Lazer kesim işlemi - karbon çelik malzeme

I. Karbon Çelik Malzemelerin Kesilmesi

1.1 Delik Çeşitleri ve Kesme Prensipleri

Olgu :
Perforasyon türleri temel olarak darbe işlemeyi ve sürekli dalga (CW) işlemeyi içerir (Şekil 3.1-1'de gösterildiği gibi). Delme işlemi, lazer ışınının malzemenin (1) yüzeyini ışınlayıp ısıtmasıyla başlar, daha sonra kademeli olarak malzeme (2)~(4) içine doğru derinleşir ve son olarak delme işlemi (5) sürekli ve kesintisiz bir şekilde tamamlanır.

• CW Koşulları : CW koşullarını kullanırken, işleme açıklığını genişletmek için odak noktası malzeme yüzeyinin (2 > 0) üzerine ayarlanmalıdır. Delik derinleştikçe odak noktası delik tamamlanana kadar kademeli olarak aşağı doğru hareket eder.

• Darbe Koşulları : Darbe koşullarını kullanırken, ısı girdisinin bastırılmasına yardımcı olur, böylece küçük açıklık işleme etkisi elde edilir.

 

 

[Prensip]

1. Darbe Koşulları Kullanılarak Perforasyon
   Karbon çeliği malzemenin kalınlığı 9 mm'yi aştığında, darbe koşulları altında delme işlemi yapılırsa işlem süresi önemli ölçüde artacaktır. Bununla birlikte, delikli deliğin çapı yalnızca yaklaşık 0,4 mm olacaktır; bu, kesilen dikişten daha dardır ve ısıdan etkilenen bölge de daha küçük olacaktır. Şekil 3.1-2, lazer ışınlaması perforasyonun ortasında durdurulduğunda morfolojiyi gösterir; bu, perforasyonun ilerleyişini kontrol etmek için kullanılır. Darbeli perforasyon, malzemeyi eriten (veya buharlaştıran), erimiş malzemeyi boşaltan ve soğutan, böylece perforasyonu kademeli olarak derinleştiren lazerin tekrar tekrar ışınlanması ve durdurulmasıyla elde edilir. Eritme ve boşaltma işlemleri arasında zamanlama farklılığı varsa, bu durum erimiş metalin yukarı doğru sıçramasına veya delme süresinin uzamasına neden olabilir. Frekans 100 ila 200 Hz aralığında olduğunda darbenin tepe gücü ne kadar yüksek ayarlanırsa delikli deliğin kalitesi de o kadar iyi olur. Daha yüksek bir frekans kullanılırsa yalnızca eritme kapasitesi artarken, erimiş metalin boşaltılması ve soğutulmasının verimliliği düşer.

 

2. CW Koşullarını Kullanarak Perforasyon

Sürekli dalga (CW) koşulları altında delik açarken büyük miktarda erimiş metal yukarıya doğru sıçrama eğilimi gösterir. Erimiş metal yukarıdaki son derece küçük delikten boşaltılamazsa aşırı yanma meydana gelebilir. CW perforasyonunun dezavantajı, önemli miktarda erimiş metalin iş parçasının yüzeyine sıçramasıdır, ancak avantajı, işlem süresini büyük ölçüde azaltabilmesidir. Şekil 3.1-3, farklı nozul çaplarına sahip CW çıkışı kullanılarak 12 mm kalınlığındaki SS400 malzemesinin perforasyon sonrası yüzeyinin ve arkasının fotoğraflarını göstermektedir. Meme çapı, delikli alana püskürtülen oksijen aralığına karşılık gelir. Meme çapı ne kadar büyük olursa, delikli deliğin çapı da o kadar büyük olur.

3. Diğerleri

Normal koşullar altında perforasyon koşulları, darbe koşullarında veya CW koşullarında (veya her iki koşulda) perforasyonun ilerlemesi gözlemlenirken ayarlanır. İdeal delme etkisi, küçük bir açıklık ve kısa bir işlem süresi ile karakterize edilir.

 

1.2 Perforasyon Süresini Kısaltma Yöntemleri

fenomen

Perforasyon süresini kısaltma yöntemleri perforasyonun tipine göre değişmektedir.

1. Nabız Durumu Perforasyonu

Perforasyon için darbe koşulları kullanıldığında, lazer ışınımı darbeli olarak uygulanır. İyi bir etki ancak lazer ışınlaması sırasındaki erime ve buharlaşmanın duraklama sırasındaki soğutmayla iyi bir şekilde eşleştirilmesi durumunda elde edilebilir. Odak noktası yalnızca erime ve buharlaşmayı arttırmaksa, bu kolaylıkla aşırı yanmaya neden olabilir; tersine, eğer sadece soğutma etkisi vurgulanırsa delme süresi uzayacaktır.

2. CW Durumu Perforasyonu

CW perforasyonu aşırı yanma fenomenine neden olma eğilimindedir. CW perforasyonunun avantajı, perforasyon süresini kısaltabilmesidir, ancak plakanın kalınlığı arttıkça erime aralığı genişlemeye devam edecek ve bu da işleme kalitesini etkileyecektir.

3. Perforasyon İlerlemesine Göre Koşulların Ayarlanması

Perforasyon işleminde, lazer ışınımının miktarı çok yüksek veya çok düşük olduğunda, optimum koşullar elde edilene kadar işleme durumu gözlemlenerek koşullar ayarlanmalıdır.

Nedenleri ve Karşı Önlemler

1. Darbe Modu Perforasyonu

Eritme kapasitesinin ve soğutma kapasitesinin arttırılması için kısa sürede büyük miktarda enerjinin ışınlanması ve ışınlama sonrasında yeterli soğuma süresinin sağlanması gerekmektedir. Şekil 3.2-1 ve 3.2-2'de gösterildiği gibi, yüksek tepeli dikdörtgen darbe dalga formuna sahip darbe ışınlamasının etkisi idealdir. Erime için gereken enerji, çarpımı olarak ifade edilir $E$ ve ışınlama süresinin $T$. Üçgen dalga darbeleriyle karşılaştırıldığında, dikdörtgen dalga darbeleri aynı enerjiyi elde etmek için ışınlama süresinin yarısını gerektirir, bu da iş parçasına daha az ısı girişi sağlar ve böylece aşırı yanma olasılığını azaltır. Şekil 3.2-3, darbe tepe gücünün ve darbe ortalama gücünün, 6 mm kalınlığındaki SS400 malzemedeki perforasyon üzerindeki etkisini gösterir; burada daha yüksek darbe tepe gücü, daha kısa delme süresiyle sonuçlanır.

