Proceso de corte por láser: material de acero inoxidable (solución de defectos de rebaba)
Métodos para resolver defectos de rebabas en el corte de acero inoxidable
1.1 Características del corte de acero inoxidable sin oxígeno
Fenómeno
En el corte de acero inoxidable, generalmente se utiliza oxígeno, nitrógeno o aire como gas auxiliar. La elección del gas depende de la aplicación de procesamiento específica. Entre estos gases, el oxígeno tiene la tasa de consumo más baja, mientras que el nitrógeno y el aire consumen relativamente más. Cuando se trata de velocidad de corte, el aire o el nitrógeno dan como resultado un corte más rápido, mientras que el oxígeno conduce a un proceso más lento. El grado de oxidación en la superficie de corte aumenta en el orden del nitrógeno, aire y oxígeno, aumentando en consecuencia la carga de eliminar la capa de óxido.
Principio
(1) Velocidad de corte
La Figura 4.1-1 ilustra la relación entre el espesor de la placa y la velocidad de corte al cortar material SUS304 con un láser de 3 kW de potencia. Cuando el espesor es inferior a 3 mm, el uso de oxígeno para el corte permite que la reacción de oxidación alcance velocidades más altas. Sin embargo, cuando el espesor supera los 3 mm, la fluidez del metal fundido es mejor cuando se corta con nitrógeno, lo que resulta en un corte más rápido sin oxígeno. El corte con aire puede alcanzar una velocidad de corte similar al corte con nitrógeno, pero la rugosidad de la superficie y la acumulación de escoria degradan significativamente la calidad del procesamiento en comparación con el corte con nitrógeno.
(2) Tratamiento superficial del filo
La dureza de la capa superficial del filo variará significativamente dependiendo de si se utiliza oxígeno o nitrógeno para el corte (como se muestra en la Figura 4.1-2). La superficie de corte oxidada tiene una dureza aproximadamente el doble que la del material base, mientras que la superficie de corte libre de oxígeno tiene una dureza menor y una superficie más lisa, lo que hace que los procesos posteriores de esmerilado y pulido sean relativamente más fáciles. La superficie de corte procesada con oxígeno tiende a desarrollar una capa de óxido resistente, lo que aumenta la carga en los pasos de procesamiento posteriores.
(3) Resistencia a la corrosión del filo
La Figura 4.1-3 muestra los resultados de una prueba de resistencia a la corrosión por niebla salina en material SUS304 que fue cortado con láser usando diferentes tipos de gases auxiliares. Los filos procesados con oxígeno y aire mostraron signos de oxidación, mientras que el filo sin oxígeno procesado con nitrógeno no se oxidó. El tipo de gas auxiliar utilizado durante el corte tiene un impacto significativo en la resistencia a la corrosión del filo.
(4) Calidad de soldadura del filo
Al soldar el filo después del corte con láser, si el filo se ha oxidado, se pueden formar poros en la costura de soldadura, lo que reduce la resistencia de la soldadura. Sin embargo, si el filo no se oxida, se puede lograr una soldadura de alta calidad.
1.2 Métodos para solucionar los defectos causados por rebabas en forma de bigotes en el corte de acero inoxidable
Fenómeno:
durante el proceso de perforación del acero inoxidable, tan pronto como el rayo láser incide en el metal, el metal comienza a derretirse. Como se muestra en la Figura 4.2-1, el material fundido se expulsa sobre la superficie del material, salpicando alrededor del pequeño orificio y formando rebabas en forma de bigotes. Estas rebabas pueden causar rayones en la superficie de corte y también pueden interferir con la acción de perfilado del sensor capacitivo.
Causa
Cuando se utiliza oxígeno como gas auxiliar, el metal fundido se oxida durante el proceso de perforación, evitando la formación de protuberancias en forma de bigotes y reduciendo su adhesión a la superficie del acero inoxidable. Sin embargo, cuando se utiliza nitrógeno como gas auxiliar, el metal fundido no se oxida, lo que da como resultado una viscosidad más baja. Esto permite que el metal fundido se estire en forma de bigotes y se adhiera fuertemente a la superficie del material, lo que provoca una acumulación alrededor de los pequeños agujeros.
Soluciones
Para evitar las salpicaduras y la adhesión del metal fundido, se pueden emplear los siguientes métodos: (a) reducir la cantidad generada; (b) impedir la adhesión; (c) elimine la adhesión después de que se produzca (como se muestra en la Figura 4.2-2).
(1) Reducir la cantidad de metal fundido
① Ajuste las condiciones de perforación: aumentar la frecuencia mientras se reduce la potencia de salida de los pulsos individuales puede reducir efectivamente la cantidad de metal fundido producido. La Figura 4.2-3 muestra los resultados del procesamiento a frecuencias de 200 Hz y 1500 Hz. Es importante tener en cuenta que el uso de estas condiciones de procesamiento también aumentará el aporte de calor, lo que las hará inadecuadas para cortar placas gruesas.
