Cięcie blachy ze stali miękkiej o grubości 50 mm za pomocą lasera Nd: YAG

Abstrakcyjny

Podajemy wyniki eksperymentów badających wykonalność cięcia grubej (> 15 mm) blachy ze stali miękkiej za pomocą lasera Nd: YAG sprzężonego z włóknem. Eksperymenty przeprowadzono przy użyciu lasera Nd: YAG o fali ciągłej 2,5 kW dostarczanego do przedmiotu obrabianego za pomocą światłowodu z rdzeniem krzemionkowym o średnicy 0,6 mm. Próbki stali miękkiej mają zakres grubości od 10 do 50 mm. Przedstawiono i omówiono wpływ zakresu parametrów operacyjnych, takich jak ogniskowa i pozycja dyszy tnącej względem powierzchni stali, wspomaganie ciśnieniem gazu, moc i prędkość procesu, na jakość powierzchni cięcia. Dotychczasowe wyniki pokazują, że możliwe jest cięcie blachy ze stali miękkiej o grubości do 50 mm przy prędkościach do 200 mm / min przy zaledwie 500 W mocy lasera Nd: YAG. Cięta powierzchnia jest gładka i nie ma żużlu. Wyniki te wskazują na obietnicę zastosowania technologii laserowej Nd: YAG do cięcia grubej blachy stalowej.

1. Wstęp

Cięcie laserowe stanowi około 1/4 przemysłu przetwórstwa materiałów laserowych [1]. W ciągu ponad 30 lat od wyprodukowania pierwszego cięcia laserowego wspomaganego gazem [2] niewiele się zmieniło w metodzie cięcia laserowego. W przypadku cięcia stali miękkich wiązka laserowa skupia się na powierzchni przedmiotu lub w jej pobliżu i jest otoczona szerszym współosiowym strumieniem gazu wspomagającego tlen. Zazwyczaj moce lasera do 3 kW są używane do cięcia stali miękkiej do grubości 12–15 mm za pomocą grubszych płyt ciętych głównie za pomocą systemów plazmowych lub tlenowo-paliwowych. Chociaż możliwe jest cięcie metali za pomocą lasera CO2 o grubości do 40 mm, istnieje znaczny spadek jakości cięcia i powtarzalności [3].

Jednym z rozwiązań cięcia grubszej blachy ze stali miękkiej jest zwiększenie mocy lasera. Chociaż takie podejście ma wiele zalet, istnieją także poważne wyzwania. Przy wyższych mocach (3,5 kW i więcej) jakość wiązki staje się niestabilna, żywotność komponentów optycznych jest zmniejszona, koszty sprzętu i eksploatacji są wysokie, a precyzja cięcia pogarsza się. W [4] wykazano, że dla danej jakości wykończenia powierzchni, chociaż grubość rzazu pozostaje w przybliżeniu stała, prędkość cięcia nie zmniejsza się proporcjonalnie do niego, co wskazuje na zmniejszenie wydajności cięcia wraz ze wzrostem grubości materiału. Zmniejszenie wydajności cięcia, gdy materiał staje się grubszy, przypisuje się zmniejszeniu zdolności gazu pomocniczego do ścinania stopionego materiału. Podczas cięcia grubszych materiałów ciśnienie musi wzrosnąć, aby umożliwić usunięcie stopionego materiału. Jednak przy stosowaniu gazu wspomagającego tlen egzotermiczny charakter reakcji oznacza, że ​​ciśnienie tlenu musi być zmniejszane wraz ze wzrostem grubości, aby zatrzymać nadmierną reakcję zachodzącą w szczelinie. Ścisła kontrola ciśnienia tlenu jest niezbędna, aby zapobiec niekontrolowanemu wypaleniu z ogrzewanego obszaru. Jest to sprzeczność w wymaganiach dotyczących skutecznego cięcia grubej stali miękkiej. Ogranicza maksymalną grubość cięcia, pomimo możliwości zwiększenia wydajności cięcia poprzez zwiększenie mocy lasera. Aby pokonać to ograniczenie i rozszerzyć możliwości reaktywnego cięcia termojądrowego, wymagane są alternatywne i nowatorskie metody.

