Процесс лазерной резки - материал из углеродистой стали

I. Резка материалов из углеродистой стали

1.1 Типы перфорации и принципы резки

Феномен :
Типы перфорации в основном включают импульсную обработку и обработку непрерывной волной (CW) (как показано на рисунке 3.1-1). Процесс перфорации начинается с облучения и нагревания лазерным лучом поверхности материала (1), затем постепенно углубляется в материал (2)~(4) и, наконец, завершает перфорацию (5) непрерывным и непрерывным образом.

• Условия CW : при использовании условий CW фокус должен быть установлен над поверхностью материала (2 > 0), чтобы увеличить апертуру обработки. По мере углубления перфорации фокус постепенно перемещается вниз, пока перфорация не завершится.

• Импульсные условия : при использовании импульсных условий это помогает подавить тепловложение, тем самым достигая эффекта обработки с малой апертурой.

 

 

[Принцип]

1. Перфорация в импульсном режиме.
   Когда толщина материала углеродистой стали превышает 9 мм, если перфорация выполняется в импульсном режиме, время обработки значительно увеличивается. Однако диаметр перфорированного отверстия составит всего около 0,4 мм, что уже, чем разрезаемый шов, а зона термического влияния также будет меньше. На Рисунке 3.1-2 показана морфология, когда лазерное облучение прекращается на полпути через перфорацию, что используется для проверки хода перфорации. Импульсная перфорация достигается за счет повторного облучения и остановки лазера, который плавит (или испаряет) материал, выбрасывает расплавленный материал и охлаждает его, тем самым постепенно углубляя перфорацию. Если существует несоответствие времени между процессами плавления и разгрузки, это может привести к разбрызгиванию расплавленного металла вверх или увеличению времени перфорации. При частоте в диапазоне от 100 до 200 Гц, чем выше установлена ​​пиковая мощность импульса, тем лучше качество перфорированного отверстия. При использовании более высокой частоты увеличивается только плавильная способность, тогда как эффективность выгрузки и охлаждения расплавленного металла снижается.

 

2. Перфорация с использованием условий CW

При перфорировании в условиях непрерывной волны (CW) большое количество расплавленного металла имеет тенденцию разбрызгиваться вверх. Если расплавленный металл не может быть выпущен через очень маленькое отверстие наверху, может произойти перегорание. Недостатком перфорации CW является то, что значительное количество расплавленного металла выплескивается на поверхность заготовки, но преимуществом является то, что она позволяет значительно сократить время обработки. На Рисунке 3.1-3 показаны фотографии поверхности и обратной стороны материала SS400 толщиной 12 мм после перфорации с использованием CW-выхода с различными диаметрами сопла. Диаметр сопла соответствует диапазону распыления кислорода на зону перфорации. Чем больше диаметр сопла, тем больше диаметр перфорированного отверстия.

3. Другие

В нормальных условиях условия перфорации регулируются при наблюдении за ходом перфорации либо в импульсном режиме, либо в режиме CW (или в обоих условиях). Идеальный эффект перфорации характеризуется небольшой апертурой и коротким временем обработки.

 

1.2 Методы сокращения времени перфорации

Феномен

Методы сокращения времени перфорации различаются в зависимости от типа перфорации.

1. Импульсное состояние Перфорация

При использовании импульсного режима для перфорации лазерное воздействие является импульсным. Хорошего эффекта можно добиться только в том случае, если плавление и испарение при лазерном воздействии хорошо сочетаются с охлаждением во время паузы. Если основное внимание уделяется исключительно усилению плавления и испарения, это может легко привести к пережогу; и наоборот, если подчеркнуть только охлаждающий эффект, время перфорации станет больше.

2. Состояние CW Перфорация

Перфорация CW имеет тенденцию вызывать явление пережога. Преимущество перфорации CW заключается в том, что она позволяет сократить время перфорации, но по мере увеличения толщины пластины диапазон плавления будет продолжать расширяться, что влияет на качество обработки.

3. Корректировка условий на основе прогресса перфорации

При перфорационной обработке, когда количество лазерного облучения слишком велико или слишком мало, условия следует корректировать, наблюдая за ситуацией обработки, пока не будут достигнуты оптимальные условия.

Причины и меры противодействия

1. Импульсный режим перфорации

Для повышения плавильной и охлаждающей способности необходимо облучать большое количество энергии за короткое время и обеспечивать адекватное время охлаждения после облучения. Как показано на рисунках 3.2-1 и 3.2-2, эффект импульсного облучения с прямоугольной формой импульса с высоким пиком является идеальным. Энергия, необходимая для плавления, выражается как произведение интенсивности $E$ и времени облучения $T$. По сравнению с импульсами треугольной формы, импульсы прямоугольной формы требуют вдвое меньше времени облучения для достижения той же энергии, что приводит к меньшему поступлению тепла в заготовку и тем самым снижает вероятность пережога. На Рисунке 3.2-3 показано влияние пиковой мощности импульса и средней мощности импульса на перфорацию материала SS400 толщиной 6 мм, где более высокая пиковая мощность импульса приводит к сокращению времени перфорации.