 

 

 

2. CW Modu Perforasyonu

Plaka kalınlığı 12 mm'yi aştığında daha küçük çaplı bir nozul seçilmesi tavsiye edilir. Kesim yüzeyi kalitesinin ön planda tutulduğu kalın levha kesimlerinde delme ve kesme için ayrı nozullar seçilmelidir.

3. Perforasyon İlerlemesine Göre Koşulların Ayarlanması

Koşulları ayarlarken, delikli kısımdaki erimiş durumun parlaklığı sensörler kullanılarak gözlemlenebilir. Eriyik aralığı genişleme eğilimi gösteriyorsa lazer yoğunluğu azaltılmalıdır; tersine erime etkisi azalırsa lazer yoğunluğunun arttırılması gerekir. Bu yaklaşım küçük çaplı, yüksek hızlı perforasyon elde etmeyi amaçlamaktadır.

 

1.3 Perforasyon Kusurlarını Giderme Yöntemleri

Olay
Delinme kusurlarına neden olan ana faktörler arasında meydana gelme anı, meydana gelme yeri, meydana gelme zamanı ve malzemenin kendine özgü faktörleri yer alır. Temel faktörlerin analizi için Tablo 3.3-1'e bakın.

Nedenleri ve Karşı Önlemler

1. Kusurun Ortaya Çıkma Anı
   Kusurun ne zaman oluştuğunu (delme işleminin ortasında mı yoksa kesme başladığında delme işleminden hemen sonra mı meydana geldiğini) belirlemek önemlidir. Arıza yarı yolda oluşuyorsa, delinmenin hemen başlangıcında mı yoksa diğer koşullara geçiş sırasında mı olduğunu kontrol edin ve buna göre ayarlayın. Kusur, delme işlemi bitmeden hemen önce meydana gelirse, bunun nedeni, delik tamamen delinmeden önce delme işleminden kesme koşullarına geçiş yapılması olabilir. Bu durumda perforasyon süresinin uzatılması gerekir. Kusur, kesme işleminin hemen başında ortaya çıkıyorsa, bunun nedeni, delikli alanın etrafında biriken ve kesme işlemini dengesiz hale getiren birikinti olabilir. Bu gibi durumlarda darbe koşulları kesimin başında ayarlanmalıdır.

2. İşleme Kusurunun Konumu
   Delik kusurları işleme platformunun belirli bir alanında yoğunlaşmışsa, bunun nedeni lazer ile meme merkezi arasındaki ayar gerektiren bir yanlış hizalama olabilir.
   Delik açma konumları yoğun olduğunda veya kesme hattına yakın olduğunda delikli alan kolaylıkla yüksek sıcaklıkta olabilir. Şekil 3.3-1, 12 mm kalınlığındaki SS400 malzeme kullanılarak, malzemenin sıcaklığı oda sıcaklığından 200°C'ye çıkarıldığında çeşitli sıcaklıklardaki işleme sonuçlarını göstermektedir. Veriler, her sıcaklıkta 50 deliğe dayalı olarak aşırı yanma oranını göstermektedir. Artan sıcaklıklarla birlikte işleme kusurlarının arttığı gözlemlenebilir. İşleme kusurlarını azaltmak için işleme mümkün olduğunca malzemenin soğutulmuş halinde yapılmalı ve işleme rotası en uygun şekilde tasarlanmalıdır.

 

 

3. Kusurun Oluşma Zamanı

İşleme süresi ilerledikçe işleme kusurları artıyorsa, soğutma süresini artırmanın normal çalışmayı geri getirip getiremeyeceğini gözlemleyin. Eğer öyleyse, bu, optik bileşenlerde termal mercek etkisinin oluştuğunu ve optik bileşenlerin bakımının gerekli olduğunu gösterir. Ancak soğutma süresinin arttırılması sorunu çözmezse, bunun nedeni osilatördeki bir arıza olabilir ve çıkış gücünde dalgalanmalara neden olabilir. Bu gibi durumlarda satış sonrası servis departmanıyla iletişime geçin.

4. İşleme Kusurlarına Neden Olan Malzeme

Kusurun malzemeden kaynaklanıp kaynaklanmadığını belirlerken öncelikle malzemenin daha önce kullanılıp kullanılmadığını kontrol edin. Daha önce kullanılmışsa, kusurun muhtemelen işleme makinesindeki veya optik bileşenlerdeki bir arızadan kaynaklanması nedeniyle işleme koşullarını ayarlamaya gerek yoktur.

Şekil 3.3-2, çeşitli üreticiler tarafından üretilen 16 mm kalınlığındaki SS400 malzemesinin delme işlemi sırasında nüfuz etmesi için gereken süreyi göstermektedir. Malzeme kalitesi değişirse sürekli işlemeden önce delme süresini onaylayın veya biraz daha uzun bir genel işlem süresi ayarlayın.

 

II. Kesim İşleminde Aşırı Yanmayı Çözme Yöntemleri

 

2.1 12mm Kalınlık ve 25mm Kare Şekilleri İşlerken Sıklıkla Oluşan Aşırı Yanmayı Giderme Yöntemleri

[Olay]

Karbon çeliği malzemeleri keserken, işlenen şeklin keskin köşeleri varsa keskin köşeler erimeye veya aşırı yanmaya eğilimlidir. Malzeme kalınlığı arttıkça kesme hızı düşer ve kesme sırasında oluşan ısı malzeme içinde birikerek malzeme sıcaklığının yükselmesine neden olur ve keskin köşelerin sık sık erimesine veya aşırı yanmasına neden olur.

[Sebep]

Şekil 3.4-1'de gösterildiği gibi, iyi bir kesme işleminde, lazer tarafından üretilen termal enerji ve oksidasyon yanması tarafından üretilen termal enerji, aynı zamanda etkili bir şekilde soğutulan işlenen malzemeye etkili bir şekilde dağıtılır. Soğutma yetersizse aşırı yanma meydana gelir. Keskin köşelerin hacmi daha küçük ve ısı yayılım alanı daha dar olduğundan sıcaklık kolayca yükselerek aşırı yanmaya neden olur. Ayrıca delme sırasında deliğin iç duvarı tarafından emilen lazer, çok küçük bir alanda sıcaklığın keskin bir şekilde yükselmesine neden olur ve bu da kolaylıkla aşırı yanmaya neden olur.

