Лазерне різання товстої сталі: вікна процесу та вимоги до якості пучка

Для товщин менших за 10 мм більшість проблем із волоконними лазерами — це проблеми параметрів. Для товщин понад приблизно 16 мм вони стають проблемами фізики.

На цьому порозі одночасно змінюються три чинники:

• Глибокий різ: Різ перетворюється на глибокий канал, у який допоміжний газ важко проникає до дна.

• Розбіжність променя: Ефекти довжини Релея та розбіжності пучка призводять до того, що фокусна пляма стає помітно більшою на глибині 20 мм нижче поверхні.

• Ризики пробивання: Прокол — а не різання — стає операцією, що найбільш імовірно призводить до браку деталей, сопел і захисних лінз.

У цьому посібнику розглядається різання вуглецевої сталі та високоміцних плит товщиною 16–30 мм; охоплено обмеження добутку параметрів пучка (BPP), зум-оптику, поступовий прокол, динаміку кисню, контроль конусності та запобігання утворенню шлаку.

Зфокусований лазерний пучок має форму конуса, а не циліндра. Щільність потужності на дні різового шва завглибшки 25 мм значно нижча, ніж на його вершині, а розплавлений метал повинен подолати набагато більшу відстань перед видаленням. Малий розмір фокусного пляму, висока швидкість різання та гостра фокусування — що добре працює на тонких листах — тут прямо перешкоджають процесу.

На листі товщиною 3 мм допоміжний газ досягає зони різання відразу. На плиті товщиною 25 мм газ повинен рухатися вниз вузьким каналом із розплавленими стінками та шириною, що часто менша за 1,0 мм. Статичний тиск у соплі мало що говорить про динамічний тиск у нижній частині; багато скарг на «недостатню потужність лазера» насправді є проблемами газової динаміки.

На товщині 20 мм конусність 0,3 мм з кожної сторони становить розмірну похибку 1,5 %, яку контроль якості виявить одразу. На товщині 3 мм ту саму похибку майже не помічають.

Добуток параметрів пучка (BPP) — це добуток половини кута розбіжності на радіус талії (вимірюється в мм·мрад). Він визначає, наскільки щільно можна сфокусувати лазерний пучок і наскільки швидко він розходиться. На відміну від простої потужності лазера, BPP не можна покращити простим додаванням модулів потужності.

Для волоконного джерела з довжиною хвилі 1 мкм теоретичний дифракційний ліміт наближається до 0,34 мм·мрад. Промислові джерела в реальних умовах значно відрізняються:

• Джерела високої яскравості з одномодовим випромінюванням: приблизно 0,3–1,5 мм·мрад

• Стандартні багатомодові джерела для різання: приблизно 2,0–6,0 мм·мрад

• Застарілі джерела високої потужності: 8,0 мм·мрад і більше

Розмір плями та довжина Релея (глибина фокусу) внутрішньо пов’язані через BPP. За сталого значення BPP зменшення діаметра плями вдвічі призводить до скорочення довжини Релея вчетверо. Пляма діаметром 0,15 мм, ідеальна для різання нержавіючої сталі товщиною 4 мм, буде серйозно розфокусованою на одній третині шляху крізь плиту товщиною 25 мм.

Для різання товстих перерізів потрібна більша пляма з довгою ефективною глибиною фокусу, що вимагає вищої якості пучка (нижчого BPP). Два верстати, обидва з номінальною потужністю 20 кВт, можуть відрізнятися за максимальною досяжною товщиною матеріалу на 100 % лише через різницю в якості пучка.

Порада покупцю: "20 кВт" — це неповна специфікація. Завжди вимагайте вказівки вихідного значення BPP, діаметра ядра волокна та фактичного розміру плями на виході з різального блоку.

Наведена нижче таблиця надає практичну інженерну основу для кисневого різання конструкційної вуглецевої сталі (не теоретичні межі розрізання):

Примітка: швидкості наведені для низьковуглецевої сталі з використанням кисню. Специфікації постачальників щодо «максимальної товщини» часто стосуються розрізання (роз’єднання листа), а не якості кромки, придатної для подальшого формування.

Такі марки, як S690/S700, та зносостійкі плити після загартування й відпуску (400–500 HB) створюють два конкретні комерційні ризики:

1. М’якнення зони термічного впливу (HAZ): Кисневе різання вводить велику кількість тепла в термооброблені сплави, у результаті чого утворюється м’яка зона термічного впливу, твердість якої може опуститися нижче вимог технічних умов.

2. Тріщини на краях: Товсті плити з високою міцністю мають підвищений ризик утворення тріщин по краях під час гарячого різання й подальшої штампувальної обробки без зняття напружень.

Для кромок, де критично важлива твердість, часто кращим інженерним рішенням є різання азотом або повітрям під високим тиском із зниженою швидкістю, а не киснем.

Зум-різальні головки мають убудовані моторизовані колімуючі оптичні елементи, які регулюють коефіцієнт розширення променя до його потрапляння на фокусуючу лінзу. Це дозволяє динамічно змінювати розмір світлової плями й глибину фокусу без заміни лінз.

• Контурне різання плит товщиною 20 мм і більше: Збільште розмір світлової плями, щоб збільшити глибину фокусу, поступаючись піковою інтенсивністю для отримання прямішої, менш конічної стінки різу.

• Процедури пробивання: Збільште розмір плями, щоб знизити пікову інтенсивність і запобігти вибуховому відскоку, динамічно узгоджуючи налаштування зуму з поступовим збільшенням потужності.

• Геометрія малого отвору: Зменште розмір плями для різання отворів товщиною менше заготовки, за умови, що початкове пробивання виконується з розширеним профілем плями для запобігання вибуху.