② Uso de gas auxiliar o soplado lateral para dispersar el metal fundido
Soplar el metal fundido expulsado del orificio perforador utilizando gas auxiliar o soplado lateral puede reducir la adhesión. La Figura 4.2-4 muestra los resultados del procesamiento con gas auxiliar a presiones de 0,05 MPa y 0,7 MPa. Se puede observar que el uso de gas a alta presión da como resultado que se adhiera menos escoria a la superficie.
(2) Prevenir la adherencia
Aplicar una capa protectora a la superficie del material también puede ayudar a evitar que el metal fundido se adhiera. Cuando se aplica una capa protectora, el metal fundido producido durante la perforación se acumula en la capa en lugar de adherirse directamente a la superficie del material. La capa protectora puede ser un agente preventivo de escoria o un tensioactivo que sea fácil de eliminar en procesos posteriores (como se muestra en la Figura 4.2-5).
(3) Eliminación
Hay dos métodos para eliminar las rebabas: un método consiste en cortar orificios circulares muy pequeños cerca de la perforación; Al cortar el agujero circular, también se retira el metal fundido. El otro método consiste en mover el punto focal hacia arriba después de la perforación para volver a fundir el material acumulado y eliminarlo con gas (ver Fig. 4.2-2(3)).
1.3 Métodos para solucionar defectos de procesamiento en placas gruesas después de la perforación
[Fenómeno]
Como se muestra en la Fig. 4.3-1, en el corte sin oxígeno de placas gruesas de acero inoxidable, el metal fundido generado durante la perforación se acumulará encima del orificio de perforación, lo que provocará una mala calidad del procesamiento cuando pase el cabezal de procesamiento. Cambiar el gas auxiliar utilizado durante la perforación a oxígeno puede reducir la acumulación de metal fundido. Sin embargo, cuando se utiliza oxígeno durante la perforación, es importante asegurarse de que cualquier resto de oxígeno en la línea de gas auxiliar se elimine por completo antes de continuar con el siguiente paso de corte. De lo contrario, el oxígeno restante podría mezclarse con el nitrógeno y provocar oxidación en la superficie de corte.
[Causa]
(1) Impacto de la acumulación
Como se muestra en la Fig. 4.3-2, el impacto de la acumulación en el procesamiento incluye la tendencia a causar reflexión del láser y perturbar el flujo de aire auxiliar durante el corte. En el corte sin oxígeno, es común establecer el punto focal cerca de Z=0 durante la perforación y luego cambiarlo a Z=-T (donde T es el espesor de la pieza de trabajo) durante el corte. Sin embargo, este enfoque puede reducir la densidad de energía del láser que incide sobre la superficie del material durante el corte, lo que lleva a una mala calidad del procesamiento.
(2) Impacto del cambio de gas
Al cambiar entre oxígeno y nitrógeno, es crucial eliminar de manera eficiente y completa el gas residual en la tubería. Cuantas más perforaciones se realicen, más frecuente será el cambio de gas y mayor será el tiempo de purga requerido para el gas residual.
[Solución]
(1) Abordar el impacto de la acumulación
Como se muestra en la Fig. 4.3-3, utilice condiciones de alta densidad de energía láser para la porción de corte inicial donde hay acumulación de metal fundido. Específicamente, durante el corte, utilice la misma alta densidad de energía y posición del punto focal (Z=0) que durante la perforación. Después de pasar por el material acumulado, cambie el punto focal a Z=-T (donde T es el espesor de la pieza de trabajo). Al cortar con el punto focal en Z=0, el ancho de la ranura será más estrecho y aumentará la cantidad de rebabas en la parte posterior de la pieza de trabajo. Por lo tanto, la línea de perforación (el segmento de línea donde comienza el corte) debe alejarse de la pieza. Otros parámetros de procesamiento también deben configurarse en condiciones de alta potencia y baja velocidad. El objetivo de estos ajustes es garantizar un procesamiento estable de la parte acumulada.
(2) Reducción del tiempo de cambio de gas
Como se muestra en la Fig. 4.3-3, primero complete todas las operaciones de perforación utilizando oxígeno. Luego, regrese al punto de inicio del procesamiento, cambie el gas auxiliar a nitrógeno y purgue completamente el oxígeno restante antes de comenzar el proceso de corte. Al utilizar este método, solo es necesario cambiar el gas una vez, lo que ahorra el tiempo necesario para purgar el oxígeno residual de las líneas de gas (consulte la Fig. 4.3-4).
1.4 Métodos para reducir las rebabas en las esquinas afiladas al cortar placas delgadas con aire o nitrógeno
[Fenómeno]
En el corte de acero inoxidable, cuando se utiliza aire o nitrógeno como gas auxiliar, aparecerán rebabas en la parte posterior del material en las esquinas afiladas o al final de la forma de procesamiento, como se muestra en la Fig. 4.4-1.