 

[Çözüm]

(1) Birden fazla küçük boyutlu şekli işlerken, işlem ilerledikçe ısı birikmeye devam edecek ve işlemin son kısmında aşırı yanmanın meydana gelme olasılığı artacaktır. Şekil 3.4-2'de gösterildiği gibi çözüm, tek yönde sürekli hareketi önlemek için işleme yollarını mümkün olduğunca yaymaktır. Bu, ısının daha etkili bir şekilde dağılmasını sağlar. İşleme yolları, işlenen gerçek şekle göre optimize edilmelidir.

(2) Şekil 3.4-3'te gösterildiği gibi, aşırı yanma keskin köşelerde yoğunlaşmışsa işleme şeklindeki keskin köşelerin küçük yarıçaplarla (R) değiştirilmesiyle etkili bir şekilde önlenebilir. R yarıçapı ne kadar büyük olursa, önleme o kadar etkili olur. Malzemenin kalınlığı arttıkça R yarıçapının da buna uygun olarak arttırılması gerekir.

 

(3) Lazer ışını geçtiğinde işleme alanı zaten yüksek sıcaklıkta olduğundan (Şekil 3.4-4'te gösterildiği gibi), işleme sırasında sıcaklık arttıkça keskin köşelerde erime yaşanma eğilimi gösterir. Lazer ışınının ilerleme hızı, ısı iletim hızından daha hızlıysa, kesme işlemi malzeme aşırı ısınmadan tamamlanabilir ve erime etkili bir şekilde önlenir.

 

Tipik koşullar altında erimeye neden olan ısı iletim hızı yaklaşık 2m/dakikadır. Kesme hızı 2 m/dak'dan büyükse genellikle erime gerçekleşmez. Bu aynı zamanda kalınlığı 6 mm'den az olan karbon çeliği malzemelerdeki keskin köşelerin daha az erime yaşamasının nedenidir. 9 mm'den kalın karbon çeliği malzemeler için aynı etkiyi elde etmek, 4kW'ın üzerinde çıkış gücüne sahip, yüksek çıkış gücüne sahip bir osilatör gerektiren bir işleme koşulunun kullanılmasını gerektirir.

(4) Azot veya hava gibi yardımcı gazlar kullanılırsa oksidasyonla yanma reaksiyonları meydana gelmeyecek ve dolayısıyla erime veya aşırı yanma genellikle meydana gelmeyecektir.

2.2 16mm Kalınlıktaki Plakalarda Aşırı Yanma Nedenlerinin Belirlenmesi: İş Parçası Nedenleri

[Olay]

Kontrolsüz ısıdan kaynaklanan aşırı yanmanın nedenlerini belirlemek için, işleme olgusu, her adımda altta yatan nedenleri bulmak üzere adımlara bölünmelidir.

Lazer kesim işlemi akışı Şekil 3.5-1'de gösterilmektedir:

1. Lazer malzemenin yüzeyine yönlendirilir.
2. Lazer emilir ve erimeye neden olur.
3. Yardımcı gazın yanma desteği nedeniyle erimiş kısım yanar.
4. Yanma malzemenin kalınlığına doğru daha da genişler.
5. Erimiş metal kesilen dikişten dışarı atılır.

Bu işlemler kesme hedefine ulaşılıncaya kadar sürekli olarak tekrarlanır.

 

 

Aşırı yanmanın nedenleri işleme makinesi veya iş parçasıyla ilgili sorunlara bağlanabilir. Özellikle:

• Makineyle ilgili nedenler ① ve ③ adımlarında kendini gösterir.
• İş parçasıyla ilgili nedenler ②, ④ ve ⑤ adımlarında kendini gösterir.

[Nedenler ve Karşı Önlemler]

1. Lazer Emilimiyle İlgili Nedenler

   Lazer kesim işlemindeki dengesizlik ② aşırı yanmaya neden olabilir. Malzemenin yüzey oksidasyon katmanı (ölçek) zayıf bir şekilde yapışmışsa veya düzgün değilse, malzemenin lazeri emmesi tutarsız olacak ve bu da dengesiz ısı oluşumuna neden olacaktır. Şekil 3.5-2, lazer aynı malzemenin üstüne ve altına uygulandığında kesme yüzeylerinin karşılaştırmasını göstermektedir. Malzemenin yüzeyindeki oksidasyon tabakasının durumunun kesme yüzeyi kalitesini etkilediğini göstermektedir. Malzemeyi yerleştirirken, yüzey durumunu dikkatlice kontrol edin ve daha iyi oksidasyon tabakası yukarı bakacak şekilde tarafı konumlandırın.

 Üst ve alt yüzeylerin keyfi olarak ayarlanamadığı malzemeler için ikincil bir kesme yöntemi kullanılabilir. Bu, ana kesmeye devam etmeden önce ilk olarak malzemenin düzgün olmayan yüzeyini düzeltmek için lazer enerjisinin kullanılmasını içerir. Özellikle şunları yapacaksınız:

1. İlk Yüzey İşlemi : Lazerin enerji yoğunluğunu, yalnızca malzemenin yüzeyini eritmek için gereken seviyeye düşürün. Erimiş genişliğin kesilen dikişten biraz daha geniş olmasını sağlayarak kesme yolu boyunca yüzeyi eritin.

2. Ana Kesme : Kesme işlemini tamamlamak için standart kesme koşullarına geçin.

Şekil 3.5-3, tek kesme yöntemi ve ikincil kesme yöntemi kullanılarak kesilen numuneleri karşılaştırmaktadır. Bu, ikincil kesme yöntemiyle elde edilen kesme yüzeyi kalitesinin, yüzeyi iyi korunan malzemelerinkine esasen eşdeğer olduğunu göstermektedir.

 

2. Kalınlık Yönünde Yanma veya Erimiş Metalin Fırlatılmasına İlişkin Nedenler

Bu neden lazer kesim proseslerinde ④ ve ⑤ kararsızlığa yol açar. Malzemenin iç bileşimindeki değişiklikler yanma reaksiyonu ısısını veya erimiş metalin akış durumunu etkileyebilir. Yerli Japon tedarikçiler tarafından üretilen malzemeler genellikle işleme performansında çok az farklılık gösterir. Ancak yurt dışındaki tedarikçilerden gelen malzemeler işleme performansında önemli farklılıklar gösterebilir. Şekil 3.5-4, aynı güç çıkışı ve kesme hızı koşulları altında 16 mm kalınlığındaki karbon çeliğinin kesilmesinin karşılaştırmasını göstermektedir. Yurtdışı tedarikçilerden daha yüksek Si veya Mn içeriğine sahip malzemeler kullanılıyorsa, kurulum sırasında odak konumuna ve yardımcı gaz basıncı ayarlarına özellikle dikkat edilmelidir.