Opracowano wiele technik w celu przezwyciężenia zmniejszenia wydajności skrawania wraz ze wzrostem grubości stali miękkiej. Obejmują one: laserowe cięcie płomieniem [5], soczewki podwójnego ogniskowania [6], piłowanie wiązką z adaptacyjną optyką [7], cięcie laserowe przy użyciu dyszy współosiowej (pierścieniowej) [8], cięcie laserowe CO2 z podwójną wiązką [ 9], spinająca wiązka laserowa [13, 14] i laserowe cięcie tlenowe (Lasox ©) [10–12].

Wcześniej [14] informowaliśmy o cięciu grubszej blachy ze stali miękkiej za pomocą przędzącej wiązki laserowej Nd: YAG. Przedstawiono tutaj wyniki cięcia grubej blachy ze stali miękkiej (> 15 mm) za pomocą dostarczonego z włóknem lasera Nd: YAG przez drganie wiązki laserowej (metoda analogiczna do obracania wiązki) oraz metodą cięcia laserowego z dominacją tlenu, taką jak ta cięcia Lasox [10, 11, 12]. Testy cięcia laserowego Nd: YAG z dominacją tlenu przeprowadzono najpierw przy użyciu niskich, a następnie wysokich ciśnień gazu wspomagającego tlen.

2. Drżenie wiązki laserowej

2.1 Dane eksperymentalne

Wahanie wiązki laserowej powstało w wyniku częściowego obrotu (oscylacji) okna optycznego o kąt pokazany na rysunku 1 (a). Doprowadziło to do maksymalnego przesunięcia ogniskowej 0,45 mm przy maksymalnej częstotliwości 20 Hz. Powstały ślad, tutaj z przesadną długością fali, aby pokazać ruch oscylacyjny, pokazano na rysunku 1 (b). Możliwe było zmienianie amplitudy oscylacji okna, aby wpływać na zmiany szerokości szczeliny w celu zbadania wpływu poszerzenia szczeliny na proces cięcia.

2.2 Cięcie stali przy użyciu podejścia z dominacją tlenu wspomaganego laserowo

Metodę cięcia laserowego z dominacją tlenu wprowadzono na płytach ze stali miękkiej AS3678 o grubości od 16 do 50 mm. Ciśnienia gazu wspomaganego tlenem utrzymywano na poziomie mniejszym niż 120 kPa (cięcie tlenem pod niskim ciśnieniem - LoPOx) lub na wysokie ciśnienie (cięcie tlenem pod wysokim ciśnieniem - HiPOx). Wyniki cięcia rejestrowano jako funkcję jakości cięcia (prążkowanie, kształt rzazu, nadmierna ilość żużla) i prędkości cięcia.

3. Wyniki

3.1 Poruszanie wiązką lasera.

Wahając belkę na obrabianym przedmiocie, zwiększono maksymalną grubość cięcia z 12 mm, spotykaną przy tradycyjnym cięciu, do 16 mm. Wykres maksymalnej prędkości cięcia dla różnych grubości i mocy lasera, pokazany na ryc. 2, wskazuje, że chociaż grubość cięcia została poprawiona za pomocą wiązki drgającej, prędkość cięcia jest podobna do prędkości konwencjonalnego (CW) cięcia, co wskazuje, że cięcie proces zachodzący w szczelinie pozostaje niezmieniony podczas cięcia wiązki wahliwej. Podobne prędkości cięcia osiągnięto również w przypadku wiązki spinającej [14].

Zwiększoną grubość cięcia można przypisać zwiększonej szerokości rzazu. Zostało to wykazane poprzez zmianę amplitudy wahania, jak pokazano na rycinie 3. Tutaj, ponieważ amplituda wahnięcia jest sekwencyjnie zmniejszana z maksymalnej amplitudy 0,45 mm do zera, szerokość szczeliny jest zmniejszona, co odpowiada zmniejszeniu zdolności do usuwania stop. To wyraźnie pokazuje konieczność posiadania odpowiedniej szerokości rzazu, aby umożliwić usunięcie żużla. Pogląd ten wyrażają także inni [12], w których sugeruje się, że zarówno dynamika płynów, jak i termodynamika są ograniczone wąskimi szczelinami.

