Lézeres vastag acélvágás: folyamatablakok és sugárminőségi követelmények

10 mm alatt a legtöbb folyamatos hullámhosszú lézeres probléma paraméterprobléma. Kb. 16 mm felett fizikai problémák válnak dominánssá.

Ezen küszöbön három tényező változik egyszerre:

• Mély csatorna vágásvonal: A vágásvonal mély csatornává válik, ahol a segédgáz nehezen jut el az aljára.

• Sugárdivergencia: Rayleigh-hossz hatásai és a sugár széttartása miatt a fókuszpont méretében mérhető növekedés tapasztalható a felület alatt 20 mm-rel.

• Átfúrás kockázatai: Az átfúrás – nem a vágás – válik a leginkább selejtelést okozó műveletté, amely gyakran roncsolja a darabokat, a fúvókákat és a védőlencséket.

Ez az útmutató a 16–30 mm vastagságú szénacél és nagy szilárdságú lemez vágását tárgyalja, beleértve a sugárparaméter-termék (BPP) korlátozásait, a zoom optikát, a fokozatos átfúrást, az oxigén dinamikáját, a ferdeség szabályozását és a salak képződés megelőzését.

A fókuszált lézerfénynyaláb kúp alakú, nem hengeres. A 25 mm-es vágási rés alján a teljesítménysűrűség jelentősen alacsonyabb, mint a tetején, és az olvadt fémnek sokkal messzebb kell utaznia, mielőtt kilökődik. A kis foltméret, a magas vágási sebesség és a szoros fókusz – amelyek jól működnek vékony lemeznél – itt éppen hátráltatnak.

Egy 3 mm-es lemeznél az segítőgáz azonnal eléri a vágási zónát. Egy 25 mm-es lemeznél a gáznak egy keskeny, olvadt falú csatornán keresztül kell lefelé haladnia, amelynek szélessége gyakran kevesebb, mint 1,0 mm. A fúvóka statikus nyomása nagyon keveset árul el a vágási rés alján uralkodó dinamikus nyomásról; számos „elégtelen lézerteljesítmény” panasz valójában gázdinamikai probléma.

20 mm-es vastagságnál egy 0,3 mm-es oldali ferdeség 1,5 %-os méreti hibát jelent, amit a minőségellenőrzés azonnal észlel. 3 mm-es vastagságnál ugyanez a hiba gyakorlatilag észrevétlen marad.

A sugárra jellemző paraméterek szorzata (BPP) a fényforrás félnyílásszögének és a sugár „talpának” (derékméretének) szorzata (mm·mrad-ban mérve). Ez határozza meg, mennyire lehet egy lézersugarat összpontosítani, illetve milyen gyorsan szóródik szét. A nyers lézer teljesítménytől eltérően a BPP értékét nem lehet egyszerűen teljesítménymodulok hozzáadásával javítani.

Egy 1 µm-es száloptikás forrás esetében az elméleti diffrakciós határ körülbelül 0,34 mm·mrad. A gyakorlatban használt ipari források értékei jelentősen eltérnek egymástól:

• Nagy fényerősségű, egymódusú források: körülbelül 0,3–1,5 mm·mrad

• Szokásos többmódusú vágóforrások: körülbelül 2,0–6,0 mm·mrad

• Régi típusú, nagyteljesítményű források: 8,0 mm·mrad és annál nagyobb

A foltméret és a Rayleigh-hossz (fókuszmélység) természetes módon összefügg a BPP-vel. Adott BPP mellett a foltátmérő felezése a Rayleigh-hossz negyedére csökkenti. Egy 0,15 mm-es folt, amely ideális 4 mm-es rozsdamentes acél vágásához, már a 25 mm-es lemez harmadánál is erősen defókuszált lesz.

A vastabb szelvények nagyobb foltméretet és hosszabb használható fókusztávolságot igényelnek, amelyhez kiváló sugárminőség (alacsonyabb BPP) szükséges a megvalósításhoz. Két, mindkét gép 20 kW-os névleges teljesítményű is lehet, mégis 100%-kal eltérhet a elérhető vastagság kizárólag a sugárminőség alapján.

Vásárlói tanács: a „20 kW” nem teljes műszaki adat. Mindig kérje le a kimeneti BPP-t, a szálkore átmérőjét és a tényleges vágófejen keresztül leadott foltméretet.

