Lāzera griešana biezos tērauda materiālos: procesa logi un staru kvalitātes prasības

Zem 10 mm lielākā daļa šķiedru lāzera problēmu ir parametru problēmas. Virs aptuveni 16 mm tās kļūst par fizikas problēmām.

Pie šī sliekšņa vienlaicīgi mainās trīs faktori:

• Dziļa kanāla griezuma: Iegriezums kļūst par dziļu kanālu, kur palīggāzei ir grūti sasniegt dibenu.

• Stara diverģence: Releja garuma efekti un staru kūļa diverģence atstāj fokusa punktu ievērojami lielāku 20 mm zem virsmas.

• Pīrsinga riski: Piercing—nevis gan griezums—kļūst par operāciju, kas visvairāk var nolietot detaļas, sprauslas un aizsarglēcas.

Šis pamācības materiāls aplūko 16–30 mm oglekļa tērauda un augstas izturības loksnes griešanu, iekļaujot staru parametru reizinājuma (BPP) robežas, optiskās palielināšanas sistēmas, pakāpenisku piercingu, skābekļa dinamiku, slīpuma kontroli un šķiedras veidošanās novēršanu.

Fokusēts lāzera stars ir konuss, nevis cilindrs. Jaudas blīvums 25 mm griezuma apakšā ir ievērojami zemāks nekā tā augšā, un kausētajam metālam ir daudz tālāk jāceļo pirms izsviediena. Mazs punkta lielums, augsta griešanas ātruma un stingra fokusa—kas labi darbojas uz plānām loksnes—šeit tieši kavē darbu.

Uz 3 mm biezas loksnes palīgdzēse nonāk griezuma zonā uzreiz. Uz 25 mm plates gāzei jāpārvietojas lejup šaurā kanālā ar kausētām sienām un bieži vien mazāku par 1,0 mm platumu. Sprauslas statiskais spiediens ļoti maz ko liecina par dinamisko spiedienu apakšā; daudzas sūdzības par "nepietiekamu lāzera jaudu" patiesībā ir gāzu dinamikas problēmas.

Pie 20 mm 0,3 mm liels slīpums katrā pusē atbilst 1,5 % izmēra kļūdai, ko kvalitātes kontrole nekavējoties atzīmēs. Pie 3 mm tā pati kļūda gandrīz nepamanāma.

Staru parametru reizinājums (BPP) ir puse no divergences leņķa, kas reizināts ar viduspunkta rādiusu (mērīts mm·mrad vienībās). Tas nosaka, cik stingri lāzera stars var tikt fokusēts un cik ātri tas izplešas. Atšķirībā no pašas lāzera jaudas BPP nevar uzlabot vienkārši pievienojot jaudas moduļus.

1 µm šķiedras avotam teorētiskais difrakcijas limits ir aptuveni 0,34 mm·mrad. Reālās rūpnieciskās sistēmas atšķiras ievērojami:

• Augstas spožuma vienrežīmīgi avoti: aptuveni 0,3–1,5 mm·mrad

• Standarta daudzrežīmīgie griešanas avoti: aptuveni 2,0–6,0 mm·mrad

• Vecās paaudzes augstspējas avoti: 8,0 mm·mrad un vairāk

Zīmoga lielums un Reileja garums (fokusa dziļums) ir iekšēji saistīti ar BPP. Fiksētam BPP zīmoga diametra samazināšana uz pusi samazina Reileja garumu četrkārši. 0,15 mm zīmogs, kas ir ideāls 4 mm nerūsējošā tērauda griešanai, būs ļoti izsmelts vienā trešdaļā no 25 mm plāksnes biezuma.

Bieziem materiāliem nepieciešams lielāks zīmogs ar ilgu lietojamu fokusa dziļumu, ko var sasniegt tikai ar augstāku staru kvalitāti (zemāku BPP). Divas mašīnas, kurām abām norādīta jauda 20 kW, var atšķirties par 100 % sasniedzamajā materiāla biezumā tikai tāpēc, ka atšķiras staru kvalitāte.

Pircēja padoms: "20 kW" nav pilnīga specifikācija. Vienmēr vaicājiet izvadīto BPP, šķiedras kodola diametru un faktisko zīmoga lielumu, ko nodrošina konkrētā griešanas galva.