 

 

 

2. Перфорация в режиме CW

Когда толщина пластины превышает 12 мм, целесообразно подобрать насадку меньшего диаметра. Для резки толстых листов, где качество режущей поверхности имеет приоритет, следует выбирать отдельные сопла для перфорации и резки.

3. Корректировка условий на основе прогресса перфорации

При регулировке условий яркость расплавленного состояния в перфорированной детали можно наблюдать с помощью датчиков. Если область расплава имеет тенденцию расширяться, интенсивность лазера следует уменьшить; и наоборот, если эффект плавления уменьшается, интенсивность лазера следует увеличить. Этот подход направлен на достижение высокоскоростной перфорации малого диаметра.

 

1.3 Методы устранения дефектов перфорации

Явление.
К основным факторам, вызывающим дефекты перфорации, относятся момент возникновения, место возникновения, время возникновения и внутренние факторы материала. Обратитесь к Таблице 3.3-1 для анализа ключевых факторов.

Причины и меры противодействия

1. Момент возникновения дефекта.
   Важно определить, когда возникает дефект: происходит ли он в середине процесса перфорации или сразу после перфорации, когда начинается резка. Если дефект возникает в середине, проверьте, происходит ли он в самом начале перфорации или при переходе к другим условиям, и откорректируйте соответствующим образом. Если дефект возникает непосредственно перед окончанием перфорации, это может быть связано с переключением с режима перфорации на режим резания до того, как отверстие будет полностью пробито. В этом случае время перфорации необходимо увеличить. Если дефект появляется сразу в начале резки, это может быть связано с скопившимся мусором вокруг области перфорации, что делает резку нестабильной. В таких случаях условия импульса следует задавать в начале резки.

2. Расположение дефекта обработки.
   Если дефекты перфорации сконцентрированы в определенной области на платформе обработки, это может быть связано с несовпадением центра лазера и сопла, требующим регулировки.
   Когда места перфорации плотные или расположены рядом с линией разреза, область перфорации может легко нагреваться до высокой температуры. На Рисунке 3.3-1 показаны результаты обработки при различных температурах, когда температура материала повышается от комнатной до 200°C с использованием материала SS400 толщиной 12 мм. Данные показывают скорость пережога, основанную на 50 перфорациях при каждой температуре. Можно заметить, что дефекты обработки увеличиваются с повышением температуры. Для уменьшения дефектов обработки механическую обработку следует производить максимально в охлажденном состоянии материала, а маршрут обработки должен быть оптимально спроектирован.

 

 

3. Время возникновения дефекта

Если дефекты обработки увеличиваются с течением времени обработки, проверьте, может ли увеличение времени охлаждения восстановить нормальную работу. Если это так, это означает, что в оптических компонентах возник эффект термолинзы и требуется техническое обслуживание оптических компонентов. Однако если увеличение времени охлаждения не решает проблему, это может быть связано с неисправностью генератора, вызывающей колебания выходной мощности. В таких случаях обращайтесь в отдел послепродажного обслуживания.

4. Материал, вызывающий дефекты обработки

При определении того, связан ли дефект с материалом, сначала проверьте, использовался ли материал ранее. Если он использовался ранее, корректировать условия обработки нет необходимости, так как дефект, скорее всего, связан с неисправностью обрабатывающего станка или оптических компонентов.

На Рисунке 3.3-2 показано время, необходимое для проникновения в материал SS400 толщиной 16 мм, произведенный различными производителями, во время перфорации. Если качество материала изменится, подтвердите время перфорации перед непрерывной обработкой или установите немного большее общее время обработки.

 

II. Методы решения проблемы пережога в процессе резки

 

2.1 Методы борьбы с частым пережогом при обработке квадратных форм толщиной 12 мм и 25 мм

[Феномен]

Если при резке материалов из углеродистой стали обрабатываемая форма имеет острые углы, острые углы склонны к плавлению или пережогу. Скорость резки снижается по мере увеличения толщины материала, а тепло, образующееся во время резки, накапливается внутри материала, вызывая повышение температуры материала и приводящее к частому плавлению или пережогу острых углов.

[Причина]

Как показано на рисунке 3.4-1, при хорошем процессе резки тепловая энергия, производимая лазером, и тепловая энергия, генерируемая окислительным горением, эффективно рассеиваются в обрабатываемом материале, который также эффективно охлаждается. При недостаточном охлаждении происходит перегорание. Острые углы имеют меньший объем и более узкую площадь отвода тепла, поэтому температура легко повышается, что приводит к перегоранию. Кроме того, во время прошивки лазер, поглощаемый внутренней стенкой отверстия, приводит к резкому повышению температуры в очень небольшом пространстве, что также легко приводит к пережогу.

