Laserno rezanje debelega jekla: okna procesa in zahteve za kakovost žarka

Pod 10 mm so večina težav pri vlaknenih laserjih težave s parametri. Nad približno 16 mm postanejo težave fizikalne narave.

Na tej meji se hkrati spremenijo trije dejavniki:

• Globoka žlebasta reža: Reža postane globok kanal, v katerega pomožni plin težko prodre do dna.

• Razširjanje žarka: Učinki Rayleighove dolžine in razhajanje žarka povzročita, da je goriščna točka na globini 20 mm pod površino merljivo večja.

• Tveganja pri prebijanju: Preboj – ne rez – postane najverjetnejša operacija, ki povzroči odpadke delov, šob in zaščitnih leč.

Ta priročnik raziskuje rezanje jeklenih plošč iz ogljikovega jekla in visoko trdnih plošč debeline 16–30 mm ter zajema omejitve zmnožka parametrov žarka (BPP), zoomečne optike, postopne preboje, dinamiko kisika, nadzor nagiba rezalnega reza in preprečevanje nastanka taline.

Osredotočen laserji žarek ima obliko stožca, ne valja. Gostota moči na dnu rezalnega reza debeline 25 mm je znatno nižja kot na vrhu, medtem ko mora raztaljeno kovina prepotovati veliko daljšo pot pred izmetom. Majhna velikost svetleče točke, visoka hitrost rezanja in tesna osredotočenost – ki delujejo dobro pri tankih ploščah – so v tem primeru neposredno škodljive.

Na 3 mm debeli plošči pomožni plin takoj doseže rezalno območje. Na 25 mm debeli plošči mora plin potovati navzdol po ozki kanalčki z raztaljenimi stenami in širino, ki je pogosto manjša od 1,0 mm. Statični tlak iz šobice zelo malo pove o dinamičnem tlaku na dnu; številne pritožbe zaradi »nedostatne moči laserskega žarka« so v resnici težave s plinskimi dinamikami.

Pri 20 mm predstavlja stranski nagib 0,3 mm na stran dimenzionalno napako 1,5 %, ki jo nadzor kakovosti takoj zazna. Pri 3 mm ista napaka ostane skoraj neopažena.

Izdelek parametrov žarka (BPP) je polovica kota razhajanja, pomnožena z radijem pasu (merjeno v mm·mrad). Določa, kako tesno se lahko laserski žarek osredotoči in kako hitro se razhaja. V nasprotju z osnovno močjo laserskega žarka BPP ni mogoče izboljšati le z dodajanjem modulov za moč.

Za 1 µm vlaknasto virov je teoretična difrakcijska meja približno 0,34 mm·mrad. Dejanski industrijski viri se znatno razlikujejo:

• Virok svetlosti enomodni viri: približno 0,3–1,5 mm·mrad

• Standardni večmodni rezalni viri: približno 2,0–6,0 mm·mrad

• Zastareli visokomoznostni viri: 8,0 mm·mrad in več

Velikost pike in Rayleighova dolžina (globina ostrosti) sta naravno povezani prek BPP. Pri stalnem BPP se pri polovični premeru pike Rayleighova dolžina zmanjša na četrtino. Pika s premerom 0,15 mm, ki je idealna za rezanje nerjavnega jekla debeline 4 mm, bo pri rezanju plošče debeline 25 mm že na eni tretjini globine močno izven ostrosti.

Debeli profili zahtevajo večjo piko z dolgo uporabno globino ostrosti, kar zahteva izjemno kakovost žarka (nižji BPP). Dve napravi z nazivno močjo 20 kW lahko glede dosegljive debeline razlikujeta za 100 % le na podlagi kakovosti žarka.

Nasvet za kupce: «20 kW» ni popolna specifikacija. Vedno zahtevajte izhodni BPP, premer jedra optičnega vlakna in dejansko velikost pike na izhodu rezalne glave.