[Causa]
La máquina de procesamiento o el cabezal se mueve según la velocidad establecida NC (control numérico), pero en las esquinas afiladas o al final de la forma de procesamiento, la velocidad de procesamiento disminuye debido a las características de la máquina. Normalmente, el ajuste de potencia del láser de la máquina procesadora permanece constante. Como resultado, cuando la velocidad de procesamiento disminuye, el equilibrio entre la potencia y la velocidad del láser se altera (con un exceso de potencia de salida), lo que lleva a la formación de rebabas (ver Fig. 4.4-2).
[Soluciones]
(1) Condiciones Generales de Procesamiento
Establezca la velocidad máxima de corte lo más baja posible para minimizar la diferencia entre las velocidades de corte máxima y mínima a lo largo de la ruta de procesamiento. Ya sea a velocidades de corte máximas o mínimas, ajuste la potencia de salida a condiciones que generen menos rebabas. El inconveniente de este método es que la velocidad promedio disminuirá, lo que llevará a un tiempo de procesamiento general más largo.
(2) Modificar la trayectoria
Diseñe una trayectoria de avance para evitar que la velocidad de corte disminuya en las esquinas afiladas o al final de la ruta de procesamiento. Por ejemplo, programe un recorrido circular en esquinas pronunciadas. Cuando la trayectoria sufre un recorrido circular, cambia gradualmente en los puntos de transición, evitando caídas bruscas en la velocidad de corte. El uso de un programa de avance circular al final del procesamiento de orificios internos también puede cortar orificios internos sin reducir la velocidad de corte. Sin embargo, este método no se puede utilizar si hay productos cerca de las esquinas afiladas o si tanto el interior como el exterior de la esquina son productos.
(3) Control NC
Para abordar estas cuestiones se han desarrollado las funciones de control correspondientes. Esto implica la detección en tiempo real de la velocidad de corte por parte de la máquina procesadora, lo que permite el ajuste automático de la potencia de salida del láser para que coincida con los cambios de velocidad de corte.
Como se muestra en la Fig. 4.4-3, cuando la velocidad de corte disminuye en las esquinas afiladas, la potencia de salida del láser también se reduce en consecuencia. El mismo ajuste se aplica al final de la ruta de procesamiento, donde la potencia de salida disminuye automáticamente a medida que la velocidad de corte disminuye.
1.5 Métodos para resolver rebabas en el corte con nitrógeno de placas gruesas de acero inoxidable
[Fenómeno]
Si el metal fundido no se expulsa eficientemente de la ranura, se adherirá a la parte posterior de la pieza de trabajo y formará rebabas. Si el material utilizado es nuevo y anteriormente cortó bien pero ahora presenta problemas, el problema podría deberse a condiciones de procesamiento inapropiadas que necesitan ajuste.
[Causa]
La expulsión suave del metal fundido de la ranura depende de la presión del gas auxiliar adecuada para empujar el metal fundido hacia abajo, así como de la forma de la ranura y la continuidad del flujo del metal fundido. Las principales causas de la formación de rebabas, como se muestra en la Fig. 4.5-1, incluyen:
- Desviación en el ancho de la sangría : el ancho de la sangría se desvía del valor óptimo inicial y se vuelve más estrecho o más ancho.
- Impacto de la forma del procesamiento : La forma que se procesa afecta la continuidad del flujo del metal fundido.
[Soluciones]
(1) Ajuste del corte
El corte con nitrógeno de acero inoxidable se diferencia del corte de acero al carbono en que el punto focal debe establecerse dentro del material (Z<0) para mejorar la capacidad de fusión del láser y aumentar el ancho de la ranura. Si el punto focal no se establece de manera óptima, el flujo de metal fundido dentro de la ranura puede verse afectado negativamente. Cuando el punto focal es demasiado superficial, las rebabas tienden a ser nítidas, mientras que un punto focal más profundo produce rebabas en forma de bola. Ajuste el punto focal según la forma de las rebabas para encontrar la posición óptima.
Si las rebabas aumentan progresivamente con el procesamiento y el ancho de la ranura cambia, puede deberse al calentamiento de los elementos ópticos por el láser, lo que produce un efecto de lente térmica. En tales casos, limpie la lente o el espejo PR.
(2) Impacto de la forma del procesamiento
Es probable que se formen rebabas cuando el flujo de aire auxiliar se vuelve inestable después de que el láser pasa la esquina afilada o cuando el equilibrio entre potencia y velocidad se altera debido a cambios repentinos en la velocidad de corte. Para solucionar este problema, reduzca el ajuste de velocidad de procesamiento en las condiciones de procesamiento (consulte la Fig. 4.5-2). Cuanto menor sea el ángulo de la esquina aguda, más efectivos serán los ajustes de baja velocidad. Además, al pasar de condiciones de baja velocidad a condiciones de alta velocidad, configure la transición de velocidad como un proceso paso a paso.
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