Laserové rezanie hrubého ocele: okná procesu a požiadavky na kvalitu lúča

Pod hrúbkou 10 mm sa väčšina problémov s vláknovými lasermi dá vyriešiť úpravou parametrov. Nad hrúbkou približne 16 mm sa však menia na fyzikálne problémy.

Na tomto prahu sa súčasne menia tri faktory:

• Hlboká rezacia drážka: Rezacia drážka sa stáva hlbokým kanálom, do ktorého pomáhajúci plyn má problém dostať sa až na dno.

• Rozbiehavosť lúča: Efekty Rayleighovej dĺžky a divergencia lúča spôsobia, že sa veľkosť ohniskového bodu merateľne zväčší o 20 mm pod povrchom.

• Riziká prebadávania: Priepich – nie rez – sa stáva operáciou, ktorá najpravdepodobnejšie spôsobí odpadnutie dielov, trysiek a ochranných šošoviek.

Tento sprievodca sa zaoberá rezaním uhlíkových ocelí a vysokopevnostných plátov s hrúbkou 16–30 mm a pokrýva limity súčinu parametrov lúča (BPP), zoomové optiky, postupné priepichy, dynamiku kyslíka, kontrolu kužeľovitosti rezu a predchádzanie tvorbe strúhania.

Zameraný laserový lúč má tvar kužeľa, nie valca. Výkonová hustota na dne reznej štrbiny s hrúbkou 25 mm je výrazne nižšia ako na jej vrchu a roztopený kov musí prejsť výrazne väčšiu vzdialenosť, kým bude vymietnutý. Malá veľkosť ohniskovej škvrny, vysoká rýchlosť rezného pohybu a úzke zaostrenie – čo funguje dobre pri tenkých plechoch – tu pôsobia priamo proti vám.

Na plechu s hrúbkou 3 mm sa pomocný plyn dostane do rezného priestoru okamžite. Na plechu s hrúbkou 25 mm sa plyn musí pohybovať pozdĺž úzkeho kanála s roztavenými stenami a šírkou často pod 1,0 mm. Statický tlak v tryske veľmi málo napovedá o dynamickom tlaku na spodku; mnohé sťažnosti typu „nedostatočný výkon laseru“ sú v skutočnosti problémami s dynamikou plynu.

Pri hrúbke 20 mm predstavuje zúženie o 0,3 mm na každej strane chybu rozmeru 1,5 %, ktorú kontrola kvality okamžite odhalí. Pri hrúbke 3 mm sa tá istá chyba takmer nepozoruje.

Súčin parametrov lúča (BPP) je polovica uhla divergencie vynásobená polomerom „taliéry“ lúča (merané v mm·mrad). Určuje, ako úzko sa dá laserový lúč zaostriť a ako rýchlo sa rozchádza. Na rozdiel od hrubého výkonu laseru sa BPP nedá zlepšiť jednoducho pridaním modulov výkonu.

Pre vláknový zdroj s vlnovou dĺžkou 1 µm je teoretický difrakčný limit približne 0,34 mm·mrad. Priemyselné zdroje v reálnych podmienkach sa výrazne líšia:

• Zdroje s vysokou jasnosťou a jednorežimovým režimom práce: približne 0,3–1,5 mm·mrad

• Štandardné viacrežimové rezyacie zdroje: približne 2,0–6,0 mm·mrad

• Staršie vysokovýkonné zdroje: 8,0 mm·mrad a viac

Veľkosť svetelného bodu a Rayleighova dĺžka (hĺbka ostrosti) sú nevyhnutne prepojené prostredníctvom BPP. Pri pevnej hodnote BPP sa štvrtinovým znížením priemeru svetelného bodu zníži Rayleighova dĺžka na štvrtinu pôvodnej hodnoty. Svetelný bod s priemerom 0,15 mm, ktorý je ideálny pre rezanie nerezovej ocele s hrúbkou 4 mm, bude pri rezaní dosky s hrúbkou 25 mm už po prekonaní jednej tretiny jej hrúbky výrazne mimo ostrosti.

Pre rezanie hrubších častí je potrebný väčší svetelný bod s dlhou použiteľnou hĺbkou ostrosti, čo vyžaduje vynikajúcu kvalitu lúča (nižšiu hodnotu BPP). Dve strojové systémy s rovnakým menovitým výkonom 20 kW sa môžu líšiť až o 100 % v dosiahnuteľnej hrúbke materiálu len na základe kvality lúča.

Tip pre kupujúceho: údaj „20 kW“ nie je úplnou technickou špecifikáciou. Vždy si vyžiadajte výstupnú hodnotu BPP, priemer jadra optického vlákna a skutočnú veľkosť svetelného bodu na výstupe z používaného reziaceho hlavného zariadenia.

