Řezání měkké ocelové desky o tloušťce 50 mm pomocí laseru Nd: YAG

Abstraktní

Uvádíme výsledky experimentů zkoumajících proveditelnost řezání tlusté (> 15 mm) měkké ocelové desky s vláknem spojeným Nd: YAG laserem. Pokusy byly prováděny s kontinuálním vlněním o výkonu 2,5 kW Nd: YAG dodávaným do obrobku přes optické vlákno z jádra silikagelu o průměru 0,6 mm. Vzorky měkké oceli se pohybují v tloušťce od 10 do 50 mm. Jsou prezentovány a diskutovány účinky řady provozních parametrů, jako je ohnisko a poloha řezací trysky vzhledem k povrchu oceli, tlak plynu, výkon a rychlost procesu, na kvalitu řezaného povrchu. Dosavadní výsledky ukazují, že je možné řezat měkkou ocelovou desku o tloušťce až 50 mm při rychlostech až 200 mm / min při nízké energii laseru Nd: YAG až 500 W. Řezaný povrch je hladký a nedochází k žádnému znečištění. Tyto výsledky ukazují slibné uplatnění laserové technologie Nd: YAG pro řezání tlustých ocelových plechů.

1. Úvod

Laserové řezání představuje přibližně 1/4 průmyslu zpracování laserových materiálů [1]. Za více než 30 let od prvního laserového řezání pomocí laseru [2] se metodou laserového řezání málo změnilo. Pro řezání měkkých ocelí je laserový paprsek zaostřován na povrchu obrobku nebo v jeho blízkosti a je obklopen širším koaxiálním proudem plynu podporujícího kyslík. Laserové výkony do 3 kW se obvykle používají k řezání měkkých ocelí na tloušťku 12–15 mm s tlustšími deskami řezanými hlavně plazmovými nebo kyslíko-palivovými systémy. Ačkoli je možné řezat kovy laserem CO2 až do tloušťky 40 mm, dochází k významnému poklesu kvality řezu a reprodukovatelnosti [3].

Jedním z řešení řezání tlustších plechů z měkké oceli je zvýšení výkonu laseru. I když má tento přístup řadu výhod, existují i ​​významné výzvy. Při vyšších výkonech (3,5 kW a vyšších) se kvalita paprsku stává nestabilní, životnost optických součástí se snižuje, náklady na zařízení a provoz jsou vysoké a zhoršuje se přesnost řezu. V [4] bylo prokázáno, že pro danou kvalitu povrchové úpravy, i když tloušťka zářezu zůstává přibližně konstantní, řezná rychlost se s ní úměrně nesnižuje, což ukazuje na snížení účinnosti řezu se zvyšující se tloušťkou materiálu. Snížení účinnosti řezu, když je materiál tlustší, se přičítá snížení schopnosti pomocného plynu stříhat taveninu. Při řezání silnějších materiálů se musí tlak zvyšovat, aby se umožnilo odstranění roztaveného materiálu. Při použití plynu podporujícího kyslík však exotermická povaha reakce znamená, že tlak kyslíku musí být snížen se zvětšující se tloušťkou, aby se zabránilo nadměrné reakci uvnitř zářezu. Důkladná kontrola tlaku kyslíku je nezbytná, aby se zabránilo nekontrolovatelnému spalování mimo vyhřívanou oblast. To představuje rozpor v požadavcích na úspěšné řezání silné měkké oceli. Omezuje maximální tloušťku řezu, navzdory schopnosti prodloužit řezný výkon zvýšením výkonu laseru. K překonání tohoto omezení a rozšíření schopnosti tloušťky reaktivního řezání tavením jsou vyžadovány alternativní a nové metody.

K překonání snižování řezného výkonu byly vyvinuty četné techniky se zvyšující se mírnou tloušťkou oceli. Zahrnují: laserové řezání plamenem [5], čočky s dvojitým ostřením [6], řezání paprskem s adaptivní optikou [7], řezání laserem pomocí koaxiální (prstencové) trysky [8], laserové řezání CO2 s dvojitým paprskem [ 9], spřádací laserový paprsek [13, 14] a laserové řezání kyslíkem (Lasox ©) [10 - 12].

Dosud jsme popsali [14] řezání tlustší měkké ocelové desky pomocí spřádaného laserového paprsku Nd: YAG. Zde jsou uvedeny výsledky řezání tlusté měkké ocelové desky (> 15 mm) pomocí vlákna dodaného Nd: YAG laserem vlněním laserového paprsku (metoda analogická spřádání paprsku) a metodou laserového řezání ovládaného kyslíkem, jako je řezání laserem [10, 11, 12]. Nd: YAG laserové řezací experimenty s dominancí kyslíku byly prováděny za použití nejprve nízkého a poté vysokého tlaku kyslíku asistovaného plynu.

2. Kolísání laserového paprsku

2.1 Experimentální podrobnosti

Kolísání laserového paprsku bylo dosaženo částečnou rotací (oscilací) optického okna o úhel, jak je znázorněno na obrázku 1 (a). To vedlo k maximálnímu posunutí fokálního bodu 0,45 mm při maximální frekvenci 20 Hz. Výsledná stopa, zde s přehnanou vlnovou délkou pro zobrazení oscilačního pohybu, je znázorněna na obrázku 1 (b). Bylo možné změnit amplitudu kmitání okna, aby se provedly změny v šířce zářezu, aby se studoval účinek rozšíření zářezu na proces řezání.