3.2 Cięcie stali przy użyciu podejścia z dominacją tlenu wspomaganego laserowo

3.2.1 Cięcie z dominacją tlenu pod niskim ciśnieniem - LoPOx

W procesie cięcia LoPOx wykorzystuje się tę samą wiązkę laserową o większej średnicy i wąski narzucający strumień tlenu w górnej części obrabianego przedmiotu, jak widać w procesie Lasox, jednak przy ciśnieniu gazu pomocniczego poniżej 120 kPa. Powierzchnie cięcia pokazane na rycinie 4 przy użyciu procesu LoPOx pokazują, że niskie moce lasera nie przeszkadzają w cięciu laserem, dopóki możliwe jest pierwotne i ciągłe rozpoczęcie cięcia. Rzeczywiście, wraz ze wzrostem prędkości cięcia, moc padającego lasera może wnieść zbyt dużo energii, a zatem spowodować nadmierne prążkowanie. Pokazano to na rysunku, obserwując prędkość cięcia 450 mm / min, gdzie lepsza powierzchnia została wygenerowana przez moc lasera padającego o mocy 533 W niż uzyskano przy 1420

W. Tutaj szybkość reakcji egzotermicznej zależy od prędkości cięcia. Energia lasera padającego jest wymagana tylko do ogrzania górnej powierzchni do temperatury wyższej niż 1000C [11] i zainicjowania procesu reaktywnego łączenia. Nadmierna moc padającego lasera obniża jakość cięcia. To pokazuje, że problemy interakcji tlenu z żelazem, a nie moc padającego lasera, teraz przede wszystkim decydują o jakości cięcia. Dlatego jest to proces cięcia laserowego zdominowany przez tlen.

Na rysunku 4, gdy moc jest zmniejszana dla każdej prędkości cięcia, pierwsze oznaki minimalnej mocy padającej to słaby początek cięcia, jak widać po prawej stronie. To pokazuje, że wymagania dotyczące mocy na początku cięcia są wyższe niż w przypadku trwającego procesu cięcia, a moc wymagana do szybkiego ustanowienia procesu stabilnego cięcia, a nie moc dla trwającego procesu, jest podstawowymi kryteriami.

Podczas cięcia LoPOx przy użyciu mniejszej współosiowej średnicy dyszy dla materiału o tej samej grubości, uzyskuje się te same prędkości cięcia, ale przy węższej szerokości rzazu i w konsekwencji zmniejszonym przepływie tlenu. Jednak cięcie o wysokiej jakości nie było możliwe przy niższych mocach lasera przy większej średnicy dyszy zastosowanej na rycinie 4. Dzieje się tak pomimo intensywniejszej plamki lasera w wyniku przejścia przez dyszę o mniejszej średnicy. To pokazuje, że wymóg dostatecznie szerokiej szczeliny, aby umożliwić usunięcie żużla, stosuje się w równym stopniu do procesu cięcia zdominowanego przez tlen.

Boki cięcia są bardziej zwężone niż te spotykane w konwencjonalnym (zdominowanym laserowo) cięciu. Charakter procesu cięcia z dominacją tlenu oznacza, że ​​na szczelinę wpływa kształt narzucającego strumienia tlenu, przy czym wierzchołek szczeliny ma taką samą szerokość jak zastosowana dysza współosiowa.

Luz między dyszą a przedmiotem obrabianym zmieniał się z typowymi wynikami tej odmiany pokazanymi na rysunku 5. W przypadku różnych średnic dyszy jakość cięcia została znacznie zmniejszona przy luzach większych niż 25% średnicy dyszy. Zwiększenie luzu dysza - obrabiany przedmiot odsłonił więcej przepływu z dyszy do otaczających gazów atmosferycznych przed wejściem do szczeliny [8]. Zmiana luzu została podjęta bez odpowiednich zmian średnicy plamki lasera z podobnymi wynikami. To dodatkowo pokazuje, że zmiany wspomagania gazu, a nie incydentu natężenia mocy lasera, były czynnikiem wpływającym na jakość cięcia laserem w badanym zakresie. Rycina 5 pokazuje również efekt zbyt małego prześwitu (0,1 mm), w którym zbieżna wiązka nie przekracza jeszcze średnicy strumienia gazu, a zatem nie pozwala na działanie procesu cięcia laserowego z dominacją tlenu.