 

2.3 16mm Kalınlığında Plakalarda Aşırı Yanma Nedenlerinin Belirlenmesi: Makineden Kaynaklanan Nedenler

[Nedenler ve Karşı Önlemler]

1. Yardımcı Gaz Sorunları (Şekil 3.6-1)

   (1) Düzensiz Oksijen Akışı : Eğer oksijen erimiş metalin etrafına düzgün bir şekilde yönlendirilmezse, erimiş metalin yanma verimliliği ve akışı eşit olmayacak ve değişen kesme yönleri nedeniyle aşırı yanmaya yol açacaktır. Lazer ışınının yanlış hizalanması, meme deformasyonları veya cüruf birikmesi gibi sorunlar yardımcı gaz akışını bozabilir. İlk önce memenin durumu kontrol edilmelidir.

   (2) Düşük Gaz Saflığı : Tüm kesme yüzeyleri kalitesizse, bunun nedeni oksijen tankındaki düşük gaz saflığı olabilir ve bu da kesim yüzeyinin alt kısımlarının pürüzlü ve cüruflu olmasına neden olabilir. Malzeme kalınlığı arttıkça yardımcı gaz saflığının işleme kalitesi üzerindeki etkisi daha belirgin hale gelir. Bu sorunu teşhis ederken daha önce doğruluğu onaylanmış bir gaz deposu kullanın.

 

2. Lazer Sorunları (Şekil 3.6-2)

(1) Kesim Sırasında Yön Sorunları : Kesim sırasında yön tutarsızlıkları gözlemlenirse, bunun nedeni büyük olasılıkla lazer ışınının yuvarlaklığı veya yoğunluk dağılımındaki sorunlardan kaynaklanmaktadır. Lazerin yoğunluğu metali eritme yeteneğini doğrudan etkiler. Kirişin yuvarlaklığı veya yoğunluk dağılımıyla ilgili sorunlar varsa, yanma verimliliği kesme yönündeki değişikliklere göre değişecek ve aşırı yanmaya yol açacaktır. Bu durumda ışın modunun şeklinin kontrol edilmesi gerekir.

(2) Genel Olarak Zayıf Kesme Yüzeyi Kalitesi : Bu, merceğin yetersiz odaklanmasına bağlanabilir. Eritilmesi gereken bölgelerdeki sıcaklık mümkün olduğu kadar yüksek, erimeyen bölgelerdeki sıcaklık ise mümkün olduğu kadar düşük olmalıdır. Bu sıcaklık sınırlarında enerjideki değişiklikler aşırı yanmaya neden olabilir. Yetersiz odaklanma, lens veya PR aynalarındaki anormalliklerden ya da optik yol veya yansıtıcı aynalarla ilgili sorunlardan kaynaklanabilir.

 

 

3. Diğer Nedenler (Şekil 3.6-3)

(1) Zamanla Kalitenin Düşmesi : İşlem ilerledikçe kesimin kalitesi kötüleşirse, bunun nedeni malzemede ısı birikmesi olabilir, bu da malzeme sıcaklığının yükselmesine ve aşırı yanmaya neden olabilir. Bu gibi durumlarda aşırı ısı yoğunlaşmasını önlemek için kesme yolu dağınık bir rotaya ayarlanmalıdır.

(2) Uzun Kesim Yollarının Sonraki Aşamalarında Kalite Bozulması : Daha uzun bir kesme yolunun ikinci yarısında kalite bozulmaya başlarsa, bunun nedeni lensteki veya PR aynalarındaki lazeri emen ve termal mercekleme etkilerine neden olan kirletici maddeler olabilir. Merceği veya PR aynalarını ve diğer optik bileşenleri temizleyin. Temizleme sorunu çözmezse optik bileşenlerin değiştirilmesi gerekebilir.

(3) Kesim Platformunun Belirli Alanlarındaki Kusurlar : Kesim platformunun belirli bir alanında kusurlar meydana gelirse bunun nedeni optik yoldaki yanlış hizalama olabilir. Bu yanlış hizalama, kesme konumu hareket ettikçe nozül merkezinin lazer merkezinden sapmasına neden olarak aşırı yanmaya neden olabilir. Bu durumda optik yol hizalamasını ayarlayın.

 

 

 [Nedenler]

Şekil 3.8-2'de gösterildiği gibi delme, bir lazerin malzemenin yüzeyine yönlendirilmesini ve bir delik oluşturmak için erimiş metalin kademeli olarak uzaklaştırılmasını içerir. Çıkış gücü, erime işlemini hızlandırmak için çok yüksek ayarlanırsa delme sırasında oluşturulan küçük delik, erimiş metali yeterince hızlı bir şekilde dışarı atamayabilir ve bu da malzemede ısı birikmesine neden olabilir. Ek olarak, Şekil 3.8-3'te gösterildiği gibi, delik çapı 0,3 ila 0,5 mm aralığında olduğunda delik duvarları lazeri yüksek oranda absorbe eder. Bu, küçük deliğin çevresinde çok yüksek sıcaklıklara neden olur ve daha kalın plakalarla, deliğin iç duvarlarındaki lazer emiliminin derinliği artar, bu da delik çevresinde daha da yüksek sıcaklıklara neden olur.

 

Çapı 0,3 ila 0,5 mm olan delikler açılırken kesilen dikişin genişliği genellikle 0,5 ila 0,8 mm'dir. Delme işleminden hemen sonra kesme işlemine başlamak, erimiş metal hacminin artmasına neden olabilir. Bu durumda, küçük delik hızla genişleyen erimiş metali barındıramayabilir ve bu da ters püskürtme olgusuna neden olabilir.

