiä ja tuottaa suorapohjaisemman ja vähemmän kartiomaisen leikkausaukon.

• Pistosproseduurit: Laajenna pistekokoa alentaaksesi huippuintensiteettiä ja estääksesi räjähtävän sinkoutuman; yhdistä zoom-säädöt dynaamisesti tehon nousuprosessiin.

• Pieni reiän geometria: Vähennä pistekoon koko leikkaessa alle paksuuden mittaisia reikiä; alustava läpipistäminen tehdään laajentuneella pistekoon profiililla estääkseen puhkeamisen.

Ohjainvaatimus: Varmista, että CNC-ohjaimesi tukee pistekoon vaihtoa kerroksen sisällä. Zoom-päät, joissa pistekokoa voidaan säätää vain kerrosta kohden, menettävät suurimman osan hyödyllisyydestään paksuilla levyillä.

Täysitehoinen staattinen happopistäminen 25 mm levyllä aiheuttaa räjähdyksen: sulanut metalli ja rautaoksidi puhkeavat ylöspäin, hitsaavat suljettaessa roskaa suuttimeen ja vahingoittavat suojakiskojen liukumista.

Vaiheittainen läpipistäminen poistaa tämän riskin monivaiheisella järjestyksellä:

1. Korkea defokusointi alussa: Korotettu pistämiskorkeus ja polttoväli asetettu levytason yläpuolelle jakamaan alustava lämpöenergia.

2. Pulssitettu avausaukon aloitus: Korkea huipputeho alhaisella työsuhteella aloittaa sulamisen ilman, että aiheutuu hallitsematon eksoterminen reaktio.

3. Portaittain alaspäin suoritettu menetelmä: Polttoväli lyhenee samalla kun teho/työsuhde kasvaa 3–6 erillisessä vaiheessa, mikä syventää aukskoa vähitellen.

4. Pohjassa pysähtyminen: Alennetulla teholla suoritettava pysähtyminen saa läpimurron valmiiksi ja antaa sulamisaltaan mahdollisuuden selvitä.

5. Leikkausvaihto: Paine, polttoväli ja teho siirtyvät saumattomasti leikkausparametreihin ennen akselin liikkeen aloittamista.

Osissa, joissa on kymmeniä paksulevyisiä läpipuristuksia, läpipuristusaika hallitsee kokonaiskäsittelykustannuksia. Arvioi "läpipuristussyklin tehokkuus" yhdessä raakalaseritehon kanssa ennen laitteiston ostoa.

Happilaserleikkaus perustuu eksoterminen rautaoksidaation sijaan puhtaasti mekaaniseen liike-energian poistoon. Liiallinen kaasupaine häiritsee sulamisrajakerrosta, jäähtyy reaktioalueen ja tuottaa leveän, uroutuneen ja ylioksidoituneen leikkausaukon.

Paksu levy vaatii suuren tilavuusvirran alhaisella virtausnopeudella. Suuremmat suutinkoot kohtalaisella paineella toimivat syvälle kanavalle ilman turbulenssin aiheuttamista. 20–30 mm materiaalilla yksikerroksiset suutimet (1,2–2,5 mm) 0,6–1,5 bar paineessa edustavat standardia käyttöikkunaa.

• Optimaalisen nopeuden alapuolella: Leikkausaukko ylikuumenee, mikä aiheuttaa voimakasta hapettumista ja karkeaa, pullollista alhaisen nopeuden roskaa.

• Optimaalisen nopeuden yläpuolella: Säde etenee nopeammin kuin hapettumisreaktio, jolloin pohjareunalle muodostuu hienoa, erinomaisesti kiinnittyvää korkean nopeuden roskaa.

25 mm levyllä käytettävissä oleva nopeusalue voi olla alle ±20 % nimellisnopeudesta. Käytä muotoon erityisesti mukautettuja syöttönopeuden korjauksia sen sijaan, että käytetään yhtä yleistä syöttönopeutta. Kulmassa muodostuva sulamaton jäämä johtuu lähes poikkeuksetta hidastumisesta ilman tehon/kaasun säätöä.

Kaasun puhdistusasteen ollessa alle 99,5 % leikkausnopeus laskee välittömästi ja sulamaton jäämä muodostuu voimakkaasti. Mittaa aina kaasun puhdistusaste ja dynaaminen paine suoraan leikkauspään tulossa täyden virran aikana.

• Syy: Luonnollinen happoreaktion geometria, jossa kaasun tuoreus on suurin ylhäällä.

• Korjaustoimenpiteet: Siirrä polttopiste hieman syvemmälle materiaaliin; suurenna pistekokoa tasatakseen pystysuuntainen tehotiheys; säädä suuttimen keskitys.

• Syy: Liian syvä polttopiste yhdistettynä liialliseen apukaasun paineeseen tai liian pieniin suuttimen halkaisijaan.

• Korjaustoimenpiteet: Nosta polttopisteen sijaintia; vähennä kaasun painetta; suurenna suuttimen reiän kokoa.

• Syy: Liiallinen lämpöteho pituusyksikköä kohden (liikakuumennus).

• Korjaustoimenpiteet: Kasvata leikkausnopeutta, vähennä laseritehoa tai säädä happipaine alaspäin.

• Syy: Säde etenee nopeammin kuin hapettumisraja.

• Korjaustoimenpiteet: Vähennä leikkausnopeutta tai alenna polttokohdan sijaintia. Älä noste kaasupainetta, koska se pahentaa korkean nopeuden sulamispäätä.

Arvioitaessa korkeatehoisia kuitulaserikoneita 16–30 mm:n materiaalin käsittelyyn vaadi toimittajilta varmistus siitä, että:

• Toimitettu BPP ulostulossa ja todellinen pistekoko työkappaleella päässä.

• Optinen zoom-suhteellinen ja kyky dynaamisiin sisäkerroksen pistekoon säätöihin.

• Dokumentoitu suurin edistävä läpipyörityspaksuus (ei ainoastaan katkaisuleikkauspaksuus).

• Laskettu happikulutusnopeus (m³/h) 20–30 mm:n paksuudella ja siitä seuraava toimintakustannus.

• Paikan päällä tehtyjä leikkausnäytteitä käyttäen tiettyä teräslaatua, joiden kaltevuus on mitattu ja sulamisjäämät valokuvattu standardoidun valaistuksen alla.

Paksulevyjen leikkauskyky määritetään ennen tilausvahvistuksen antamista – sen määrittävät säteen laatu, läpipyörityskyky ja kaasudynamiikka.

Jos määrittelette koneita 16–30 mm:n rakenneteräkselle tai kulumisenkestävälle levylle, lähetä paksuusvaatimukset, materiaaliluokitukset ja toleranssispesifikaatiot. Sovellustekniikkatiimimme antaa teille räätälöidyn teho- ja BPP-suosituksen, edistävän läpipyöritysproseduurin sekä tehdasnäytteiden testauksen ennen toimitusta.

[Pyydä paksulevysovellusten arviointia] →Sisällytä levyjen paksuus, materiaalin luokitus, pienimmät reikien halkaisijat ja reunatoleranssivaatimukset tekniseen arviointiin.