Az alábbi táblázat egy gyakorlatias mérnöki keretrendszert nyújt a szerkezeti szénacél oxigénes vágásához (nem elméleti leválasztási határok):

Megjegyzés: A sebességek a lágyacélra vonatkoznak oxigén használata esetén. A szállítók „maximális vastagság” megadásai gyakran a leválasztást (lemezszétválasztást) írják le, nem pedig a rajzoláshoz elfogadható élminőséget.

Az S690/S700 típusú osztályozások és a meghőtött, utólag hűtött kopásálló lemezek (400–500 HB) két specifikus kereskedelmi kockázatot jelentenek:

1. Hőhatott zóna (HAZ) lágyulása: Az oxigénes vágás nagy hőmennyiséget visz be a hőkezelt ötvözetekbe, így egy lágyult HAZ-t hagy maga után, amely a megadott keménységi értékek alá csökkenhet.

2. Peremrepedés: A vastag, nagy szilárdságú lemez fokozott szélső repedésveszélyt hordoz, ha forró állapotban vágják, majd feszültségmentesítés nélkül alakítják.

Keménységkritikus szélek esetén a nitrogén- vagy nagynyomású levegős vágás csökkentett sebességgel gyakran a mérnöki szempontból preferált megoldás az oxigénes vágással szemben.

A zoom-vágófejek motoros, kollimáló optikákat tartalmaznak, amelyek a fókuszáló lencsére érkező sugár kiterjesztési arányát állítják be. Ez lehetővé teszi a foltméret és a fókusztávolság dinamikus beállítását fizikai lencsecsere nélkül.

• Kontúrok 20 mm-nél vastagabb lemezen: Növelje a foltméretet a fókusztávolság meghosszabbításához, és áldozza fel a csúcserősséget egy egyenesebb, kevésbé elszűkülő vágási fal elérése érdekében.

• Fúrási eljárások: Növelje a folt méretét a csúcsintenzitás csökkentésére és az robbanásszerű visszahatás megelőzésére, dinamikusan párosítva a nagyítási beállításokat a teljesítményfokozással.

• Kis lyuk geometria: Csökkentse a folt méretét a rétegvastagságnál vékonyabb lyukak vágásához, feltéve, hogy a kezdeti fúrás kibővített foltprofil használatával történik a kirobbanás megelőzése érdekében.

Szabályozó követelmény: Győződjön meg arról, hogy a CNC-szabályozója támogatja a rétegen belüli foltméret-váltást. A rétegenkénti beállításra korlátozott nagyítófejek jelentős részét elvesztik hasznosságukból vastag lemezeknél.

Teljes teljesítményű, statikus oxigénes fúrás 25 mm-es lemezen robbanást okoz: olvadt fém és vas-oxid tör ki felfelé, összehegeszti a szennyeződés-eltávolító fúvókát és károsítja a védőfedél csúszóelemeit.

Fokozatos fúrás kiküszöböli ezt a kockázatot egy többfokozatú sorozattal:

1. Magas defókusz-indítás: Emelt átlyukasztási magasság a fókusz beállításával a lemez felülete felett, hogy szétterjessze a kezdeti hőenergiát.

2. Impulzusos kulcslyuk-indítás: Magas csúcs teljesítmény alacsony kitöltési tényező mellett indítja el az olvadást anélkül, hogy kiváltana egy irányíthatatlan exoterm reakciót.

3. Lépcsőzetesen lefelé haladó végrehajtás: A fókusz lecsökken, miközben a teljesítmény / kitöltési tényező 3–6 diszkrét lépésben növekszik, így a lyuk fokozatosan mélyül.

4. Aljbeli tartózkodás: Csökkentett teljesítmény melletti tartózkodási idő fejezi be az átlyukasztást, és lehetővé teszi az olvadt fürdő kitisztulását.

5. Vágási átmenet: A nyomás, a fókusz és a teljesítmény zavartalanul vált át vágási paraméterekre, mielőtt az tengelymozgás megkezdődne.

Olyan alkatrészeknél, amelyeknél tucatnyi vastaglemez-fúrás szükséges, a fúrási idő dominálja az összes feldolgozási költséget. A berendezés megvásárlása előtt értékelje a „fúrási ciklus-hatékonyságot” a nyers lézer teljesítmény mellett.