 

 

 

3. Karbon Çeliğini Kesmek İçin Kiriş Modu ve İşleme Yöntemleri

3.1 Kalın Karbon Çelik Plakaların Kesilmesi İçin Uygun Işın Modu

Olgu: İnce plakaların yüksek hızda kesilmesinde, yüksek erime kabiliyetine sahip odaklanmış ışın modu daha uygundur. Tipik olarak, lazer kesimde kısa odak uzaklığına sahip merceklerle odaklanan tek modlu (TEM) ışınlar kullanılır. Bununla birlikte, kalın plaka kesiminde, sadece erime kapasitesinin arttırılması, erimiş metalin çentikten etkili bir şekilde dışarı atılması için yeterli değildir ve yüksek kaliteli kesme koşullarına ulaşma marjı oldukça dardır. Şekil 3.10-1, tek modlu (TEM) ve çok modlu (TEM) kirişler kullanılarak 12 mm kalınlığında karbon çeliği keserken işleme koşulları marjını karşılaştırmaktadır. Çok modlu ışınlar kullanıldığında işleme koşulu marjının daha geniş olduğunu gösterir.

 

  Sebep:

Kalın karbonlu çelik levhaların kesilmesinde kiriş modu, çentik şeklinin belirlenmesinde belirleyici bir rol oynar. Şekil 3.10-2 ışın moduyla ilgili iki ana faktörü göstermektedir

  

 

1. Erime ve Yanma Aralığının Sınırlandırılması

Kalın levhaları kesmenin anahtarı, lazer ışınımıyla eritilmesi gereken alanın yüksek sıcaklığa ulaşmasını, eritilmesi gerekmeyen alanın ise mümkün olduğunca soğuk kalmasını sağlamaktır. Özellikle kesimin başlangıç ​​noktasında iş parçası yüzeyindeki erime olayı ışın modundan doğrudan etkilenir. Lazer ışınımı noktasında erime, lazer yoğunluğunun en yüksek olduğu merkezden başlar ve ışın modunun enerji yoğunluğunun düşük olduğu yerde durarak dışarıya doğru yayılır. Işın modunun eğim bölümündeki enerji yoğunluğu dağılımının eğim açısı $heta$ , çentiği çevreleyen alana o kadar az ısı aktarılacaktır. Tersine, eğim açısı $heta$ küçükse, çentikteki erimenin olması gereken yerde durması zorlaşacak ve yanma aralığının genişlemesine neden olarak kontrolsüz ısınmaya ve aşırı yanmaya yol açacaktır. Kerf genişliğinin sınırındaki sıcaklık çok yüksekse, yanmanın kerf genişliği sınırında durdurulması zor olacaktır çünkü yanma, çentik merkezinden dışarıya doğru yayılır ve sonuçta aşırı yanmaya neden olur. Tek ışın moduyla karşılaştırıldığında, çok ışın modu eğim bölümünde daha dik bir eğime sahiptir, bu da merceğe daha az yük bindirerek kalın plakaların kesilmesi için daha uygun olmasını sağlar.

2. Kerf İçinde Çoklu Yansımalar

Lazer iş parçasını ışınladığında, kesme işlemini kolaylaştıracak şekilde çentik içinde birden fazla yansımaya maruz kalır. Lensin odak uzaklığı, lazerin iş parçasını ışınladığı açıyı ve çoklu yansıma durumunu etkiler. Merceğin odak uzaklığı ne kadar uzun olursa, çentik genişliğinde yukarıdan aşağıya doğru değişiklik o kadar küçük olur, bu da kalın plakaları kesmek için avantajlıdır. Bununla birlikte, merceğin odak uzaklığı ne kadar uzun olursa, ışın modunda eğimin eğimi o kadar küçük olur ve odak uzaklığının ışın modu ile birlikte seçilmesi gerekir.

3.2 Kalın Karbon Çelik Plakaların Kesimi İçin En Uygun Nozulu Seçmek

Olgu:
Kalın karbonlu çelik levhaların kesilmesi öncelikle bir oksidasyon reaksiyonuna dayanır, bu da yardımcı oksijenin saflığının yönetimini son derece önemli hale getirir. Bu daha önce tartışılmıştı. Oksijenin saflığı kesme işleminin başında azalmakla kalmaz, kesme işlemi sırasında da azalmaya devam eder, bu da kesme kalitesinin düşmesine ve kesme hızının düşmesine neden olur ve bu da iyileştirme gerektirir.

Sebep:
Şekil 3.11-1'de gösterildiği gibi yardımcı gaz iş parçasının üzerinden püskürtülmektedir. Hava akışı malzemenin yüzeyi ile çarpıştığında türbülans meydana gelir. Hava akımı çentik içine girerken, plaka kalınlığı yönünde yanma ve havanın çentik içine karışması, gaz saflığının kerfin merkezinden aşağıya doğru azalmasına neden olacaktır. Bu etki özellikle plaka kalınlığı arttıkça veya kesme hızı arttıkça belirginleşir. Kesme cephesinin alt kısmı kesme yönünde geride kalacak ve gaz saflığındaki düşüş işlemeyi büyük ölçüde etkileyecektir.

  

 

 Çözüm:
Standart tek delikli nozul kullanılırsa, oksijenin işleme alanı üzerindeki koruyucu etkisini arttırmak için nozülün çapı artırılabilir. Ancak bu yaklaşımın, kontrol edilebilir ve ayarlanabilir hava akışı ve gaz basıncı aralığını daraltarak cürufun lense sızmasını ve kirlenmesini kolaylaştırması gibi dezavantajları vardır.

Şekil 3.11-2 çift yapılı bir nozulun kullanımını göstermektedir. Çift ağızlığın kullanılması oksijenin kesme alanını korumasına izin vermekle kalmaz, aynı zamanda plaka kalınlığı yönünde oksijen saflığının korunmasına da yardımcı olur. Dış nozülden yayılan oksijen, merkezi nozülden püskürtülen yanmayı destekleyen gaza yardımcı olur. Ancak hava akışı özelliklerinin ayarlanması öncelikle merkezi nozül aracılığıyla yapılır.

 

İkili nozulun görevleri şu şekildedir: Merkezi nozuldan yayılan oksijen, yanmanın malzeme yüzeyinden aşağıya doğru daha derinlere nüfuz etmesine neden olur ve yanma işlemi sırasında gaz saflığı azalır. Daha sonra dış nozul, saflığın azaldığı gazı takviye eder. Ek olarak, kesme işlemi ilerledikçe dış nozuldan yayılan yardımcı oksijen, dış gazların çentikten sızmasını engellemeye yardımcı olur.