 

[Решение]

(1) При обработке нескольких форм небольшого размера тепло будет продолжать накапливаться по мере продвижения процесса, что повышает вероятность пережога на последнем этапе обработки. Решение, как показано на рисунке 3.4-2, состоит в том, чтобы максимально расширить пути обработки, чтобы избежать непрерывного движения в одном направлении. Это позволяет более эффективно рассеивать тепло. Пути обработки должны быть оптимизированы в соответствии с фактической обрабатываемой формой.

(2) Как показано на Рисунке 3.4-3, если пережог сосредоточен в острых углах, его можно эффективно предотвратить, заменив острые углы небольшими радиусами (R) в форме обработки. Чем больше радиус R, тем эффективнее профилактика. По мере увеличения толщины материала радиус R также необходимо соответственно увеличивать.

 

(3) Острые углы имеют тенденцию плавиться по мере повышения температуры во время обработки, поскольку область обработки уже имеет высокую температуру, когда проходит лазерный луч (как показано на Рисунке 3.4-4). Если скорость продвижения лазерного луча превышает скорость теплопроводности, процесс резки можно завершить до того, как материал перегреется, что эффективно предотвращает плавление.

 

В типичных условиях скорость теплопроводности, вызывающая плавление, составляет около 2 м/мин. Если скорость резки превышает 2 м/мин, плавление обычно не происходит. По этой же причине острые углы материалов из углеродистой стали толщиной менее 6 мм плавятся меньше. Для материалов из углеродистой стали толщиной более 9 мм для достижения того же эффекта необходимо использовать условия обработки с выходной мощностью более 4 кВт, что требует генератора высокой выходной мощности.

(4) Если используются вспомогательные газы, такие как азот или воздух, реакции окислительного горения не происходят, и, следовательно, плавление или перегорание обычно не происходят.

2.2 Выявление причин пережога листов толщиной 16 мм: причины заготовки

[Феномен]

Чтобы определить причины перегорания из-за неконтролируемого нагрева, явления обработки следует разбить на этапы, чтобы найти основные причины на каждом этапе.

Процесс лазерной резки показан на Рисунке 3.5-1:

1. Лазер направлен на поверхность материала.
2. Лазер поглощается, вызывая плавление.
3. Расплавленная часть горит благодаря поддержке горения вспомогательным газом.
4. Горение далее распространяется в направлении толщины материала.
5. Расплавленный металл выбрасывается из разрезаемого шва.

Эти процессы повторяются непрерывно, пока не будет достигнута цель резки.

 

 

Причины пережога могут быть связаны с проблемами обрабатывающего станка или заготовки. Конкретно:

• Причины, связанные с машиной, проявляются в шагах ① и ③.
• Причины, связанные с заготовкой, проявляются в шагах ②, ④ и ⑤.

[Причины и меры противодействия]

1. Причины, связанные с лазерным поглощением

   Нестабильность процесса лазерной резки ② может привести к пережогу. Если слой окисления (окалины) на поверхности материала плохо приклеен или неровный, поглощение лазера материалом будет неравномерным, что приведет к нестабильному выделению тепла. На рис. 3.5-2 показано сравнение поверхностей резки, когда лазер воздействует на верхнюю и нижнюю часть одного и того же материала. Показано, что состояние поверхностного оксидного слоя материала влияет на качество поверхности резания. При укладке материала внимательно проверяйте состояние поверхности и располагайте сторону с лучшим оксидным слоем вверх.

 Для материалов, верхняя и нижняя поверхности которых не могут быть установлены произвольно, можно использовать метод вторичной резки. Это предполагает сначала использование энергии лазера для выравнивания неровной поверхности материала, прежде чем приступить к основной резке. В частности, вы бы:

1. Первоначальная обработка поверхности : Уменьшите плотность энергии лазера до уровня, необходимого для плавления поверхности материала. Оплавляйте поверхность вдоль пути резки, следя за тем, чтобы ширина расплавленного материала была немного шире, чем шов разреза.

2. Основная резка : переключитесь на стандартные условия резки, чтобы завершить процесс резки.

На Рисунке 3.5-3 сравниваются образцы, вырезанные методом одиночной резки и методом вторичной резки. Это показывает, что качество режущей поверхности, достигаемое при вторичном методе резания, по существу эквивалентно качеству материалов с ухоженной поверхностью.

 

2. Причины, связанные с возгоранием по толщине или выбросом расплавленного металла.

Эта причина приводит к нестабильности процессов лазерной резки ④ и ⑤. Изменения внутреннего состава материала могут влиять на теплоту реакции горения или на текучесть расплавленного металла. Материалы, производимые отечественными японскими поставщиками, обычно мало отличаются по производительности обработки. Однако материалы от зарубежных поставщиков могут иметь значительные различия в производительности обработки. На Рисунке 3.5-4 показано сравнение резки углеродистой стали толщиной 16 мм при одинаковой выходной мощности и скорости резки. При использовании материалов зарубежных поставщиков с более высоким содержанием Si или Mn особое внимание следует уделять положению фокуса и настройкам давления вспомогательного газа во время настройки.