Spodnja tabela ponuja praktični inženirski okvir za kisikovo rezanje konstrukcijskega ogljikovega jekla (ne teoretične meje presekanja):

Opomba: Hitrosti so orientacijske za mehko jeklo z uporabo kisika. Specifikacije dobavitelja za »največjo debelino« pogosto opisujejo odrezovanje (ločitev plošče), ne pa kakovosti roba, primernega za risanje.

Razredi, kot so S690/S700 in zakaljene ter otemnjene plošče za obrabo (400–500 HB), povzročajo dve posebni komercialni tveganji:

1. Omrežje toplotno vplivane cone (HAZ) omehčuje: Kisikovo rezanje vnese veliko toplote v toplotno obdelane zlitine, kar pusti omehčano toplotno vplivano cono (HAZ), ki lahko pade pod zahtevane trdostne specifikacije za izvlečenje.

2. Razpoke na robovih: Debelo visoko trdno ploščo je pri rezanju vroče in nato oblikovanju brez sprostitve napetosti večja nevarnost razpok na robu.

Za robove, kjer je ključna trdost, je pogosto prednostna inženirska izbira dušikovo ali rezanje z zrakom pod visokim tlakom pri znižanih hitrostih namesto kisikovega rezanja.

Povečevalne režilne glave notranje vključujejo motorizirane kolimacijske optike, ki prilagajajo razmerje razširjanja žarka pred tem, da zadene fokusirajočo lečo. To omogoča dinamično prilagajanje velikosti svetlobne pike in globine fokusa brez fizične zamenjave leč.

• Oblike na ploščah debeline 20 mm ali več: Povečajte velikost svetlobne pike, da podaljšate globino fokusa, pri čemer žrtvujete vrhunsko jakost, da dosežete ravnostnejši in manj stožčast rob reza.

• Postopki preboja: Razširite velikost točke, da zmanjšate najvišjo jakost in preprečite eksplozivni odskok, pri čemer dinamično prilagajate povečavo skupaj s postopnim povečevanjem moči.

• Geometrija majhne luknje: Zmanjšajte velikost točke za rezanje pod-debelinskih lukenj; za začetni preboj uporabite razširjen profil točke, da preprečite izbruh.

Zahteva nadzornika: Preverite, ali vaš CNC nadzornik podpira spremembo velikosti točke znotraj sloja. Glave za povečavo, ki omogočajo nastavitve le na nivoju sloja, izgubijo večino svoje uporabnosti pri rezanju debele plošče.

Statični preboj z polno močjo in kisikom na plošči debeline 25 mm povzroči eksplozijo: taljena kovina in železov oksid se izstrelita navzgor, kar povzroči zvarenje strje na šobo in poškoduje zaščitne drsnike.

Napredni preboj ta tveganje odpravi z večfaznim zaporedjem:

1. Začetek z veliko defokusiranjem: Povišana višina preboja z osredotočitvijo nad površino plošče za razpršitev začetne toplotne energije.

2. Pulsirajoča inicializacija ključne luknje: Visoka vrhunska moč pri nizkem ciklu delovanja zažene taljenje brez sprožitve nekontroliranega eksotermnega reakcijskega procesa.

3. Postopna spuščanje osredotočitve: Osredotočitev se znižuje, medtem ko se moč/cikel delovanja postopoma povečuje v 3 do 6 ločenih korakih, kar luknjo postopoma poglablja.

4. Zadrževanje na dnu: Zadrževanje pri znižani moči dokonča preboj in omogoča izčiščenje taljene kapljice.

5. Prehod na rezanje: Tlak, osredotočitev in moč se brezhibno prilagodijo parametrom rezanja pred začetkom gibanja osi.

Pri delih, ki zahtevajo desetke prebojev debele plošče, čas preboja določa skupne stroške obdelave. Pred nakupom opreme ocenite »učinkovitost cikla preboja« skupaj z osnovno močjo laserskega žarka.

Kisikovo lasersko rezanje temelji na eksotermni oksidaciji železa namesto na izključno mehanski kinetični izmetu. Prekomerni tlak plina moti taljeni mejni sloj, ohladi reakcijsko cono in povzroči širok, izkopan in prekomerno oksidiran rez.

