Cắt thép dày bằng tia laser: Cửa sổ quy trình và yêu cầu về chất lượng chùm tia

Dưới 10 mm, hầu hết các vấn đề liên quan đến laser sợi đều là vấn đề thông số. Trên khoảng 16 mm, chúng trở thành vấn đề vật lý.

Tại ngưỡng này, ba yếu tố đồng thời thay đổi:

• Rãnh cắt sâu: Rãnh cắt trở thành một kênh sâu, nơi khí hỗ trợ gặp khó khăn trong việc tiếp cận đáy.

• Phân kỳ chùm tia: Hiệu ứng chiều dài Rayleigh và độ phân kỳ chùm tia khiến điểm hội tụ đo được lớn hơn rõ rệt ở độ sâu 20 mm dưới bề mặt.

• Rủi ro khi khoan: Việc đục lỗ—không phải việc cắt—trở thành thao tác có khả năng cao nhất làm phế phẩm các chi tiết, vòi phun và kính bảo vệ.

Hướng dẫn này khảo sát việc cắt thép carbon và tấm cường độ cao ở độ dày 16–30 mm, bao gồm giới hạn Tích số Thông số Chùm (BPP), quang học điều chỉnh tiêu cự, đục lỗ từng bước, động lực học khí oxy, kiểm soát độ loe mép cắt và ngăn ngừa xỉ.

Chùm tia laser hội tụ có dạng hình nón, không phải hình trụ. Mật độ công suất tại đáy rãnh cắt 25 mm thấp đáng kể so với tại đỉnh, và kim loại nóng chảy phải di chuyển quãng đường xa hơn nhiều trước khi bị đẩy ra ngoài. Kích thước điểm hội tụ nhỏ, tốc độ cắt cao và tiêu cự chặt—những yếu tố vận hành tốt trên vật liệu mỏng—lại gây bất lợi trực tiếp trong trường hợp này.

Trên tấm dày 3 mm, khí hỗ trợ tiếp cận vùng cắt ngay lập tức. Trên tấm dày 25 mm, khí phải di chuyển xuống một kênh hẹp có thành chảy và chiều rộng thường dưới 1,0 mm. Áp suất tĩnh tại vòi phun cung cấp rất ít thông tin về áp suất động tại đáy; nhiều khiếu nại về "công suất laser không đủ" thực tế lại là vấn đề về động lực học khí.

Ở độ dày 20 mm, độ loe 0,3 mm mỗi bên tương ứng với sai số kích thước 1,5 %, điều mà kiểm soát chất lượng sẽ phát hiện ngay lập tức. Ở độ dày 3 mm, cùng sai số đó gần như không thể nhận ra.

Tích số tham số chùm (BPP) là góc phân kỳ nửa góc nhân với bán kính eo chùm (đo bằng mm·mrad). BPP xác định mức độ tập trung tối đa của chùm tia laser và tốc độ lan tỏa của nó. Khác với công suất laser thô, BPP không thể cải thiện chỉ bằng cách thêm các mô-đun công suất.

Đối với nguồn sợi có bước sóng 1 µm, giới hạn nhiễu xạ lý thuyết gần bằng 0,34 mm·mrad. Các nguồn công nghiệp thực tế có sự chênh lệch đáng kể:

• Các nguồn phát đơn chế độ có độ sáng cao: khoảng 0,3–1,5 mm·mrad

• Các nguồn cắt đa chế độ tiêu chuẩn: khoảng 2,0–6,0 mm·mrad

• Các nguồn công suất cao đời cũ: 8,0 mm·mrad trở lên

Kích thước điểm hội tụ và chiều dài Rayleigh (độ sâu tiêu cự) có mối liên hệ nội tại thông qua BPP. Với giá trị BPP cố định, việc giảm một nửa đường kính điểm hội tụ sẽ làm giảm chiều dài Rayleigh xuống còn một phần tư. Một điểm hội tụ 0,15 mm lý tưởng cho thép không gỉ dày 4 mm sẽ bị mất nét nghiêm trọng khi cắt ở độ sâu bằng một phần ba độ dày của tấm thép 25 mm.

Các chi tiết dày đòi hỏi điểm hội tụ lớn hơn cùng độ sâu tiêu cự sử dụng được dài hơn, điều này yêu cầu chất lượng chùm tia vượt trội (BPP thấp hơn) để đạt được. Hai máy cùng được ghi công suất đầu ra là 20 kW có thể chênh lệch tới 100% về độ dày tối đa có thể cắt được, chỉ do khác biệt về chất lượng chùm tia.

Gợi ý cho người mua: "20 kW" không phải là thông số kỹ thuật đầy đủ. Luôn yêu cầu thông tin về BPP đầu ra, đường kính lõi sợi quang và kích thước điểm hội tụ thực tế tại đầu cắt.