 

2.3 Выявление причин пережога листов толщиной 16 мм: причины, связанные с машиной

[Причины и меры противодействия]

1. Проблемы вспомогательного газа (рис. 3.6-1)

   (1) Неравномерный поток кислорода . Если кислород не распределяется равномерно вокруг расплавленного металла, эффективность сгорания и поток расплавленного металла будут неравномерными, что приведет к пережогу из-за изменения направления резки. Такие проблемы, как смещение лазерного луча, деформация сопла или накопление шлака, могут нарушить поток вспомогательного газа. В первую очередь следует проверить состояние форсунок.

   (2) Низкая чистота газа : если все режущие поверхности плохого качества, это может быть связано с низкой чистотой газа в кислородном баллоне, что приводит к шероховатости и зашлакованности нижних частей поверхности реза. По мере увеличения толщины материала влияние чистоты вспомогательного газа на качество обработки становится более значительным. При диагностике этой проблемы используйте бензобак, точность которого ранее была подтверждена.

 

2. Проблемы с лазером (рис. 3.6-2)

(1) Проблемы с направлением во время резки . Если во время резки наблюдаются несоответствия в направлении, это, вероятно, связано с проблемами округлости лазерного луча или распределения интенсивности. Интенсивность лазера напрямую влияет на его способность плавить металл. Если есть проблемы с округлостью луча или распределением интенсивности, эффективность сгорания будет меняться в зависимости от изменения направления резки, что приведет к перегоранию. В этом случае необходимо проверить форму моды луча.

(2) Общее плохое качество режущей поверхности : это может быть связано с недостаточной фокусировкой линзы. Температура на участках, которые необходимо расплавить, должна быть как можно выше, а температура на не плавящихся участках должна быть как можно ниже. Изменения энергии на этих температурных границах могут вызвать перегорание. Неадекватная фокусировка может быть вызвана неисправностями объектива или зеркал PR, а также проблемами с оптическим путем или отражающими зеркалами.

 

 

3. Другие причины (Рис. 3.6—3)

(1) Снижение качества с течением времени . Если качество резки ухудшается по мере продвижения процесса, это может быть связано с накоплением тепла в материале, вызывающим повышение температуры материала и приводящим к пережогу. В таких случаях траектория резки должна быть рассредоточенной, чтобы предотвратить чрезмерную концентрацию тепла.

(2) Ухудшение качества на более поздних стадиях длинного пути резки : Если качество начинает ухудшаться во второй половине более длинного пути резки, это может быть связано с загрязнениями на линзах или зеркалах PR, поглощающих лазер и вызывающих эффекты термического линзирования. Очистите линзу или зеркала PR и другие оптические компоненты. Если очистка не решает проблему, возможно, необходимо заменить оптические компоненты.

(3) Дефекты в определенных областях режущей платформы : Если дефекты возникают в определенной области режущей платформы, причиной может быть смещение оптического пути. Это несоосность может привести к отклонению центра сопла от центра лазера при перемещении положения резки, что приведет к пережогу. В этом случае отрегулируйте выравнивание оптического пути.

 

 

 [Причины]

Как показано на рисунке 3.8-2, прошивка предполагает направление лазера на поверхность материала и постепенное удаление расплавленного металла для создания отверстия. Если выходная мощность установлена ​​слишком высокой для ускорения процесса плавления, маленькое отверстие, созданное во время прошивки, может оказаться неспособным достаточно быстро вытеснить расплавленный металл, что приведет к накоплению тепла в материале. Кроме того, как показано на рисунке 3.8-3, когда диаметр отверстия находится в диапазоне от 0,3 до 0,5 мм, стенки отверстия сильно поглощают лазер. Это приводит к очень высоким температурам вокруг маленького отверстия, а при использовании более толстых пластин глубина поглощения лазера внутренними стенками отверстия увеличивается, что приводит к еще более высоким температурам вокруг отверстия.

 

При прокалывании отверстий диаметром от 0,3 до 0,5 мм ширина разрезаемого шва обычно составляет от 0,5 до 0,8 мм. Сразу же начало процесса резки после прошивки может привести к увеличению объема расплавленного металла. В этом случае маленькое отверстие может оказаться не в состоянии вместить быстро расширяющийся расплавленный металл, что приведет к явлению обратного выброса.

 

 

 

3. Режим луча и методы обработки резки углеродистой стали.

3.1 Подходящий режим луча для резки толстых пластин из углеродистой стали

Феномен: при высокоскоростной резке тонких пластин более подходящим является режим сфокусированного луча с высокой способностью к плавлению. Обычно при лазерной резке используются одномодовые (TEM) лучи, сфокусированные через линзы с коротким фокусным расстоянием. Однако при резке толстых листов простого увеличения способности плавления недостаточно для эффективного вытеснения расплавленного металла из реза, а возможности для достижения высококачественных условий резки весьма узки. На Рисунке 3.10-1 сравниваются пределы условий обработки при резке углеродистой стали толщиной 12 мм с использованием одномодовых (TEM) и многомодовых (TEM) лучей. Это показывает, что запас условий обработки шире при использовании многомодовых лучей.