Nasledujúca tabuľka poskytuje praktický inžiniersky rámec pre kyslíkové rezy štruktúrnej uhlíkovej ocele (nie teoretické limity odrezu):

Poznámka: Rýchlosti sú orientačné pre mäkkú oceľ pri použití kyslíka. Špecifikácie dodávateľa týkajúce sa „maximálnej hrúbky“ často popisujú odrez (oddelenie plechu), nie kvalitu hrany vhodnú na kreslenie.

Značky ako S690/S700 a kalené a temperované opotrebovaniu odolné plechy (400–500 HB) predstavujú dva špecifické komerčné riziká:

1. Mäkknutá zóna vplyvná teplom (HAZ): Kyslíkové režné procesy vkladajú veľké množstvo tepla do tepelne spracovaných zliatin, čím vzniká mäkknutá zóna vplyvná teplom (HAZ), ktorej tvrdosť môže klesnúť pod požadované hodnoty pre ťahové operácie.

2. Trhliny na okrajoch: Hrúbka vysokopevnostnej dosky zvyšuje riziko vzniku okrajových trhliniek pri horúcom rezaní a následnom tvarovaní bez odstraňovania napätia.

Pre hrany, kde je kritická tvrdosť, sa často uprednostňuje reženie dusíkom alebo vysokotlakovým vzduchom pri znížených rýchlostiach pred kyslíkovým rezaním.

Približovacie režné hlavy obsahujú motorizované kolimátorové optické súčasti, ktoré nastavujú pomer rozšírenia lúča pred jeho dopadom na zameriavaciu šošovku. To umožňuje dynamické nastavenie veľkosti lúča a hĺbky ohniska bez fyzickej výmeny šošoviek.

• Obrázkovanie kontúr v doskách hrubších ako 20 mm: Zväčšenie veľkosti lúča predĺži hĺbku ohniska, pričom sa obetuje maximálna intenzita lúča, aby sa dosiahla rovnejšia a menej zúžená stena rezu.

• Postupy pre vŕtanie otvorov: Zväčšite veľkosť svetelného bodu, aby ste znížili maximálnu intenzitu a zabránili explozívnej spätnej strele.

• Geometria malých otvorov: Znížte veľkosť svetelného bodu na rezanie otvorov s hrúbkou menšou ako je hrúbka materiálu; počiatočné prebíjanie však musí používať rozšírený profil svetelného bodu, aby sa zabránilo výbuchu.

Požiadavka na riadiacu jednotku: Uistite sa, že vaša CNC riadiaca jednotka podporuje prepnutie veľkosti svetelného bodu počas jednej vrstvy. Zariadenia so zväčšovacími hlavami, ktoré umožňujú úpravu len pre každú vrstvu samostatne, stratia väčšinu svojej užitočnosti pri rezaní hrubých dosiek.

Statické prebíjanie s plným výkonom pomocou kyslíka na doske s hrúbkou 25 mm spôsobuje výbuch: roztavený kov a oxid železitý vybuchujú smerom nahor, čím sa škvary zvárajú na trysku a poškodzujú ochranné posuvné krytky.

Postupné prebíjanie toto riziko eliminuje prostredníctvom viacstupňovej sekvencie:

1. Výchozí stav s vysokým rozostrelením: Zvýšená výška prebitia s ohniskom nastaveným nad povrchom dosky na rozptýlenie počiatočnej tepelnej energie.

2. Pulzné iniciovanie kľúčovej dutiny: Vysoký špičkový výkon pri nízkom strednom výkone spustí topenie bez vyvolania nekontrolovateľnej exotermickej reakcie.

3. Postupné znižovanie ohniska: Ohnisko sa posúva nadol, zatiaľ čo výkon/stredný výkon sa postupne zvyšuje v 3 až 6 diskrétnych krokoch, čím sa otvor postupne hlbšie prebíja.

4. Pobyt na dne: Pobyt pri zníženom výkone dokončí prebitie a umožní vyčistenie roztavenej lázne.

5. Prechod na rezanie: Tlak, ohnisko a výkon sa bezproblémovo prepnú na rezacie parametre ešte pred začiatkom pohybu osí.

U súčiastok, ktoré vyžadujú desiatky prienikov do hrubých dosiek, čas prieniku predstavuje hlavnú zložku celkových výrobných nákladov. Pred zakúpením zariadenia vyhodnoťte „efektívnosť cyklu prieniku“ spolu s čistou výkonovou kapacitou laseru.