Zemāk esošajā tabulā sniegts praktisks inženierijas pamats skābekļa griešanai strukturālajā oglekļa tēraudā (ne teorētiski pārgriešanas ierobežojumi):

Piezīme: Ātrumi ir orientējoši mīkstajam tēraudam, izmantojot skābekli. Piegādātāju norādījumi par „maksimālo biezumu“ bieži attiecas uz pielāgošanu (lakata atdalīšanu), nevis uz malas kvalitāti, kas atbilst zīmējuma prasībām.

Klases, piemēram, S690/S700 un aukstumcietinātas nodilumizturīgas loksnes (400–500 HB), rada divus konkrētus komerciālos riskus:

1. Siltuma ietekmētās zonas (HAZ) mīkstināšana: Skābekļa griešana ievada lielu siltumu termiski apstrādātajos sakausējumos, atstājot mīkstinātu HAZ, kas var būt zem vilkšanas cietības specifikācijām.

2. Malu plaisas: Biezas augstas izturības plāksnes ir pakļautas paaugstinātam malu plaisāšanas riskam, ja tās tiek grieztas karstas un pēc tam deformētas bez sprieguma novēršanas.

Cietības kritiskām malām slāpekļa vai augstspiediena gaisa griešana ar samazinātu ātrumu bieži ir inženieru vēlamākais risinājums salīdzinājumā ar skābekļa griešanu.

Tuvināšanas griešanas galviņas iekšēji satur motorizētas kolimējošas optikas, kas pielāgo staru paplašināšanas attiecību pirms tā nonāk fokusēšanas lēcā. Tas ļauj dinamiski pielāgot punkta izmēru un fokusa dziļumu bez fiziskām lēcu maiņām.

• Kontūras 20 mm+ biezas plāksnēs: Palieliniet punkta izmēru, lai pagarinātu fokusa dziļumu, zaudējot maksimālo intensitāti, lai sasniegtu taisnāku un mazāk konusveida griezuma sieniņu.

• Uzurbšanas procedūras: Palieliniet zonas lielumu, lai samazinātu maksimālo intensitāti un novērstu sprādzienveida atstarpi, dinamiski savienojot fokusa attāluma pielāgošanu ar jaudas pakāpenisku palielināšanu.

• Mazas caurules ģeometrija: Samaziniet zonas lielumu, lai izgatavotu caurumus, kuru dziļums ir mazāks par materiāla biezumu, ja sākotnējai caurduršanai tiek izmantota paplašināta zonas profila konfigurācija, lai novērstu izplešanos.

Vadības ierīces prasība: Pārliecinieties, ka jūsu CNC vadības ierīce atbalsta starp slāņiem mainīgu zonas lielumu. Fokusa attāluma galviņas, kas ierobežotas tikai ar slāņa līmeņa pielāgošanu, zaudē lielāko daļu savas noderības, apstrādājot biezu plāksni.

Pilnas jaudas statiskā skābekļa caurduršana 25 mm plāksnē izraisa sprādzienu: kausētā metāla un dzelzs oksīda maisījums izvirdīs uz augšu, piesaistot šķiedras nogulsnis uz dzesēšanas sprauslas un bojājot aizsargplākšņu pārvietošanās mehānismus.

Pakāpeniskā caurduršana novērš šo risku, izmantojot vairāku posmu secību:

1. Augsta defokusa sākums: Paaugstināta caurduršanas augstuma vērtība ar fokusu iestatītu virs plāksnes virsmas, lai izkliedētu sākotnējo termisko enerģiju.

2. Pulsējošā caurumveidošanas ierosināšana: Augsta virsotnes jauda zemā darbības ciklā ierosina kausēšanu, neizraisot nekontrolējamu eksotermisku reakciju.

3. Pakāpeniska lejupvērsta izpilde: Fokuss nolaižas, vienlaikus jauda/darbības cikls pakāpeniski palielinās 3–6 atsevišķos soļos, pakāpeniski dziļinot caurumu.

4. Apakšējā uzture: Zemākas jaudas uzture pabeidz caurumu veidošanu un ļauj kausētajam šķidrumam iztīrīties.

5. Griešanas pāreja: Spiediens, fokuss un jauda bez šūpošanās pāriet uz griešanas parametriem pirms ass kustības uzsākšanas.

Detaļām, kurām nepieciešami desmiti biezu loksnes caurdurumi, caurduruma laiks nosaka kopējās apstrādes izmaksas. Pirms iekārtas iegādes novērtējiet "caurduruma cikla efektivitāti" kopā ar neapstrādāto lāzera jaudu.

Skābekļa lāzera griešana balstās uz eksotermisko dzelzs oksidāciju, nevis tikai uz mehānisku kinētisko izsviešanu. Pārmērīgs gāzes spiediens traucē šķidrās robežslāņa veidošanos, atdzesē reakcijas zonu un rada platu, iegrieztu un pārāk oksidētu griezuma šuvi.