 

  Причина:

При резке толстых пластин из углеродистой стали режим луча играет решающую роль в определении формы реза. На рисунке 3.10-2 показаны два основных фактора, связанных с режимом луча.

  

 

1. Ограничение дальности плавления и горения.

Ключом к резке толстых листов является обеспечение того, чтобы область, которую необходимо расплавить с помощью лазерного облучения, достигла высокой температуры, в то время как область, которую не нужно плавить, оставалась как можно более холодной. Особенно в начальной точке резки явление плавления на поверхности заготовки напрямую зависит от режима луча. В точке лазерного облучения плавление начинается от центра, где интенсивность лазера наибольшая, и распространяется наружу, останавливаясь там, где плотность энергии лучевой моды мала. Чем больше угол наклона $heta$ распределения энергоемкости на наклонном участке лучевой моды, тем меньше тепла будет передаваться в область, окружающую пропил. И наоборот, если угол наклона $theta$ мал, плавлению в разрезе будет трудно остановиться там, где это необходимо, что приведет к расширению зоны горения, что приведет к неконтролируемому нагреву и перегоранию. Если температура на границе ширины реза слишком высока, горение будет трудно остановить на границе ширины реза, поскольку оно распространяется от центра реза наружу, что в конечном итоге приводит к пережогу. По сравнению с однолучевым режимом, многолучевой режим имеет более крутой уклон на участке наклона, что создает меньшую нагрузку на линзу и делает ее более подходящей для резки толстых листов.

2. Множественные отражения внутри керфа

Когда лазер облучает заготовку, он претерпевает множественные отражения внутри пропила, что облегчает процесс резки. Фокусное расстояние линзы влияет на угол, под которым лазер облучает заготовку, и на состояние многократных отражений. Чем больше фокусное расстояние линзы, тем меньше изменение ширины реза сверху вниз, что выгодно при резке толстых листов. Однако чем больше фокусное расстояние линзы, тем меньше наклон наклона в лучевом режиме, что требует выбора фокусного расстояния в сочетании с лучевым режимом.

3.2 Выбор наиболее подходящего сопла для резки толстых листов углеродистой стали

Феномен:
резка толстых листов углеродистой стали в первую очередь зависит от реакции окисления, поэтому контроль чистоты вспомогательного кислорода чрезвычайно важен. Это уже обсуждалось ранее. Чистота кислорода не только снижается в начале процесса резания, но и продолжает снижаться в процессе резания, что приводит к снижению качества резки и уменьшению скорости резания, что вызывает необходимость ее улучшения.

Причина:
Как показано на рисунке 3.11-1, вспомогательный газ распыляется сверху на заготовку. Когда воздушный поток сталкивается с поверхностью материала, возникает турбулентность. Когда поток воздуха попадает в пропил, горение в направлении толщины пластины и смешивание воздуха с пропилом приведет к снижению чистоты газа от центра реза вниз. Этот эффект особенно выражен при увеличении толщины пластины или увеличении скорости резания. Нижняя часть фронта резания будет отставать в направлении резания, а падение чистоты газа сильно повлияет на обработку.

  

 

 Решение:
Если используется стандартное сопло с одним отверстием, его диаметр можно увеличить, чтобы усилить экранирующий эффект от кислорода в зоне обработки. Однако этот подход имеет недостатки, такие как сужение контролируемого и регулируемого диапазона расхода воздуха и давления газа, что облегчает проникновение шлака и загрязнение линзы.

На рис. 3.11-2 показано использование сопла двойной конструкции. Использование двойного сопла не только позволяет кислороду защищать зону резки, но также помогает поддерживать чистоту кислорода в направлении толщины листа. Кислород, выбрасываемый из внешнего сопла, помогает газу, поддерживающему горение, выбрасываемому из центрального сопла. Однако регулировка характеристик воздушного потока в первую очередь осуществляется через центральное сопло.

 

Роль двойного сопла заключается в следующем: Кислород, выбрасываемый из центрального сопла, заставляет горение проникать глубже от поверхности материала вниз, при этом чистота газа снижается в процессе горения. Затем внешнее сопло дополняет газ, чистота которого снизилась. Кроме того, по мере выполнения резки вспомогательный кислород, выбрасываемый из внешнего сопла, помогает блокировать проникновение внешних газов в пропил.

Чем толще материал, тем сильнее будет отставать реакция окисления в нижней части пластины. Когда нижняя часть фронта резания отстает от направления обработки, она выходит за пределы зоны действия струи кислорода. Аналогично, при увеличении скорости резания нижняя часть фронта резания также будет отставать от направления обработки, выходя за пределы зоны действия струи кислорода. Чтобы устранить это явление запаздывания в нижней части фронта резки, двойное сопло может эффективно использовать кислород, выделяемый из двойного сопла, для предотвращения проникновения воздуха в зону обработки.