Kyslíkové laserové režanie sa opiera o exotermickú oxidáciu železa namiesto čisto mechanického odstreďovania roztaveného materiálu. Nadmerný tlak plynu narušuje vrstvu roztaveného materiálu na okraji rezu, ochladzuje reakčnú zónu a spôsobuje široký, vyrytý a preoxidovaný rez.

Pri rezaní hrubých dosiek je potrebný veľký objemový prietok plynu pri nízkej rýchlosti prúdenia. Väčší priemer trysky pri strednom tlaku zabezpečuje dodávku plynu hlbokým kanálom bez vzniku turbulencie. Pri materiáloch hrúbky 20–30 mm predstavujú jednovrstvové trysky (priemer 1,2–2,5 mm) prevádzkované pri tlaku 0,6–1,5 bar štandardné pracovné rozhranie.

• Pod optimálnou rýchlosťou: Rez sa prehrieva, čo spôsobuje intenzívnu oxidáciu a hrubý, hrudkovitý nízkorýchlostný odpad.

• Nad optimálnou rýchlosťou: Lúč prebieha rýchlejšie ako oxidačná reakcia, čím vzniká jemný, veľmi prilnavý a rýchly troskový povlak na spodnom okraji.

Pri plechu s hrúbkou 25 mm môže byť použiteľné okno rýchlosti nižšie ako ±20 % menovitej rýchlosti. Namiesto jednej globálnej rýchlosti posuvu implementujte úpravy rýchlosti posuvu špecifické pre jednotlivé obrysy. Troska v rohoch je takmer výlučne spôsobená spomalením bez úpravy výkonu a/alebo plynu.

Čistota plynu pod 99,5 % spôsobuje okamžitý pokles rýchlosti rezu a závažné tvorby trosky. Vždy merajte čistotu plynu a dynamický tlak priamo na vstupe do rezacej hlavy pri plnom prietoku.

• Príčina: Prirodzená geometria oxidačnej reakcie kyslíka, pri ktorej je čerstvosť plynu najvyššia hore.

• Odstránenie poruchy: Mierne posuňte ohniskový bod hlbšie do materiálu; zväčšite veľkosť svetelného bodu, aby ste vyrovnali vertikálnu hustotu výkonu; zabezpečte súososť dýzy.

• Príčina: Príliš hlboké ohnisko v kombinácii s nadmerným tlakom pomocného plynu alebo príliš malý priemer dýzy.

• Odstránenie poruchy: Zvýšiť pozíciu ohniska; znížiť tlak plynu; zväčšiť veľkosť otvoru trysky.

• Príčina: Príliš veľký vstup tepla na jednotku dĺžky (prepálenie).

• Odstránenie poruchy: Zvýšiť rýchlosť rezenia, znížiť výkon laseru alebo znížiť tlak kyslíka.

• Príčina: Laserový lúč sa pohybuje rýchlejšie ako front oxidácie.

• Odstránenie poruchy: Znížiť rýchlosť rezenia alebo znížiť pozíciu ohniska. Nepovyšovať tlak plynu, pretože to zhoršuje vznik škvarkov pri vysokej rýchlosti.

Pri posudzovaní vysokovýkonných vláknových laserových strojov na spracovanie materiálu s hrúbkou 16–30 mm vyžadovať od dodávateľov overenie:

• Dodané BPP na výstupe a skutočná veľkosť svetelného škvŕny na obrobku cez hlavu.

• Optický pomer zväčšenia a schopnosť dynamicky upravovať veľkosť svetelného škvŕny počas jednej vrstvy.

• Dokumentovaná maximálna hrúbka materiálu pre postupné prebíjanie (nie len hrúbka pre čisté orezávanie).

• Vypočítaná spotreba kyslíka (m³/h) pri hrúbkach 20–30 mm a odvodené prevádzkové náklady.

• Vzorky orezávania na mieste pomocou vašej konkrétnej značky ocele, s meraním kužeľovitosti a fotografiou trosky za štandardizovaného osvetlenia.

Schopnosť orezávať hrubé dosky sa rozhoduje pred vydaním objednávky – určujú ju kvalita lúča, schopnosť prebíjať a dynamika pracovných plynov.

Ak zadávate stroj na orezávanie štruktúrnej ocele alebo opotrebovateľných plôšok s hrúbkou 16–30 mm, uveďte požadované hrúbky, značky materiálu a špecifikácie tolerancií. Náš tím aplikovaného inžinierstva vám poskytne prispôsobený odporúčaný výkon/BPP, postup pre postupné prebíjanie a testovanie vzoriek v továrni pred dodaním.

[Požiadajte o hodnotenie aplikácie pre hrubé dosky] →Zahrňte hrúbku dosky, triedu materiálu, minimálne priemery otvorov a požiadavky na toleranciu okrajov pre technické posúdenie.