Maszyna tnąca laserem

Zarys

• Parametry obróbki materiałów

• Opis procesu

• Mechanizmy cięcia laserowego

Wpływ gęstości mocy

• Gęstość mocy jest kluczowym czynnikiem w procesie

• Gęstość mocy (intensywność) = P / pr2

Zmienne procesowe do przetwarzania materiałów

• Inne ważne zmienne procesowe:

Czas interakcji i wykres procesu empirycznego

• Czas interakcji, t = 2 r / v

gdzie r = promień wiązki i v = prędkość

Stal konstrukcyjna

Tnący

• Cięcie laserowe jest w stanie ciąć szybciej i przy wyższej jakości niż w konkurencyjnych procesach:

- Dziurkacz, plazma, abrazyjny strumień wody, ultradźwiękowy, tlenowy płomień, piłowanie i frezowanie

• Może być zautomatyzowany

• 80% laserów przemysłowych w Japonii jest używanych do cięcia metalu

Typowa konfiguracja cięcia

Charakterystyka procesu

• Jest to jeden z szybszych procesów cięcia.

• Przedmiot obrabiany nie wymaga mocowania, ale zaleca się, aby uchwyty robocze nie były przesuwane za pomocą przyspieszenia stołu i lokalizowania podczas używania programu CNC.

• Zużycie narzędzia wynosi zero, ponieważ proces jest bezdotykowym procesem cięcia.

• Cięcia mogą być wykonywane w dowolnym kierunku, polaryzacja może wpływać na wydajność procesu.

• Poziom hałasu jest niski.

• Proces może być łatwo zautomatyzowany, z dobrymi perspektywami kontroli adaptacyjnej w przyszłości.

• Żadne kosztowne zmiany narzędzi nie są głównie "miękkie". To są tylko zmiany programistyczne. Zatem proces jest bardzo elastyczny.

• Niektóre materiały mogą być cięte w stos, ale może wystąpić problem z spawaniem pomiędzy warstwami.

• Można przecinać prawie wszystkie materiały inżynierskie. Mogą być kruche, łamliwe, elektryczne lub nieprzewodzące, twarde lub miękkie.

- Tylko silnie odblaskowe materiały, takie jak aluminium i miedź, mogą stanowić problem, ale przy odpowiedniej kontroli belek można je odpowiednio ciąć.

Odpowiedź procesowa

• Cięcie może mieć bardzo wąską szerokość rzazu dając znaczne oszczędności materiału. (Kerf to szerokość wyciętego otworu)

• Krawędzie cięcia mogą być kwadratowe i nie zaokrąglone, jak w przypadku większości procesów z gorącym strumieniem lub innych technik cięcia termicznego.

• Krawędź cięcia może być gładka i czysta. Jest to gotowy krój, nie wymagający dalszego czyszczenia ani leczenia.

• Krawędź cięcia może być ponownie spawana bezpośrednio przy niewielkim przygotowaniu powierzchni.

• Nie ma zadziorów krawędziowych, jak w przypadku technik cięcia mechanicznego. Zwykle można uniknąć przyczepności poprzecznej.

• Występuje bardzo wąska strefa cieplna (strefa wpływu ciepła) i bardzo cienka, zestalona warstwa o grubości kilku mikrometrów, w szczególności na ścinki bez żużla. Istnieje znikome zniekształcenie.

• Cięcia niewidoczne mogą być wykonane z niektórych materiałów, w szczególności takich, które ulatniają się, na przykład z drewna lub akrylu.

• Głębokość cięcia zależy od mocy lasera. 10-20 mm to aktualny zakres dla wysokiej jakości cięć. Niektóre lasery światłowodowe o bardzo dużej mocy mogą ciąć 50 mm.

Żużel

Mechanizmy procesów

• Belka jest przesuwana po zaprogramowanej ścieżce, a usuwanie materiału następuje z powodu wielu mechanizmów.

• Topienie

- Materiał wykazujący stopioną fazę o niskiej lepkości, w szczególności metale i stopy, oraz termoplastyczne, jest cięty przez działanie nagrzewające wiązki o gęstości mocy rzędu 104Wmm-2

- Stop jest wspomagany przez działanie ścinające strumienia obojętnego lub aktywnego gazu wspomagającego, skutkiem czego powstaje stopiony kanał przez materiał zwany szczeliną szczelinową.

• Parowanie

- Nadaje się do materiałów, które nie są łatwo topione (niektóre szklanki, ceramika i kompozyty)

- Materiały można ciąć przez odparowanie, które jest indukowane przez większą gęstość mocy wiązki (> 104Wmm-2)

• Degradacja chemiczna

- Nacięcie można formować w wielu materiałach organicznych w wyniku degradacji chemicznej spowodowanej działaniem ogrzewania belki.