Bảng dưới đây cung cấp một khung kỹ thuật thực tiễn để cắt oxy thép carbon kết cấu (không phải giới hạn cắt lý thuyết):

Lưu ý: Tốc độ nêu trên mang tính tham khảo cho thép carbon thấp khi dùng oxy. Các thông số "độ dày tối đa" do nhà cung cấp công bố thường đề cập đến khả năng cắt đứt (tách tấm) chứ không phải chất lượng mép đạt yêu cầu cho gia công kéo.

Các mác như S690/S700 và tấm chống mài mòn đã tôi và ram (400–500 HB) làm phát sinh hai rủi ro thương mại cụ thể:

1. Mềm hóa vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ): Việc cắt bằng oxy đưa nhiệt lượng cao vào các hợp kim đã tôi, để lại vùng ảnh hưởng bởi nhiệt (HAZ) bị làm mềm, có thể giảm xuống dưới mức độ cứng yêu cầu cho công đoạn kéo.

2. Nứt mép: Tấm dày có độ bền cao mang nguy cơ nứt viền tăng cao khi cắt ở trạng thái nóng rồi uốn tạo hình ngay sau đó mà không khử ứng suất.

Đối với các mép yêu cầu độ cứng nghiêm ngặt, việc cắt bằng nitơ hoặc khí nén áp suất cao ở tốc độ giảm thường là lựa chọn kỹ thuật ưu tiên hơn so với cắt bằng oxy.

Đầu cắt có khả năng phóng to tích hợp hệ quang học hội tụ điều khiển động, điều chỉnh tỷ lệ mở rộng chùm tia trước khi chùm tia chiếu tới thấu kính tập trung. Điều này cho phép điều chỉnh động kích thước điểm và độ sâu tiêu cự mà không cần thay đổi vật lý thấu kính.

• Các đường viền trên tấm dày 20 mm trở lên: Mở rộng kích thước điểm để tăng độ sâu tiêu cự, đánh đổi cường độ đỉnh nhằm đạt được thành rãnh thẳng hơn và ít xiên hơn.

• Quy trình khoan lỗ ban đầu: Mở rộng kích thước điểm nhằm giảm cường độ đỉnh và ngăn hiện tượng bắn tung tóe do nổ, đồng thời kết hợp điều chỉnh phóng to một cách linh hoạt với việc tăng dần công suất.

• Hình học lỗ nhỏ: Giảm kích thước điểm cắt để khoan lỗ có độ sâu nhỏ hơn độ dày vật liệu, với điều kiện giai đoạn xuyên thủng ban đầu sử dụng hồ quang có điểm tập trung mở rộng nhằm ngăn ngừa hiện tượng bắn tung tóe.

Yêu cầu bộ điều khiển: Đảm bảo bộ điều khiển CNC của bạn hỗ trợ việc chuyển đổi kích thước điểm cắt trong cùng một lớp. Các đầu cắt có khả năng phóng đại bị giới hạn ở mức điều chỉnh theo từng lớp sẽ làm giảm đáng kể hiệu quả khi cắt vật liệu dày.

Phương pháp xuyên thủng tĩnh bằng khí oxy ở công suất tối đa trên tấm dày 25 mm gây ra hiện tượng nổ: kim loại nóng chảy và ôxít sắt bắn ngược lên trên, làm vón xỉ bám vào vòi phun và làm hỏng các thanh trượt bảo vệ.

Xuyên thủng từng bước loại bỏ rủi ro này thông qua một quy trình gồm nhiều giai đoạn:

1. Bắt đầu với độ lệch tiêu cự cao: Tăng chiều cao xuyên thủng kết hợp thiết lập tiêu điểm phía trên bề mặt tấm để lan tỏa năng lượng nhiệt ban đầu.

2. Khởi tạo lỗ khóa xung: Công suất đỉnh cao ở chu kỳ hoạt động thấp khởi động quá trình nóng chảy mà không gây ra phản ứng tỏa nhiệt ngoài tầm kiểm soát.

3. Thực hiện từng bước giảm dần: Điểm hội tụ dịch chuyển xuống trong khi công suất/chu kỳ hoạt động tăng dần qua 3 đến 6 bước rời rạc, làm sâu dần lỗ khoan.

4. Dừng tại đáy: Dừng ở công suất giảm để hoàn tất việc đâm thủng và cho phép vũng kim loại nóng chảy thoát hết.

5. Chuyển sang cắt: Áp suất, điểm hội tụ và công suất chuyển đổi liền mạch sang các thông số cắt trước khi bắt đầu chuyển động trục.

Ở các chi tiết yêu cầu hàng chục lần xuyên tấm dày, thời gian xuyên chiếm phần lớn tổng chi phí gia công. Đánh giá "hiệu suất chu kỳ xuyên" cùng với công suất laser thô trước khi mua thiết bị.

Cắt kim loại bằng tia laser oxy dựa vào phản ứng oxy hóa sắt tỏa nhiệt thay vì chỉ dựa vào lực cơ học để đẩy vật liệu nóng chảy ra ngoài. Áp suất khí dư thừa làm gián đoạn lớp ranh giới vật liệu nóng chảy, làm nguội vùng phản ứng và tạo ra rãnh cắt rộng, bị khoét sâu và bị oxy hóa quá mức.