Вимоги до контролера: Переконайтеся, що ваш CNC-контролер підтримує зміну розміру плями всередині одного шару. Головки зі змінним зумом, які обмежені зміною параметрів на рівні шару, втрачають більшу частину своєї ефективності при різанні товстих плит.

Статичне пробивання киснем повною потужністю в плиті товщиною 25 мм призводить до вибуху: розплавлений метал і оксид заліза викидаються вгору, припаюючи шлак до сопла й пошкоджуючи ковзні захисні елементи.

Прогресивне пробивання елімінує цей ризик за допомогою багатоетапної послідовності:

1. Високий розфокусований старт: Підвищена висота пробивання з фокусом над поверхнею плити для розподілу початкової теплової енергії.

2. Імпульсне ініціювання ключової порожнини: Висока пікова потужність при низькому циклі заповнення ініціює плавлення без запуску неконтрольної екзотермічної реакції.

3. Поступове виконання зі зниженням: Фокус опускається, а потужність/цикл заповнення збільшується у 3–6 окремих кроках, що поступово заглиблює отвір.

4. Затримка в нижній точці: Затримка зі зменшеною потужністю завершує пробивання й дає розплавленій ванні очиститися.

5. Перехід до різання: Тиск, фокус і потужність плавно змінюються на параметри різання до початку руху осей.

У деталей, що потребують десятків пробоїв у товстому листі, час пробою переважає загальні витрати на обробку. Оцінюйте «ефективність циклу пробою» разом із номінальною потужністю лазера перед придбанням обладнання.

Лазерне кисневе різання ґрунтується на екзотермічному окисленні заліза, а не на чисто механічному кінетичному видаленні матеріалу. Надлишковий тиск газу порушує розплавлену граничну шар, охолоджує зону реакції й утворює широкий, заглиблений, надмірно окислений різ.

Для різання товстих плит необхідна велика об’ємна витрата газу при низькій швидкості потоку. Більші діаметри сопла за помірного тиску забезпечують подачу газу в глибокий канал без утворення турбулентності. Для матеріалу товщиною 20–30 мм стандартним робочим діапазоном є однопрофільні сопла (1,2–2,5 мм) з тиском 0,6–1,5 бар.

• Нижче оптимальної швидкості: Різ перегрівається, що призводить до інтенсивного окислення та утворення грубого, комковатого шлаку низької швидкості.

• Вище оптимальної швидкості: Лазерний промінь випереджує реакцію окислення, залишаючи на нижньому краю тонкий, сильно прилиплий шлак високої швидкості.

На плиті товщиною 25 мм робоче вікно швидкості може становити менше ±20 % від номінальної швидкості. Замість єдиного глобального значення подачі застосовуйте коригування подачі, спеціально підібрані для конкретного контуру. Кутовий шлак виникає майже виключно через сповільнення без регулювання потужності й газу.

Чистота газу нижче 99,5 % призводить до негайного зниження швидкості різання й інтенсивного утворення шлаку. Завжди вимірюйте чистоту газу й динамічний тиск безпосередньо на вході до різального блоку під час повного потоку.

• Причина: Природна геометрія реакції кисню, де свіжість газу максимальна зверху.

• Спосіб усунення: Незначно опустіть фокусну точку глибше в матеріал; збільште розмір плями, щоб зрівняти вертикальну щільність потужності; відрегулюйте концентричність сопла.

• Причина: Занадто глибокий фокус у поєднанні з надмірним тиском допоміжного газу або занадто малий діаметр отвору сопла.

• Спосіб усунення: Підніміть положення фокусу; зменшіть тиск газу; збільшіть діаметр отвору сопла.

• Причина: Надмірний тепловий вплив на одиницю довжини (перегрів).

• Спосіб усунення: Збільшити швидкість різання, зменшити потужність лазера або знизити тиск кисню.

• Причина: Промінь випереджує фронт окиснення.

• Спосіб усунення: Зменшити швидкість різання або опустити положення фокусу. Не підвищуйте тиск газу, оскільки це погіршує дрос при високій швидкості.

При оцінці високопотужних волоконних лазерних верстатів для обробки матеріалів товщиною 16–30 мм вимагайте від постачальників підтвердження:

• Фактичного BPP на виході та справжнього розміру фокусного пляму на заготовці через різальний головку.

• Співвідношення та можливості оптичного зуму для динамічної адаптації розміру фокусного пляму в межах одного шару.

• Документована максимальна товщина сталі, що підлягає прогресивному пробиванню (а не лише різанню наскрізь).

• Розрахункова швидкість споживання кисню (м³/год) при товщині 20–30 мм та відповідна розрахункова експлуатаційна вартість.

• Зразки різання на місці за допомогою вашого конкретного сорту сталі, із вимірюванням конусності та фотографуванням шлаку за стандартного освітлення.

Можливість різання товстих плит визначається до оформлення замовлення — вона залежить від якості лазерного променя, здатності до пробивання та газової динаміки.

Якщо ви вказуєте технічні вимоги до обладнання для різання конструкційної сталі або сталі для зносостійких деталей товщиною 16–30 мм, надішліть нам вимоги щодо товщини, марок матеріалу та допусків. Наша команда інженерів-застосувальників надасть спеціалізовані рекомендації щодо потужності та BPP, алгоритму прогресивного пробивання, а також організує тестування зразків на заводі перед поставкою.

[Замовити оцінку застосування для товстих плит] →Включіть товщину плити, марку матеріалу, мінімальні діаметри отворів та вимоги до допусків країв для інженерної оцінки.