Mechanizm usuwania materiału w różnych materiałach

Stertowanie gazu obojętnego lub topienie i wydmuchiwanie

Melt and Blow

• Po wykonaniu otworu penetracyjnego lub rozpoczęciu cięcia od krawędzi

• Odpowiednio silny strumień gazu mógłby wydmuchnąć stopiony materiał z cięcia, aby zapobiec dalszemu wzrostowi temperatury do punktu wrzenia.

• Cięcie strumieniem gazu obojętnego wymaga tylko jednej dziesiątej energii potrzebnej do odparowania

• Zauważ, że stosunek utajonego ciepła topnienia do parowania wynosi 1:20.

Modelowanie procesu

Melt and Blow

• Grupa [P / tV] jest stała dla cięcia danego materiału o danej wiązce.

Działanie cięcia

• Belka pada na powierzchnię

- Większość wiązki przechodzi w otwór lub szczelinę

- niektóre odbijają się od nieroztopionej powierzchni

- niektórzy mogą przejść prosto.

• Przy niskich prędkościach roztopiony materiał zaczyna się od wiodącej krawędzi wiązki, a znaczna część wiązki przechodzi przez szczelinę bez dotykania, jeśli materiał jest dostatecznie cienki.

Szczegółowy mechanizm dmuchania do topienia

• Absorpcja odbywa się za pomocą dwóch mechanizmów:

- Głównie przez pochłanianie Fresnela, tj. Bezpośrednie oddziaływanie wiązki z materiałem -

- Wchłanianie i reradiacja osocza. Osadzanie się plazmy nie ma większego znaczenia z powodu wydmuchiwania gazu.

• Gęstość mocy na czole cięcia to Fsinq. Powoduje to stopienie, które jest następnie wydmuchiwane przez siły oporu z szybko płynącego strumienia gazu.

• W dolnej części szczeliny stop jest grubszy z powodu opóźnienia folii i napięcia powierzchniowego opóźniającego stopienie przed opuszczeniem.

• Strumień gazu wyrzuca stopione krople u podstawy

cięcie do atmosfery.

Formowanie Striations

• Wraz ze wzrostem prędkości cięcia belka jest automatycznie łączona z obrabianym przedmiotem w bardziej wydajny sposób dzięki zmniejszeniu strat przez szczelinę.

• Również wiązka ma tendencję do przedostawania się na nieroztopiony materiał. W takim przypadku gęstość mocy wzrasta, ponieważ powierzchnia nie jest nachylona.

• Stopienie postępuje szybciej i zostaje przesunięte w dół jako szczelina. W miarę jak krok jest niszczony, pozostawia ślad na krawędzi cięcia zwany prążkowaniem.

• Przyczyna prążkowania jest kwestionowana, istnieje wiele teorii:

- Teoria kroków

- krytyczny rozmiar kropelki powodujący pulsowanie wielkości roztopionego materiału, zanim będzie można go przedmuchać

- Teoria spalania bocznego.

• Istnieją warunki, w których nie występują prążkowania. Są one regulowane przez przepływ gazu lub pulsowanie z częstotliwością naturalnego prążkowania.

Striations

Reaktywne cięcie fuzji

• Jeśli gaz pomocniczy jest również w stanie reagować egzotermicznie, do procesu dodaje się dodatkowe źródło ciepła.

• Gaz przechodzący przez szczelinę nie tylko odciąga stop, ale także reaguje z roztopionym materiałem.

• Zazwyczaj gazem reaktywnym jest tlen lub mieszanina zawierająca tlen.

• Reakcja spalania rozpoczyna się zwykle od temperatury zapłonu na górze.

• Tlenek jest uformowany i wdmuchiwany do szczeliny i pokrywa dolną część stopu, co spowalnia reakcję, a nawet może powodować pękanie linii prążkowych.

Reaktywna fuzja.

• Ilość energii dostarczanej przez reakcję spalania zmienia się w zależności od materiału

- z łagodną / stalą nierdzewną wynosi 60%

- z reaktywnym tytanem podobnym do metalu wynosi około 90%.

• Prędkości skrawania można podwoić za pomocą tej techniki.

• Zazwyczaj im szybsze cięcie, tym mniejsze przenikanie ciepła i lepsza jakość.

• Zmiana chemiczna w obrabianym przedmiocie może się zdarzyć z powodu reaktywnej syntezy.

- W przypadku tytanu może to mieć znaczenie krytyczne, ponieważ krawędź będzie zawierała trochę tlenu i będzie twardsza i bardziej podatna na pękanie.

- W przypadku stali miękkiej nie ma zauważalnego efektu poza bardzo cienką, ponownie zestaloną warstwą tlenku na powierzchni.

Reactive Fusion ...

• Żużel jest tlenkiem (zamiast metalu)

- Stal miękka przepływa dobrze i nie przywiera do metalu nieszlachetnego

- W przypadku stali nierdzewnej tlenek składa się z komponentów o wysokiej temperaturze topnienia, takich jak Cr2O3 (temperatura topnienia ~ 218O ° C), a zatem zamraża się szybciej, powodując problem z żużlem.