Za debele plošče je potreben visok prostorninski pretok pri nizki hitrosti pretoka. Večji premeri šob pri umernem tlaku omogočajo dovod plina v globok kanal brez ustvarjanja turbulenc. Pri materialu debeline 20–30 mm predstavljajo enoslojne šobe (1,2–2,5 mm) pri tlaku 0,6–1,5 bara standardno delovno okno.

• Pod optimalno hitrostjo: Rez se pregreje, kar povzroči intenzivno oksidacijo ter grube, grudaste ostankove nizke hitrosti.

• Nad optimalno hitrostjo: Žarek prehiti oksidacijsko reakcijo in na spodnjem robu pusti drobne, zelo lepljive ostankе visoke hitrosti.

Pri plošči debeline 25 mm je uporaben obseg hitrosti lahko manjši od ±20 % nazivne hitrosti. Namesto enotne globalne hitrosti podajanja uporabite posebne nastavitve hitrosti podajanja za posamezne konture. Ostanki v kotih so skoraj izključno posledica zaviranja brez prilagoditve moči in plina.

Čistost plina pod 99,5 % povzroči takojšen padec rezalne hitrosti in hudo nastajanje ostankov. Meritev čistosti plina in dinamičnega tlaka vedno izvedite neposredno na vhodu rezalne glave med polnim pretokom.

• Vzrok: Naravna geometrija oksidacijske reakcije kisika, pri kateri je svežina plina najvišja na vrhu.

• Odprava: Zmanjšajte osredotočenost žarka nekoliko globlje v material; povečajte velikost svetlobnega madeža, da izenačite navpično gostoto moči; prilagodite središčnost šobe.

• Vzrok: Preveč globoka osredotočenost v kombinaciji s prevelikim tlakom pomožnega plina ali preozka šoba.

• Odprava: Povišajte položaj osredotočitve; znižajte tlak plina; povečajte premer odprtine šobice.

• Vzrok: Prevelik vnos toplote na enoto dolžine (pregoranje).

• Odprava: Povečajte hitrost rezanja, zmanjšajte moč laserja ali znižajte tlak kisika.

• Vzrok: Žarek prehiteva fronto oksidacije.

• Odprava: Zmanjšajte hitrost rezanja ali znižajte položaj osredotočitve. Ne povišujte tlaka plina, saj se ostanki pri visoki hitrosti s tem poslabšajo.

Pri ocenjevanju laserskih rezalnikov na osnovi vlakna z visoko močjo za obdelavo debelih plošč (16–30 mm) zahtevajte od dobaviteljev, da potrdijo:

• Dostavljena BPP na izhodu in dejanska velikost pike na delovnem kosu skozi glavo.

• Optični povečevalni razmerje in možnost dinamičnih notranjih nastavitev velikosti pike v plasteh.

• Dokumentirana največja debelina materiala za postopno prebijanje (ne le debelina za končno rezanje).

• Izračunana poraba kisika (m³/h) pri debelinah 20–30 mm in posledična obratovna stroškovna ocena.

• Rezalni vzorci na mestu z vašo specifično jekleno razvrstitvijo, z izmerjeno koničnostjo in fotografijami ostankov pod standardiziranim osvetlitvijo.

Zmožnost rezanja debelih plošč se določi pred izdajo naročilne liste – odločilni dejavniki so kakovost žarka, sposobnost prebijanja in plinska dinamika.

Če določate opremo za rezanje konstrukcijskega jekla ali obrabno odpornih plošč debeline 16–30 mm, nam pošljite zahtevane debeline, razvrstitve materiala in natančnostne specifikacije. Naš inženirski tim za aplikacije vam bo zagotovil prilagojen predlog moči/BPP, postopno prebijalno rutino ter testiranje tovarniških vzorcev pred dobavo.

[Zahtevajte oceno aplikacije za rezanje debelih plošč] →Vključite debelino plošče, razred materiala, najmanjše premer hole in zahteve glede toleranc za rob za inženirsko oceno.