Maksymalna grubość cięcia 32 mm została osiągnięta przy użyciu cięcia Nd: YAG LoPOx. Cięcie poza tę grubość przy użyciu zastosowanych średnic dyszy spowodowało powstanie nadmiernej ilości żużla w szczelinie i utratę prostopadłości cięcia. To dodatkowo pokazuje związek między szerokością rzazu a grubością cięcia, gdy stosowane są niskie (konwencjonalne) naciski skrawające.

3.2.2 Cięcie laserem wysokociśnieniowym z dominacją tlenu Nd: YAG - HiPOx

Przy użyciu znacznie wyższych ciśnień zasilania i dysz o mniejszej średnicy stwierdzono, że możliwe jest cięcie stali grubszych niż wcześniej uzyskane w procesie LoPOx. Wykazano, że wydajność cięcia wynosi od 32 do 50 mm przy użyciu blachy stalowej AS 3679. Typowe prędkości cięcia w odniesieniu do grubości materiału i mocy lasera pokazano na rysunku

6. Rysunek pokazuje kontynuację procesów cięcia z obszaru niskiego ciśnienia stosowanego do cieńszych materiałów.

Efekt zastosowania wysokich ciśnień tłoczenia oznacza, że ​​przepływ gazu jest złożony i może wywoływać cechy szoku wewnętrznego. Dowody interakcji struktur uderzeniowych podczas cięcia można postrzegać jako „grzbiety” lub mniejsze ślady na powierzchni cięcia i jako linie biegnące prostopadle do prążków. Ponadto przesunięcie tych grzbietów z luzem dyszy-przedmiotu obrabianego wynika ze wzmocnienia lub unieważnienia wewnętrznych wstrząsów gazu pomocniczego i charakterystycznego wstrząsu pojawiającego się na początku rzazu w kształcie „X” [15]. Praca [16, 17] wskazuje również na złożoną, a czasem i oscylacyjną interakcję wstrząsów ze ścianami nacięcia. Dowodem oscylacyjnego charakteru cięcia jest stały \"szum \", który można usłyszeć w niektórych warunkach cięcia.

Przy użyciu współosiowej dyszy o średnicy 1,5 mm wykazano, że wydajność cięcia jest zadowalająca dla płyt 32 i 40 mm, a wyniki cięcia płyty 40 mm pokazano na rycinie 7. Luz dyszy i przedmiotu obrabianego został znacznie zwiększony przy wysokim ciśnieniu gazu wspomagającego i kształt rzazu był znacznie mniej zwężony niż ten obserwowany w LoPOx w wyniku mniej rozbieżnego strumienia gazu o dużej prędkości. Takie nacięcia można zobaczyć na rycinie 8.

Cięcie profilu przy użyciu dostarczonego włókna Technika LoPx Nd: YAG jest możliwa na przykładach pokazanych na rycinie 9. Tutaj wzrost temperatury wewnątrz narożników powoduje zwiększenie zwężenia w tych punktach. Jest to widoczne na okrągłym wycięciu z rysunku 9 (a) i podcięciu narożników na rysunku 9 (b). Podcięcie ostrych narożników najlepiej jest wyeliminować, stosując zmniejszone prędkości skrawania, jak pokazano na rysunku.

Cięcie pod wysokim ciśnieniem z dominacją tlenu przy użyciu lasera Nd: YAG, takiego jak ten stosowany z CO2 [12], również okazuje się być doskonałym narzędziem do przebijania, przy czym do przebicia płytki o grubości 32 mm AS3679 potrzeba mniej niż jednej sekundy. Problemem jest usuwanie żużla wyrzucanego do góry, którego obecność na powierzchni płyty na ścieżce cięcia ma niekorzystny wpływ na jakość cięcia

4. Dyskusja

Pomimo nowatorskich procesów cięcia laserowego i wzrostu grubości cięcia sam proces cięcia pozostaje niezmieniony. Dowodem na to jest zmniejszenie prędkości cięcia wraz z grubością cięcia i podobieństwo prędkości cięcia dla konwencjonalnych cięć wiązką obrotową i wahającą się. W konsekwencji, pomimo zmian w podejściu, nadal pozostają podstawowe czynniki, które rządzą cięciem grubej blachy stalowej przez reaktywne stapianie, takie jak straty przewodzenia i ograniczenie usuwania płynięcia stopu z powodu lepkości i napięcia powierzchniowego.