Malzeme ne kadar kalın olursa, plakanın alt kısmındaki oksidasyon reaksiyonu o kadar geride kalacaktır. Kesme ön kısmının alt kısmı işleme yönünün gerisine düştüğünde oksijen jetinin menzilinin dışına çıkacaktır. Benzer şekilde, kesme hızı arttırıldığında, kesme ön kısmının alt kısmı da oksijen jetinin menzilinin dışına çıkarak işleme yönünün gerisinde kalacaktır. Kesme ön kısmının alt kısmındaki bu gecikme olgusunu gidermek için, ikili ağızlık, havanın işleme alanına sızmasını önlemek üzere ikili ağızlıktan yayılan oksijeni etkili bir şekilde kullanabilir.

3.3 Kalın Plaka Kesimi Sonunda Erime Hasarını Önleme Yöntemleri

Olgu:
Kalın karbonlu çelik levhaların kesilmesinde, kesme işleminin sonunda erime hasarının meydana gelmesi yaygındır. Diş açma gibi işlemlerde kalite gereksinimlerine bağlı olarak eriyen bölgelerin onarılması gerekebilmektedir. Bu özellikle malzemenin kalın olduğu ve delik çapının küçük olduğu ve erime hasarı miktarının önemli olabileceği durumlarda geçerlidir.

Sebep:
Şekil 3.12-1'de gösterildiği gibi, işleme yerindeki ısı iletimi kesme hızından daha hızlı olup, ısının lazerin önünde hareket etmesine neden olmaktadır. İşleme uç kısma yaklaştığında ısı iletim alanını kaybeder ve uç kısmı yüksek sıcaklık durumunda bırakır. Bu noktada oksijen verilmeye devam edilirse aşırı yanmaya neden olabilir ve bu da erime hasarına neden olabilir.

 

 

Çözüm:

Kalın plaka kesiminin sonunda erime hasarını önlemeye yönelik yöntemler şunları içerir:
(1) Erime hasarı oluşmadan önce işlemeyi durdurun;
(2) Isı girdisini azaltın;
(3) Oksidasyon reaksiyonunu bastırın;
(4) Sıcaklık yükselmeden önce işlem yapın;
(5) Tazminat.

(1) Erime hasarı oluşmadan önce işlemeyi durdurun → Mikro bağlantılar ekleyin
Küçük bir kısmı kesilmeden (mikro bağlantılar) bırakarak kesme işlemini tamamlanmadan hemen önce durdurun. Mikro bağlantıların miktarı (i) malzemenin kalınlığı, (ii) kesimin şekli, (iii) malzeme türü ve (iv) çentik genişliği (odak konumu, mercek odak uzaklığı) gibi faktörlere göre belirlenmelidir.

(2) Isı girişini azaltın → Daha düşük ısı girişi olan darbe koşullarına geçin
Erime hasarına eğilimli parçadaki koşulları, daha düşük ısı girişi olan darbe koşullarına değiştirin. Darbe koşulları için (i) düşük frekans, (ii) düşük görev döngüsü, (iii) düşük hız ve (iv) düşük gaz basıncı gibi parametrelerin ayarlanması, ısı girişini etkili bir şekilde bastırabilir.

(3) Oksidasyon reaksiyonunu bastırın → Hava veya nitrojen kullanın
Oksijenden gelen oksidasyon reaksiyonu ısısı kesme performansını artırabilse de uç kısımda aşırı ısı birikmesine de neden olabilir. İşleme gazının uç kısımda havaya veya nitrojene dönüştürülmesi cüruf kusurlarına neden olsa da oksidasyon reaksiyonu ısısının oluşumunu etkili bir şekilde bastırabilir.

(4) Sıcaklık yükselmeden önce işlem yapın → İşleme hızını artırın
Çıkış gücünü ayarlayarak kesme hızını artırmak için yer varsa, kesme hızı ısı iletim hızından daha hızlı bir seviyeye ayarlanmalıdır. Özellikle kesme hızı 2 m/dak'nın üzerine ayarlanmalıdır.

(5) Telafi → Bir şişkinlik programı ekleyin
Programda, erimiş kısımla aynı miktarda bir şişkinlik ekleyin. Çıkıntı kısmı işlem sırasında eriyecek, sonuçta işlemde denge sağlanacak ve erime hasarı önlenecektir.

 

3.4 Paslı Malzemelerin Kesilmesi Zorluğunun Nedenleri ve Çözümleri

Olgu:
Kalın karbonlu çelik levhaları keserken, genellikle iyi kesilebilen malzemeler bile pürüzlü kesim yüzeyleri üretebilir veya yüzeyde pas varsa aşırı yanma yaşanabilir. Şekil 3.13-1, (a) paslı ve (b) paslanmayan 12mm SS400 malzeme için kesme sonuçlarını göstermektedir.

 

 

  

Şekil 3.13-3'te gösterildiği gibi diğer bir yöntem, malzemenin yüzeyinden hem pası hem de oksit tabakasını çıkarmak için elmas taşlama çarkı kullanmak ve ardından ana metal açığa çıktıktan sonra işleme devam etmektir. Ancak baz metalin (Fe) ısıl iletkenliği oksit tabakasınınkinden daha yüksektir. Bu, lazer veya yardımcı gazdaki hafif bozuklukların bile aşırı yanma olasılığını artırabileceği ve aşırı yanma meydana geldiğinde menzilinin geniş olabileceği anlamına gelir. Oksit tabakası lazer kesimde önemli bir rol oynar.

  

3.5 Daha Kaba Karbon Çelik Üzerine Lazer İşaretleme Yapmak İçin İşleme Koşulları

Olgu:
Gemilerde ve köprülerde kullanılanlar gibi, lazer işleminden sonra kalın bir çinko tabakasıyla kaplanması gereken bazı bileşenler için, sıradan lazer işaretler yalnızca yaklaşık 0,1 ila 0,2 mm kadar çıkıntı yapar. Kaplama sonrasında bu işaretler kaybolabilir ve bu durum lazer işaretlerin daha belirgin olmasını gerektirebilir.