3.3 Методы предотвращения повреждений при плавлении в конце резки толстого листа

Явление:
при резке толстых пластин из углеродистой стали в конце процесса резки часто возникает повреждение от плавления. В таких процессах, как нарезание резьбы, в зависимости от требований к качеству может возникнуть необходимость в ремонте оплавленных участков. Это особенно актуально в тех случаях, когда материал толстый, а диаметр отверстия небольшой, где количество повреждений при плавлении может быть значительным.

Причина:
Как показано на рисунке 3.12-1, теплопроводность в месте обработки превышает скорость резки, в результате чего тепло действует впереди лазера. Когда обработка приближается к конечному участку, тепло теряет пространство для проводимости, оставляя концевую часть в высокотемпературном состоянии. Если в этот момент кислород продолжит поступать, это может вызвать перегорание, приводящее к плавлению.

 

 

Решение:

Методы предотвращения повреждений при плавлении в конце резки толстого листа включают в себя:
(1) прекращение обработки до того, как произойдет повреждение при плавлении;
(2) Уменьшите тепловложение;
(3) Подавить реакцию окисления;
(4) Процесс до повышения температуры;
(5) Компенсация.

(1) Прекратите обработку до того, как произойдет повреждение от плавления → Добавьте микростыки.
Остановите процесс резки непосредственно перед завершением, оставив небольшую часть неразрезанной (микростыки). Количество микрошвов следует определять на основе таких факторов, как (i) толщина материала, (ii) форма разреза, (iii) тип материала и (iv) ширина пропила (положение фокуса, фокусное расстояние линзы).

(2) Уменьшите подвод тепла → Переключитесь на импульсный режим с меньшим подводом тепла.
Переключите условия в части, подверженной плавлению, на импульсный режим с меньшим подводом тепла. Настройка таких параметров, как (i) низкая частота, (ii) низкий рабочий цикл, (iii) низкая скорость и (iv) низкое давление газа для импульсных условий, может эффективно подавлять подвод тепла.

(3) Подавить реакцию окисления → Используйте воздух или азот.
Хотя тепло реакции окисления от кислорода может повысить производительность резки, оно также может вызвать чрезмерное накопление тепла в концевой части. Переключение технологического газа в конечной части на воздух или азот, хотя это и может вызвать дефекты окалины, может эффективно подавить выделение тепла реакции окисления.

(4) Обрабатывайте до повышения температуры → Увеличьте скорость обработки.
Если есть возможность увеличить скорость резки путем регулировки выходной мощности, скорость резки должна быть установлена ​​на уровень выше, чем скорость теплопроводности. В частности, скорость резки должна быть установлена ​​выше 2 м/мин.

(5) Компенсация → Добавить программу выпуклости.
В программе добавьте выпуклость той же величины, что и расплавленная часть. Выпуклая часть плавится во время обработки, что в конечном итоге обеспечивает баланс обработки и предотвращает повреждение при плавлении.

 

3.4 Причины и способы устранения трудностей резки ржавых материалов

Явление:
при резке толстых пластин из углеродистой стали даже материалы, которые обычно хорошо режутся, могут образовывать шероховатую поверхность среза или вызывать пережоги, если на поверхности есть ржавчина. На Рисунке 3.13-1 показаны результаты резки материала SS400 толщиной 12 мм, который (а) ржавый и (б) не содержит ржавчины.

 

 

  

Как показано на рисунке 3.13-3, другой метод заключается в использовании алмазного шлифовального круга для удаления ржавчины и оксидного слоя с поверхности материала, а затем приступить к обработке, как только обнажится основной металл. Однако теплопроводность основного металла (Fe) выше, чем у оксидного слоя. Это означает, что даже небольшие возмущения в лазере или вспомогательном газе могут увеличить вероятность перегорания, а когда перегорание происходит, его диапазон может быть обширным. Оксидный слой играет важную роль при лазерной резке.

  

3.5 Условия обработки для нанесения лазерной маркировки на шероховатую углеродистую сталь

Феномен:
для некоторых компонентов, например, используемых на кораблях и мостах, которые после лазерной обработки необходимо покрыть толстым слоем цинка, обычная лазерная маркировка выступает всего на 0,1–0,2 мм. После нанесения покрытия эти маркировки могут исчезнуть, в результате чего лазерная маркировка станет более выраженной.

Причина:
Обычная лазерная маркировка выполняется с использованием вспомогательных азотных и маломощных лазеров с установкой фокуса на поверхность материала, завершая маркировку плавлением поверхностного слоя материала. В этом состоянии увеличение мощности или уменьшение скорости обработки приведет к увеличению площади расплавленной поверхности, но также сделает поверхность расплавленной области шероховатой. Увеличение фокуса для увеличения диаметра луча на облучаемой поверхности приведет к неравномерному распределению энергии луча, что сделает обработку нестабильной.