Większe i zróżnicowane szerokości szczelin powstałe w wyniku drgania wiązki, a także różne szerokości szczelin wygenerowane przez cięcie laserowe z dominacją tlenu za pomocą lasera Nd: YAG, wskazują na potrzebę odpowiednio szerokich szczelin w miarę wzrostu grubości cięcia. Jednak przy umiarkowanych grubościach (~ 32 mm) zwiększenie szczeliny większej niż wytwarzana przez największą dyszę LoPOx staje się niewykonalne, ponieważ zużycie tlenu staje się nadmierne. W tym celu zastosowanie HiPOx ma swoje znaczenie. Zastosowanie strumienia gazu o wysokim ciśnieniu i w konsekwencji dużej prędkości pozwala na mniejszą łączność tlenu z gazami atmosferycznymi, a tym samym łatwiejszą dostępność dla reaktywnej syntezy. Ponadto zapewnia znacznie zwiększone siły ścinające na powierzchni stopu, aby przezwyciężyć opór jego odstępu od szczeliny. Dodatkową cechą procesu HiPOx są uzyskane duże odstępy między dyszami a przedmiotem obrabianym. Zapewnia to niezawodność dysz wysokociśnieniowych.

Cięcia zdominowane przez tlen polegają jedynie na mocy padającego lasera, aby zainicjować, a następnie podtrzymać cięcie. Wyniki pokazują, że te moce są znacznie niższe niż te wymagane do równoważnego konwencjonalnego cięcia. Jednak do zainicjowania stabilnego cięcia wymagane są wyższe moce niż te potrzebne do utrzymania całego procesu cięcia. W konsekwencji zwiększoną moc można wykorzystać na początku cięcia tylko w celu maksymalizacji wydajności energetycznej.

Wykazano, że cięcie profili jest wykonalne z wadą podcięcia wnętrza ciętych narożników. Można temu zaradzić poprzez odpowiednie zaprogramowanie prędkości cięcia w tych pozycjach. Wykazano, że przebijanie grubej płyty jest wykonalne, ale występują problemy z wyrzuconą w górę żużlem, która później przeszkadza w dostarczaniu gazu pomocniczego podczas kolejnego cięcia. Można temu zaradzić albo przez obecność skierowanego na zewnątrz pierścieniowego strumienia powietrza otaczającego dyszę, albo przez czyszczenie operatora za pomocą polecenia CNC oczekiwania po wstępnym wykonaniu wszystkich przekłuć.

5. Wnioski

Zastosowanie cięcia laserowego z dominacją tlenu wraz z szerszymi wycięciami nacięcia świadczy o możliwości zastosowania lasera Nd: YAG o średniej mocy do cięcia grubej blachy ze stali miękkiej. Można tego dokonać przy użyciu niskiego ciśnienia dla blachy ze stali miękkiej o grubości do 32 mm. Dostarczanie gazu pod wysokim ciśnieniem pokazało, że grubości cięcia do 50 mm są łatwo osiągalne wraz z możliwością szybkiego przebicia materiału. Nadal występują problemy z jakością cięcia związane z artefaktami uderzeń, a także problemy dotyczące podcinania narożników, które wymagają starannego programowania CNC. Skuteczne przebicie wymaga późniejszego usunięcia wyrzuconej w górę żużlu ze ścieżki cięcia, aby zapewnić utrzymanie jakości cięcia leżącego poniżej przedmiotu obrabianego.

6. Podziękowania

Autorzy pragną podziękować CRC dla Intelligent Manufacturing Systems and Technologies Limited za ich finansowanie projektu Spinning Beam, bez którego powyższe badania i wyniki nie mogłyby zostać zebrane.