Az oxigénos lézervágás a vas exoterm oxidációján alapul, nem pedig pusztán mechanikai kinetikus kilökésen. A túlzott gáznyomás zavarja a olvadt határréteget, lehűti a reakciózónát, és széles, horpadt, túloxidált vágási rés keletkezését eredményezi.

A vastag lemezhez nagy térfogatáram szükséges alacsony áramlási sebességnél. Nagyobb fúvókaátmérők mérsékelt nyomáson gázt juttatnak le a mély csatornán anélkül, hogy turbulenciát okoznának. 20–30 mm-es anyagnál az egyrétegű fúvókák (1,2–2,5 mm) 0,6–1,5 bar nyomáson alkotják a szokásos működési tartományt.

• Az optimális sebesség alatt: A vágási rés túlmelegszik, erős oxidációt és durva, gömbölyded, alacsony sebességű salakot eredményez.

• Az optimális sebesség felett: A sugár gyorsabban halad, mint az oxidációs reakció, így finom, erősen tapadó, nagysebességű maradék keletkezik az alapél mentén.

25 mm-es lemez esetén a használható sebességtartomány ±20%-on belül lehet a névleges sebességhez képest. A kontúr-specifikus előtolási sebesség-korrekciók alkalmazása ajánlott egyetlen globális előtolási sebesség helyett. A sarkoknál keletkező maradék szinte kizárólag a fékezés miatt jön létre, amelyhez nem igazították a teljesítményt és/vagy a gázt.

99,5%-nál alacsonyabb gáztisztaság azonnali vágási sebesség-csökkenést és súlyos maradék-képződést eredményez. A gáztisztaságot és a dinamikus nyomást mindig közvetlenül a vágófej bemenetén kell mérni teljes átfolyás mellett.

• Okozó: Természetes oxigénreakciós geometria, ahol a gáz frissessége a legmagasabb felül.

• Javítási intézkedés: Kissé mélyebbre helyezze a fókuszpontot a munkadarabba; növelje a foltméretet, hogy kiegyenlítse a függőleges teljesítménysűrűséget; igazítsa a fúvóka koncentricitását.

• Okozó: Túl mély fókusz kombinálva túl magas segédgáznyomással, vagy túl kis átmérőjű fúvókával.

• Javítási intézkedés: Emelje meg a fókuszpont helyzetét; csökkentse a gáznyomást; növelje a fúvóka nyílásának méretét.

• Okozó: Túl nagy hőbevitel egységnyi hosszon (túlégetés).

• Javítási intézkedés: Növelje a vágási sebességet, csökkentse a lézer teljesítményét, vagy állítsa be az oxigénnyomást.

• Okozó: A sugár túlszáguldja az oxidációs frontot.

• Javítási intézkedés: Csökkentse a vágási sebességet, vagy alacsonyítsa a fókuszpont helyzetét. Ne emelje a gáznyomást, mert ez rombolja a nagy sebességű salak eltávolítását.

Amikor 16–30 mm-es lemezek feldolgozására szolgáló nagyteljesítményű folyamatos fényű lézerberendezéseket értékel, követelje meg a szállítóktól a következők igazolását:

• A fej által a munkadarabra szállított BPP és az aktuális foltméret.

• Optikai zoom arány és képesség dinamikus, rétegen belüli foltméret-beállításokra.

• Dokumentált maximális progresszív fúrási vastagság (nem csupán a leválasztó vágás vastagsága).

• Kiszámított oxigénfogyasztási ráta (m³/h) 20–30 mm vastagságnál, valamint az ebből következő üzemeltetési költség.

• Helyszíni vágási minták a megadott acélminőséggel, a ferdeség mérésével és a salak fényképezésével szabványos megvilágítás mellett.

A vastaglemez-vágási képességet a megrendelés leadása előtt határozzák meg – a sugárminőség, a fúrási képesség és a gázdinamika alapján.

Ha 16–30 mm-es szerkezeti acélhoz vagy kopásálló lemezhez gépeket ad meg, küldje be vastagsági igényeit, anyagminőségeit és tűréssel kapcsolatos specifikációit. Alkalmazástechnikai csapatunk egyedi teljesítmény/BPP-ajánlatot, progresszív fúrási eljárást és gyári mintavizsgálatot biztosít a szállítás előtt.

[Kérjen vastaglemez-alkalmazási értékelést] →Tartalmazza a lemez vastagságát, az anyagminőséget, a minimális lyukátmérőket és az élszegély-tűrések követelményeit műszaki értékelés céljából.