- Aluminium wykazuje podobne zachowanie

• Z powodu reakcji pieczenia wprowadzana jest kolejna przyczyna prążkowania

- Przy powolnym cięciu (niższym niż prędkości reakcji spalania) zostanie osiągnięta temperatura zapłonu i nastąpi zapłon od punktu zapłonu, idącego na zewnątrz we wszystkich kierunkach.

Striations in Reactive Fusion Cutting

Kontrolowany proces złamania

• Kruchy materiał jest podatny na pękanie termiczne, może być szybko i starannie odcięty przez naprowadzanie pęknięcia cienką plamką ogrzewaną za pomocą lasera

• Laser nagrzewa niewielką objętość powierzchni, powodując jej rozszerzanie, a tym samym powodując wokół niego naprężenia rozciągające

• Jeśli w tym miejscu pojawi się pęknięcie, będzie ono działało jako naprężacz, a pękanie będzie kontynuowane w kierunku gorącego punktu

• Szybkość, z jaką można kierować pęknięciem, jest rzędu m / s

• Gdy pęknięcie zbliża się do krawędzi, pola naprężeń stają się bardziej złożone

Kontrolowane Złamanie

• Zalety:

- Szybkość, jakość krawędzi i precyzja są bardzo dobre przy cięciu szkła.

- Skuteczny przy cięciach prostych

• Niedogodności:

- Trudne do tworzenia wyprofilowanych cięć, na przykład do produkcji lusterek samochodowych

- Trudne do modelowania i przewidywania w pobliżu krawędzi

Zakres przetwarzania dla kontrolowanego pęknięcia

Scribing

• Jest to proces polegający na wykonaniu rowka lub linii otworów całkowicie lub częściowo penetrując

• To wystarczająco osłabia konstrukcję, aby można ją było mechanicznie zepsuć

• Zwykle przetwarzane materiały to wióry krzemowe i podłoża z tlenku glinu

• Jakość mierzona jest przez brak gruzu i strefy wpływu niskiej temperatury

• Tak więc impulsy o niskiej energii i dużej gęstości mocy są używane do usuwania materiału głównie w postaci pary

Cięcie wulkanizacyjne

• Skoncentrowana belka w procesie cięcia w parowaniu najpierw ogrzewa powierzchnię do punktu wrzenia i wytwarza dziurkę od klucza.

• Dziurka od klucza powoduje nagły wzrost chłonności spowodowany wielokrotnymi odbiciami, a dziura szybko się pogłębia.

• W miarę pogłębiania się, powstaje para i ucieka wydmuchiwanie wyrzutnika z otworu lub szczeliny i stabilizuje stopione ściany otworu

• Jest to zwykła metoda cięcia laserami pulsującymi lub cięciem materiałów, które nie topią się, takich jak drewno, węgiel i niektóre tworzywa sztuczne.

Vaoporization

• Szybkość przenikania wiązki do przedmiotu obrabianego można oszacować na podstawie punktu skupienia

założenie obliczania pojemności cieplnej

- Przepływ ciepła 1D

- Przewodzenie jest ignorowane

- Stopień penetracji jest podobny lub szybszy niż szybkość przewodzenia

- objętość usunięta na sekundę na jednostkę powierzchni = prędkość penetracji, V m / s

Odparowywanie

Cięcie na zimno

• Wysokowydajne lasery ekscymerowe UV wykazują cięcie na zimno

- Energia fotonu ultrafioletowego wynosi 4,9 eV, co jest podobne do energii wiązania wielu materiałów organicznych.

- Jeśli wiązka zostanie uderzona przez taki foton, może się zepsuć

- Kiedy to promieniowanie jest emitowane na tworzywo sztuczne z wystarczającym strumieniem fotonów, który zawiera co najmniej jeden foton / wiązanie, materiał po prostu znika bez ogrzewania pozostawiając otwór bez gruzu i uszkodzenia krawędzi

Wpływ rozmiaru punktu

• Podstawowe parametry to moc lasera, prędkość obrotu, rozmiar plamki i grubość materiału.

• Rozmiar plamki działa na dwa sposoby:

- Po pierwsze, zmniejszenie plamki zwiększy gęstość mocy, która wpływa na absorpcję i

- Po drugie, zmniejszy szerokość cięcia.

• Lasery ze stabilną mocą i trybami niskiego rzędu - zwykle prawdziwe tryby TEMoo tną znacznie lepiej niż inne tryby

Długość fali

• Im krótsza długość fali, tym wyższa jest chłonność większości metali

• W związku z tym promieniowanie YAG jest lepsze niż promieniowanie CO2, ale najgorsza struktura modalna

Lasery YAG mają tę zaletę

• Lasery światłowodowe o dobrym trybie wiązki mogą mieć przewagę.

streszczenie

• Podstawy cięcia laserowego

• Mechanizmy

• Czynniki wpływające na cięcie laserowe