Cắt tấm dày đòi hỏi lưu lượng thể tích khí cao nhưng vận tốc dòng khí thấp. Các vòi phun có đường kính lớn hơn, hoạt động ở áp suất vừa phải, giúp dẫn khí xuống kênh cắt sâu mà không gây nhiễu loạn dòng chảy. Với vật liệu dày 20–30 mm, các vòi phun một lớp (đường kính 1,2–2,5 mm) hoạt động ở áp suất 0,6–1,5 bar là dải thông số vận hành tiêu chuẩn.

• Dưới tốc độ tối ưu: Rãnh cắt bị quá nhiệt, gây ra hiện tượng oxy hóa mạnh và xỉ cắt thô, vón cục do tốc độ thấp.

• Trên tốc độ tối ưu: Tia laser di chuyển nhanh hơn phản ứng oxy hóa, để lại xỉ cắt mịn, bám chặt ở mép dưới.

Trên tấm dày 25 mm, dải vận tốc sử dụng được có thể nằm trong khoảng ±20% so với vận tốc danh định. Hãy áp dụng các điều chỉnh tốc độ tiến riêng cho từng đường viền thay vì dùng một tốc độ tiến chung toàn cục. Mạt cắt góc gần như hoàn toàn do giảm tốc mà không điều chỉnh công suất/khí gây ra.

Độ tinh khiết khí dưới 99,5% dẫn đến giảm ngay lập tức về tốc độ cắt và hình thành mạt cắt nghiêm trọng. Luôn đo độ tinh khiết khí và áp suất động trực tiếp tại đầu vào đầu cắt trong điều kiện lưu lượng tối đa.

• Nguyên nhân: Hình học phản ứng oxy tự nhiên, nơi khí tươi nhất nằm ở phía trên.

• Biện pháp khắc phục: Điều chỉnh điểm hội tụ thấp hơn một chút sâu hơn vào vật liệu; tăng kích thước đốm sáng để cân bằng mật độ công suất theo phương thẳng đứng; căn chỉnh độ đồng tâm của vòi phun.

• Nguyên nhân: Điểm hội tụ quá sâu kết hợp với áp suất khí trợ giúp quá cao hoặc đường kính vòi phun quá nhỏ.

• Biện pháp khắc phục: Nâng vị trí hội tụ; giảm áp suất khí; tăng kích thước lỗ vòi phun.

• Nguyên nhân: Lượng nhiệt đầu vào quá mức trên mỗi đơn vị chiều dài (quá nóng).

• Biện pháp khắc phục: Tăng tốc độ cắt, giảm công suất tia laser hoặc điều chỉnh áp suất oxy.

• Nguyên nhân: Chùm tia di chuyển nhanh hơn mặt trước của phản ứng oxy hóa.

• Biện pháp khắc phục: Giảm tốc độ cắt hoặc hạ vị trí tiêu cự. Không tăng áp suất khí, vì việc này làm trầm trọng thêm hiện tượng xỉ tốc độ cao.

Khi đánh giá các máy laser sợi quang công suất cao để gia công vật liệu độ dày 16–30 mm, yêu cầu nhà cung cấp xác minh:

• Giá trị BPP thực tế tại đầu ra và kích thước điểm chùm thực tế trên phôi thông qua đầu cắt.

• Tỷ lệ phóng đại quang học và khả năng điều chỉnh kích thước điểm động trong từng lớp.

• Độ dày xuyên thủng tiến trình tối đa được ghi chép (không chỉ độ dày cắt tách rời).

• Tốc độ tiêu thụ oxy tính toán (m³/giờ) ở độ dày 20–30 mm và chi phí vận hành ngầm hiểu.

• Mẫu cắt tại chỗ bằng loại thép cụ thể của quý khách, với độ loe được đo và hình ảnh xỉ được chụp dưới điều kiện chiếu sáng tiêu chuẩn.

Khả năng cắt tấm dày được xác định trước khi phát hành đơn đặt hàng—dựa trên chất lượng chùm tia, khả năng xuyên thủng và động lực học khí.

Nếu quý khách đang chọn máy móc để cắt thép kết cấu hoặc thép chịu mài mòn ở độ dày 16–30 mm, vui lòng cung cấp yêu cầu về độ dày, cấp vật liệu và dung sai kỹ thuật. Đội kỹ sư ứng dụng của chúng tôi sẽ đưa ra khuyến nghị công suất/vị trí tiêu cự chùm tia (BPP) phù hợp riêng cho quý khách, quy trình xuyên thủng tiến trình và kiểm tra mẫu tại nhà máy trước khi giao hàng.

[Yêu cầu Đánh giá Ứng dụng Cắt Tấm Dày] →Bao gồm độ dày tấm, cấp vật liệu, đường kính lỗ tối thiểu và yêu cầu dung sai mép để đánh giá kỹ thuật.