Решение:
Чтобы сделать маркировку одновременно крупной и глубокой, как показано на Рисунке 3.14-1, используйте поддерживающий горение эффект кислорода для расширения диапазона горения и плавления в области лазерного облучения. Одновременно используйте условия вспомогательного газа под высоким давлением, чтобы быстро сдуть расплавленный металл.

 При использовании вспомогательного кислорода под высоким давлением для плавления и сжигания обрабатываемого материала явление плавления обычно распространяется внутрь в направлении толщины пластины, что в конечном итоге приводит к резке. На этом этапе решающее значение приобретает контроль над производительностью вспомогательного кислорода для достижения только желаемой глубины маркировки. Это требует контроля ширины и глубины плавления, а значит, необходимо оптимизировать условия сопла.

На Рисунке 3.14-2 показана маркировка, нанесенная на углеродистой стали толщиной 6 мм при выходной мощности 250 Вт и скорости обработки 1000 мм/мин. Использовались насадки диаметром 2 мм и 1 мм. При использовании насадки 2 мм обработка превращалась в резку; тогда как с соплом 1 мм гравировка стала глубокой. Сопло меньшего диаметра способствует боковому расширению маркировки и подавляет ее вертикальную глубину.

 Вторжение умеренного количества воздуха во время обработки также помогает подавить реакцию горения. Поскольку в качестве вспомогательного газа используется кислород, расплавленный металл будет окисляться во время процесса. Кроме того, при впрыске вспомогательного газа под высоким давлением поверхность заготовки превратится в распыление мелких частиц (как показано на рисунке 3.14-3). Однако, поскольку точка фокусировки установлена ​​выше, а сопло расположено дальше от места обработки, разбрызганный металл не будет прилипать к соплу.

 

3.6 Производительность обработки угловой резки

Феномен:
Как правило, лазерная резка предполагает перпендикулярное облучение лазером поверхности материала. Если заготовка наклонена относительно оси лазера или если лазер направлен на поверхность материала под углом, режущая поверхность становится крайне нестабильной. При кислородной резке пластин из углеродистой стали режущая поверхность под острым углом будет испытывать пережог; тогда как при неокисляющей резке таких материалов, как нержавеющая сталь, резка под углом может привести к образованию окалины на обратной стороне заготовки.

Причина:
На рисунке 3.15-1(a) показан разрез на поверхности и нижней части пластины SS400 толщиной 12 мм при наклоне режущей головки. Когда лазер излучается под углом, плотность энергии на поверхности заготовки становится неравномерной относительно направления резки. Если вспомогательный газ, выбрасываемый из сопла, также наклонен относительно поверхности заготовки, поток воздуха, попадающий в пропил, становится турбулентным, что влияет на качество обработки.

С точки зрения элементов заготовки режущие кромки будут иметь острые (сторона А) и тупые (сторона В) концы. Острый конец (сторона) будет накапливать избыточное тепло, что может привести к перегоранию.

Решение:
Как показано на рисунке 3.15-1(a), для материала толщиной 12 мм хорошее качество резки достигается, когда угол наклона не превышает 10°. На рисунке 3.15-1(b) показана взаимосвязь между углом наклона режущей головки и максимальной скоростью резания для листов SS400 различной толщины. Чем больше угол наклона, тем ниже должна быть скорость резания.

 

Перегорание происходит из-за чрезмерного сгорания, и основной эффективной мерой борьбы с ним является подавление тепла реакции окисления. Для материалов меньшей толщины пережог можно предотвратить, используя воздух или азот в качестве вспомогательного газа, поскольку это помогает подавить реакции окисления. Однако существует тенденция к увеличению окалины на обратной стороне заготовки.

При выполнении угловой резки заготовки направление резания также оказывает существенное влияние на качество обработки. Когда направление резания ограничено восходящим и нисходящим направлениями, восходящее направление более склонно к пережогу по сравнению с нисходящим направлением.

Для светоотражающих материалов, таких как алюминиевые сплавы, резка под углом является более сложной задачей. По мере увеличения площади облучения лазерного луча на поверхности материала плотность энергии уменьшается, что повышает вероятность возникновения отражений. При трехмерной лазерной резке лазер всегда должен быть направлен перпендикулярно. Если необходима резка под углом, следует принять такие меры, как применение поглотителей луча для предотвращения отражений.

3.7 Рекомендации по резке металлических листов с рисунком

Явление:
металлические листы с рисунком обычно изготавливаются из углеродистой стали, нержавеющей стали или алюминиевого сплава. При резке металлического листа с рисунком выступом вверх листы из углеродистой стали более склонны к плавлению. Рисунок 3.16-1 иллюстрирует взаимосвязь между направлением лазерной резки и возникновением плавления. Поднятая задняя часть направления резания более подвержена плавлению.