Sebep:
Sıradan lazer markalamalar, odak noktası malzemenin yüzeyine ayarlanan yardımcı nitrojen ve düşük güçlü lazerler kullanılarak yapılır ve malzemenin yüzey katmanını eriterek markalama tamamlanır. Bu durumda, gücün arttırılması veya işlem hızının azaltılması, yüzeydeki erimiş alanı genişletecek ancak aynı zamanda erimiş alanın yüzeyini pürüzlü hale getirecektir. Işınlanmış yüzeydeki ışın çapını artırmak için odak noktasının yükseltilmesi, ışın enerjisinin eşit olmayan dağılımına neden olacak ve bu da işlemeyi dengesiz hale getirecektir.

Çözüm:
Şekil 3.14-1'de gösterildiği gibi işaretleri hem kaba hem de derin yapmak için, lazer ışınına maruz kalan alanda yanma ve erime aralığını genişletmek amacıyla oksijenin yanmayı destekleyici etkisinden yararlanın. Eş zamanlı olarak, erimiş metali hızlı bir şekilde uzaklaştırmak için yüksek basınçlı yardımcı gaz koşullarını kullanın.

 İşleme malzemesini eritmek ve yakmak için yüksek basınçlı yardımcı oksijen kullanıldığında, erime olgusu genellikle plaka kalınlığı yönünde içeriye doğru uzanır ve sonuçta kesmeyle sonuçlanır. Bu noktada, yardımcı oksijenin işleme kabiliyetinin kontrol edilerek sadece istenilen markalama derinliğinin elde edilmesi hayati önem kazanmaktadır. Bu, eritme genişliğinin ve derinliğinin kontrol edilmesini gerektirir; bu da meme koşullarının optimize edilmesi gerektiği anlamına gelir.

Şekil 3.14-2'de 250W çıkış gücü ve 1000 mm/dak işlem hızı koşullarında 6mm kalınlığındaki karbon çeliğine yapılan işaretlemeler gösterilmektedir. Kullanılan nozüllerin çapı 2mm ve 1mm idi. 2 mm'lik nozul kullanıldığında işlem kesmeye dönüştü; oysa 1 mm'lik nozül ile derin gravür haline geldi. Daha küçük çaplı bir ağızlık, işaretlemenin yanal genişlemesini destekler ve dikey derinliğini bastırır.

 İşleme sırasında orta miktarda havanın içeri girmesi de yanma reaksiyonunun bastırılmasına yardımcı olur. Kullanılan yardımcı gaz oksijen olduğundan, işlem sırasında erimiş metal oksitlenecektir. Ek olarak, yüksek basınçlı yardımcı gazın enjeksiyonu ile iş parçasının yüzeyi küçük parçacıklardan oluşan bir sprey haline gelecektir (Şekil 3.14-3'te gösterildiği gibi). Ancak odak noktası daha yükseğe ayarlandığından ve nozul işlem yerinden daha uzağa konumlandırıldığından sıçrayan metal nozüle yapışmayacaktır.

 

3.6 Açılı Kesim İşleme Performansı

Olay:
Genel olarak lazer kesim, lazerin malzemenin yüzeyine dik olarak ışın vermesini içerir. İş parçası lazerin eksenine göre eğimliyse veya lazer malzeme yüzeyine belirli bir açıyla yönlendirilirse kesme yüzeyi son derece dengesiz hale gelir. Karbon çelik plakaların oksijenle kesilmesinde, kesme yüzeyinde dar açıda aşırı yanma yaşanacaktır; paslanmaz çelik gibi malzemelerin oksitlenmeyen kesiminde açılı kesim, iş parçasının arkasında cüruf oluşmasına neden olabilir.

Sebep:
Şekil 3.15-1(a), kesme kafası eğildiğinde 12 mm kalınlığındaki SS400 levhanın yüzeyinde ve tabanındaki çentiği göstermektedir. Lazer belirli bir açıyla ışınlandığında iş parçası yüzeyindeki enerji yoğunluğu kesme yönüne göre dengesiz hale gelir. Memeden püskürtülen yardımcı gaz da iş parçası yüzeyine göre eğilirse, çentik içine giren hava akışı türbülanslı hale gelir ve bu da işleme kalitesini etkiler.

İş parçası elemanları açısından bakıldığında kesici kenarların keskin (a tarafı) ve küt (b tarafı) uçları olacaktır. Keskin uç (bir taraf) aşırı ısı biriktirerek aşırı yanmaya yatkın hale gelecektir.

Çözüm:
Şekil 3.15-1(a)'da gösterildiği gibi, 12 mm kalınlığındaki malzeme için eğim açısı 10°'yi aşmadığında iyi kesme kalitesi elde edilir. Şekil 3.15-1(b), SS400 plakaların çeşitli kalınlıkları için kesme kafasının eğim açısı ile maksimum kesme hızı arasındaki ilişkiyi göstermektedir. Eğim açısı ne kadar büyük olursa kesme hızının da o kadar düşük olması gerekir.

 

Aşırı yanma , aşırı yanma nedeniyle meydana gelir ve bunu gidermenin temel etkili önlemi, oksidasyon reaksiyonu ısısını baskılamaktır. Daha küçük kalınlıktaki malzemeler için, oksidasyon reaksiyonlarının bastırılmasına yardımcı olduğundan, yardımcı gaz olarak hava veya nitrojen kullanılarak aşırı yanma önlenebilir. Ancak iş parçasının arkasında cürufun artma eğilimi vardır.

Bir iş parçası üzerinde açılı kesim yapılırken kesme yönü de işleme kalitesi üzerinde önemli bir etkiye sahiptir. Kesme yönü, yükselme ve alçalma yönleriyle sınırlandırıldığında, yükselme yönü, alçalma yönüne kıyasla aşırı yanmaya daha yatkındır.

Alüminyum alaşımları gibi yansıtıcı malzemeler için açılı kesim daha zordur. Lazer ışınının malzeme yüzeyindeki ışınım alanı arttıkça enerji yoğunluğu azalarak yansımalara neden olma olasılığı artar. Üç boyutlu lazer kesimde lazerin daima dik olarak yönlendirilmesi gerekir. Açılı kesim yapılması gerekiyorsa yansımaları önlemek için ışın emici uygulanması gibi önlemler alınmalıdır.

3.7 Desenli Sacların Kesiminde Dikkat Edilmesi Gerekenler

Fenomen:
Desenli metal levhalar genellikle karbon çeliğinden, paslanmaz çelikten veya alüminyum alaşımından yapılır. Desenli bir metal levhayı yükseltilmiş desen yukarı bakacak şekilde keserken, karbon çelik levhalar erimeye daha yatkındır. Şekil 3.16-1, lazer kesim yönü ile erime oluşumu arasındaki ilişkiyi göstermektedir. Kesme yönünün yükseltilmiş arka kısmı erimeye daha duyarlıdır.