Biezu loksni apstrādājot, nepieciešams augsts tilpuma plūsmas ātrums pie zemas plūsmas ātruma. Lielāka diametra sprauslas vidējā spiediena apstākļos nodrošina gāzes piegādi dziļajā kanālā bez turbulences veidošanās. 20–30 mm biezas materiāla apstrādei vienkāršas sprauslas (1,2–2,5 mm) ar darba spiedienu 0,6–1,5 bar ir standarta darba režīms.

• Zem optimālā ātruma: Griezuma šuve pārkars, radot intensīvu oksidāciju un rupju, raupju, zema ātruma drusku.

• Virs optimālā ātruma: Starušana pārsniedz oksidācijas reakciju, veidojot smalku, ļoti pielipīgu augsta ātruma drusku ap apakšējo malu.

25 mm biezumā lietojamā ātruma logs var būt zem ±20% no nominālā ātruma. Ieviest kontūrai specifiskus barošanas ātruma pārvaldes parametrus, nevis vienu vispārēju barošanas ātrumu. Stūru druska gandrīz vienmēr rodas, samazinot ātrumu bez jaudas/gāzes regulēšanas.

Gāzes tīrība zem 99,5% nekavējoties samazina griešanas ātrumu un izraisa smagu drusku veidošanos. Gāzes tīrību un dinamisko spiedienu vienmēr mērīt tieši griešanas galvas ieejā pilnas plūsmas laikā.

• Cēlonis: Dabiskā skābekļa reakcijas ģeometrija, kur gāzes svaigums ir visaugstākais augšpusē.

• Novēršana: Nelieli samazināt fokusa punktu nedaudz dziļāk materiālā; palielināt plankuma izmēru, lai izlīdzinātu vertikālo jaudas blīvumu; izlīdzināt sprauslas koncentriskumu.

• Cēlonis: Pārāk dziļš fokuss kombinācijā ar pārmērīgu palīdgāzes spiedienu vai pārāk maza sprauslas diametrs.

• Novēršana: Pacelt fokusa pozīciju; samazināt gāzes spiedienu; palielināt sprauslas atveres izmēru.

• Cēlonis: Pārāk liels siltuma ievads uz vienu garuma vienību (pārkarsēšana).

• Novēršana: Palielināt griešanas ātrumu, samazināt lāzera jaudu vai regulēt skābekļa spiedienu.

• Cēlonis: Staru kūlis pārsniedz oksidācijas fronti.

• Novēršana: Samazināt griešanas ātrumu vai pazemināt fokusa pozīciju. Nepacelt gāzes spiedienu, jo tas pasliktina augstas ātruma šķiedras veidošanos.

Novērtējot augstas jaudas šķiedru lāzera mašīnas 16–30 mm apstrādei, prasīt piegādātājiem apstiprināt:

• Piegādāts BPP izvadā un faktiskais punkta izmērs darba gabalā caur galviņu.

• Optiskās palielinājuma attiecības un spēja dinamiski pielāgot punkta izmēru slānī.

• Dokumentētais maksimālais progresīvās caurduršanas biezums (ne tikai pārgriezuma griezuma biezums).

• Aprēķinātais skābekļa patēriņa ātrums (m³/h) 20–30 mm biezumā un no tā izrietotie ekspluatācijas izdevumi.

• Griešanas paraugi vietā, izmantojot jūsu konkrēto tērauda kvalitāti, ar mērītu konusveida novirzi un drosa fotoattēliem standartizētā apgaismojumā.

Biezu plākšņu griešanas spēja tiek noteikta pirms pasūtījuma izdošanas — to nosaka starojuma kvalitāte, caurduršanas spēja un gāzu dinamika.

Ja jūs norādāt iekārtas 16–30 mm bieziem konstrukcijas tēraudiem vai nodilumizturīgām plāksnēm, iesniedziet savus biezuma prasības, materiāla kvalitātes un pieļaujamības specifikācijas. Mūsu lietojumprogrammu inženieru komanda sniegs pielāgotu jaudas/BPP ieteikumu, progresīvās caurduršanas procedūru un rūpnīcas paraugu testēšanu pirms piegādes.

[Pieteikt biezu plākšņu lietojuma novērtējumu] →Iekļaut plāksnes biezumu, materiāla klasi, minimālos cauruma diametrus un malu pieļaujamības prasības inženieru novērtējumam.