 

Причина:
Когда скорость теплопроводности превышает скорость резания, тепло будет накапливаться в приподнятых углах. Взаимосвязь между поверхностью материала и соплом или обрабатывающей линзой изменяется в приподнятых областях, вызывая отклонения в давлении вспомогательного газа или условиях фокусного положения.

Решение:
Для достижения качественного раскроя узорчатых стальных листов можно применить следующие методы:

1. Уменьшите воздействие выступающих областей:
   при размещении пластины расположите выступающую поверхность как заднюю поверхность обработки (нижнюю поверхность), а плоскую поверхность как поверхность лазерного облучения. Это сводит к минимуму изменения давления вспомогательного газа или положения фокуса на обрабатываемой поверхности. При задании условий обработки следует учитывать высоту выступающих участков, а условия резки устанавливать на максимальную толщину листа 7 мм. Если заготовка представляет собой большую пластину, усилие, необходимое для ее переворота, может быть значительным, но это остается эффективным методом уменьшения плавления.

2. Подавление концентрации тепла на выступающих участках:
   Если резку необходимо выполнять с выступающей поверхностью в качестве обрабатываемой поверхности (верхней поверхности), установите скорость резки выше скорости теплопроводности (например, F = 2 м/мин). Фокусное положение должно быть установлено на вершине выступающего участка, а ширина поверхности реза выступающего участка должна быть как можно меньшей. Это ключевые факторы хорошего качества обработки. Количество впрыскиваемого вспомогательного газа также влияет на объем плавки. Для минимизации расхода вспомогательного газа следует выбирать сопло меньшего диаметра.

   Кроме того, в таких сценариях резки поддержание определенного расстояния между соплом и поверхностью заготовки может очень затруднить контурную обработку с помощью емкостного датчика. В этом случае контурирование следует выполнять с помощью контактного датчика и ограничивать контурирование над выступающими участками.

3.8 Улучшение шероховатости поверхности толстых листов

Явление:
при резке толстых пластин из углеродистой стали шероховатость режущей поверхности в начальной точке разреза напрямую влияет на шероховатость режущей поверхности от средней до нижней части пластины. Если шероховатость первого разреза хорошая, шероховатость расширенной режущей поверхности также будет хорошей; если шероховатость первого разреза плохая, шероховатость средней и нижней частей режущей поверхности также будет плохой.

Причина:
Как показано на рисунке 3.17-1, шероховатость режущей поверхности при первом разрезе определяется лазерным излучением, диапазоном распространения горения от точки контакта A передней кромки режущей кромки и степенью плавления. Расплавленный металл, образующийся наверху, будет течь вниз, вызывая реакцию горения, что приводит к более глубокому резанию. Явление лазерного плавления прогрессирует по мере продвижения лазера по поверхности заготовки (резка): (а) горение начинается в точке А и распространяется;
(б) Скорость горения V предшествует скорости продвижения лазера;
(c) Горение прекращается в точке B с более низкой температурой;
(d) Лазер достигает точки остановки B.
Этот процесс повторяется до тех пор, пока цель резки не будет достигнута. Чтобы улучшить шероховатость поверхности разреза, необходимо остановить распространение горения, которое начинается и распространяется на этапе (а).

 

 

Кроме того, снижение чистоты вспомогательного кислорода может привести к ухудшению окислительных реакций горения или снижению текучести расплавленного материала. Решение этой проблемы смотрите в других разделах.

Решение:
Чтобы свести к минимуму распространение горения вокруг лазерного луча на начальном разрезе, лазерное облучение должно быть прерывистым, чтобы обеспечить прерывистое плавление и горение. Однако для непрерывной резки необходимо повторять прерывистое облучение через очень короткие промежутки времени.

На Рисунке 3.17-2 сравниваются внешний вид и шероховатость поверхности разрезов на материале SS400 толщиной 12 мм при настройках лазера в условиях высокочастотного импульса (HPW) с частотой 1300 Гц и в условиях непрерывного излучения (CW). Можно заметить, что при обработке HPW как верхняя, так и средняя часть режущей поверхности достигают хорошей шероховатости поверхности.

 

 

Мы Qiaolian Laser Technology Co. Ltd является профессиональным производителем станков для лазерной резки. Наша продукция включает в себя станок для лазерной резки с одним столом,обменный станок для лазерной резки, станок для лазерной резки листов и труб, профессиональный станок для лазерной резки труб, крупноформатный портальный станок для лазерной резки  и т. д. Мощность лазера: 6 кВт/12 кВт/15 кВт/20 кВт/30 кВт/40 кВт/60 кВт/80 кВт/100 кВт и т. д.
Наша продукция экспортируется в США, Мексику, Германию, Венгрию, Польшу, Россию, Казахстан, Испанию, Индию, Южную Корею, Малайзию, Сингапур, Индонезию, Тайвань и другие страны и регионы.

Пожалуйста, свяжитесь со мной, чтобы получить бесплатное предложение прямо сейчас.