 

Nedeni:
Isı iletim hızı kesme hızını aştığında, yükseltilmiş köşelerde ısı birikecektir. Malzeme yüzeyi ile nozül veya işleme merceği arasındaki ilişki yükseltilmiş alanlarda değişerek yardımcı gaz basıncında veya odak konumu koşullarında sapmalara neden olur.

Çözüm:
Desenli çelik levhaların yüksek kalitede kesilmesini sağlamak için aşağıdaki yöntemler uygulanabilir:

1. Yükseltilmiş Alanların Etkisini Azaltın:
   Plakayı yerleştirirken, yükseltilmiş yüzeyi işleme arka yüzeyi (alt yüzey) ve düz yüzeyi lazer ışınlama yüzeyi olarak konumlandırın. Bu, yardımcı gaz basıncındaki veya işleme yüzeyindeki odak konumundaki değişiklikleri en aza indirir. İşleme koşulları ayarlanırken yükseltilmiş alanların yüksekliği dikkate alınmalı ve kesme koşulları maksimum 7 mm levha kalınlığına göre ayarlanmalıdır. İş parçası büyük bir plakaysa, onu çevirmek için gereken çaba önemli olabilir, ancak bu, erimeyi azaltmak için etkili bir yöntem olmaya devam etmektedir.

2. Yükseltilmiş Alanlarda Isı Konsantrasyonunu Bastırın:
   İşleme yüzeyi (üst yüzey) olarak kesme işleminin yükseltilmiş yüzeyle yapılması gerekiyorsa, kesme hızını ısı iletim hızından daha yüksek olacak şekilde ayarlayın (örn. F = 2 m/dak). Odak konumu yükseltilmiş alanın zirvesine ayarlanmalı ve yükseltilmiş alanın çentiğinin yüzey genişliği mümkün olduğu kadar küçük tutulmalıdır. Bunlar iyi işleme kalitesi için temel faktörlerdir. Enjekte edilen yardımcı gaz miktarı aynı zamanda erime miktarını da etkiler. Yardımcı gaz tüketimini en aza indirmek için daha küçük çaplı bir nozul seçilmelidir.

   Ek olarak, bu tür kesme senaryolarında nozul ile iş parçası yüzeyi arasında belirli bir mesafenin korunması, kapasitif bir sensörle kontur oluşturmayı çok zorlaştırabilir. Bu durumda konturlama bir kontak sensörü kullanılarak yapılmalı ve konturlama yükseltilmiş alanlarla sınırlandırılmalıdır.

3.8 Kalın Plaka Kesimlerinde Yüzey Pürüzlülüğünün Artırılması

Olgu:
Kalın karbonlu çelik plakaların kesilmesinde, ilk kesme noktasındaki kesme yüzeyinin pürüzlülüğü, plakanın ortasından alt kısmına kadar kesme yüzeyinin pürüzlülüğünü doğrudan etkiler. İlk kesiğin pürüzlülüğü iyiyse uzatılan kesme yüzeyinin pürüzlülüğü de iyi olacaktır; İlk kesiğin pürüzlülüğü zayıfsa kesme yüzeyinin orta ve alt kısımlarının pürüzlülüğü de zayıf olacaktır.

Sebep:
Şekil 3.17-1'de gösterildiği gibi, ilk kesideki kesme yüzeyinin pürüzlülüğü, lazer ışınımı, kesici ön kenar temas noktası A'dan yayılan yanma aralığı ve erime miktarı ile belirlenir. Üstte oluşan erimiş metal aşağı doğru akarak bir yanma reaksiyonuna neden olacak ve daha derin kesimlere yol açacaktır. Lazer erime olgusu, lazer iş parçası yüzeyinde ilerledikçe (kesme) ilerler: (a) Yanma A noktasında başlar ve yayılır;
(b) Yanma hızı V, lazerin ilerleme hızından önce gelir;
(c) Alt sıcaklık noktası B'de yanma durur;
(d) Lazer, B durma noktasına ulaşır.
Bu işlem, kesme hedefine ulaşılıncaya kadar tekrarlanır. Kesimin yüzey pürüzlülüğünü iyileştirmek için (a) adımında başlayan ve yayılan yanmanın genişlemesinin durdurulması gerekir.

 

 

Ek olarak, yardımcı oksijenin saflığında bir azalma, oksidasyon yanma reaksiyonlarının kötüleşmesine veya erimiş malzemenin akışkanlığının azalmasına yol açabilir. Bu sorunun çözümleri için diğer bölümlere bakın.

Çözüm:
İlk keside lazer ışınının etrafındaki yanmanın yayılmasını en aza indirmek için, lazer ışınlaması aralıklı erime ve yanmaya izin verecek şekilde aralıklı olmalıdır. Ancak sürekli kesme işlemleri için aralıklı ışınlamanın çok kısa aralıklarla tekrarlanması gerekir.

Şekil 3.17-2, 1300 Hz yüksek frekanslı darbe (HPW) koşullarında lazer ayarlarıyla sürekli dalga (CW) koşullarıyla 12 mm kalınlığındaki SS400 malzeme üzerindeki kesimlerin görünümünü ve yüzey pürüzlülüğünü karşılaştırır. HPW işleme ile kesme yüzeyinin hem üst hem de orta kısmının iyi bir yüzey pürüzlülüğü elde ettiği görülmektedir.

 

 

Biz Qiaolian lazer teknolojisi co.ltd, lazer kesim makinelerinin profesyonel bir üreticisidir.Ürünlerimiz şunları içerir: tek masa lazer kesim makinesi,lazer kesim makinası değişimi, levha ve tüp lazer kesim makinesi, profesyonel tüp lazer kesim makinesi, geniş formatlı portal lazer kesim makinesi  vb. Lazer gücü: 6kw/12kw/15kw/20kw/30kw/40kw/60kw/80kw/100kw vb.
Ürünlerimiz Amerika Birleşik Devletleri, Meksika, Almanya, Macaristan, Polonya, Rusya, Kazakistan, İspanya, Hindistan, Güney Kore, Malezya, Singapur, Endonezya, Tayvan ve diğer ülke ve bölgelere ihraç edilmektedir.

Şimdi ücretsiz fiyat teklifi almak için lütfen benimle iletişime geçin.