2.2 Řezání ocelí pomocí přístupu ovládaného kyslíkem pomocí laseru

Metoda laserem podporovaného řezání kyslíkem byla implementována na desky z měkké oceli AS3678 o tloušťce 16 až 50 mm. Tlaky plynného kyslíku byly udržovány na méně než 120 kPa (nízkotlaké kyslíkové řezání - LPOPO) nebo na vysoké tlaky (vysokotlaké kyslíkové řezání - HiPOx). Výsledky řezu byly zaznamenány v závislosti na kvalitě řezu (řezání řezu, tvar řezu, nadměrná struska) a rychlosti řezu.

3. Výsledky

3.1Volkávání laserového paprsku.

Kolísáním paprsku na obrobku byla maximální tloušťka řezu zvýšena z 12 mm, při konvenčním řezání na 16 mm. Graf maximální rychlosti řezu pro různé tloušťky a výkony laseru, jak je vidět na obrázku 2, ukazuje, že ačkoli byla tloušťka řezu zlepšena wobblingovým paprskem, řezná rychlost je podobná rychlosti konvenčního (CW) řezání, což ukazuje, že řez proces probíhající v kerfu zůstává během řezání vlnitým paprskem nezměněn. Podobné řezné rychlosti byly také dosaženy se spřádacím paprskem [14].

Zvýšenou tloušťku řezu lze připsat zvýšené šířce zářezu. To je demonstrováno změnou amplitudy wobble, jak je znázorněno na obrázku 3. Zde, jak je amplituda wobble postupně snižována z maximální amplitudy 0,45 mm na nulu, je šířka zářezu snížena, což odpovídá snížení schopnosti vyčistit tavenina. To jasně demonstruje nutnost mít dostatečnou šířku zářezu, aby bylo možné vyčistit strusku. Tento pohled vyjadřují i ​​ostatní [12], kde se navrhuje, aby jak dynamika tekutin, tak termodynamika byly omezeny úzkými zářezy.

3.2. Ořezávání ocelí pomocí přístupu ovládaného kyslíkem pomocí laseru

3.2.1 Řezání s nízkým tlakem kyslíku - LoPOx

Proces řezání LoPOx používá stejný laserový paprsek o větším průměru a úzký imisní paprsek kyslíku v horní části obrobku, jak je vidět v procesu Lasox, avšak s asistenčním tlakem plynu pod 120 kPa. Řezané povrchy znázorněné na obrázku 4 pomocí procesu LoPOx ukazují, že nízké dopadající laserové výkony nebrání řezání laserem, pokud je možné provést primární a probíhající iniciaci řezu. Ve skutečnosti, když se řezná rychlost zvyšuje, dopadající laserová energie může přispívat příliš mnoho energie, a proto může dojít k nadměrnému strhování. To je znázorněno na obrázku pozorováním rychlosti řezu 450 mm / min, kde lepší dopadající laserový výkon generoval 533 W, než bylo dosaženo při 1420

W. Zde je rychlost exotermické reakce určena řeznou rychlostí. Incidentní laserový výkon je nutný pouze k zahřátí horního povrchu na více než 1000 ° C [11] a zahájení procesu reaktivní fúze. Nadměrná energie dopadajícího laseru snižuje kvalitu řezu. To ukazuje, že kvalita interakce s kyslíkem a železem, nikoli dopadající laserová energie, nyní primárně řídí kvalitu řezu. Proto se jedná o laserové řezání řízené kyslíkem.

Na obrázku 4 je síla snížena pro každou rychlost řezu, první známkou minimální dopadající síly je špatný začátek řezu, jak je vidět na pravém konci. To ukazuje, že požadavky na energii při zahájení řezu jsou vyšší než požadavky na probíhající proces řezání a výkon potřebný k rychlému ustavení procesu stabilního řezání a nikoli napájení pro probíhající proces je základními kritérii.

Při řezání LoPOx s použitím menšího průměru koaxiálních trysek pro stejný materiál tloušťky se získají stejné řezné rychlosti, ale s užší šířkou zářezu a následně sníženým tokem kyslíku. Kvalitních řezů však nebylo možné dosáhnout při nižších výkonech laseru s větším průměrem trysky použitým na obrázku 4. To je navzdory intenzivnějšímu laserovému skvrnu v důsledku průchodu tryskou s menším průměrem. To ukazuje, že požadavek dostatečně širokého zářezu, který umožňuje, aby se struska vyčistila, platí stejně pro řezací proces s dominantním obsahem kyslíku.

Strany řezu jsou zužující se více než strany konvenčního řezání laserem. Charakter kyslíku ovládaný řezem znamená, že kerf je ovlivňován tvarem impozantního kyslíkového paprsku, přičemž vrchní část kerf je stejná šířka jako použitá koaxiální tryska.

Mezera mezi tryskou a obrobkem se měnila s typickými výsledky této variace znázorněné na obrázku 5. Pro různé průměry trysek byla kvalita řezu významně snížena s vůlí většími než 25% průměru trysky. Zvýšení vůle - vůle obrobku vystavila větší množství toku z trysky okolním atmosférickým plynům před vstupem do zahloubení [8]. Změna vůle byla provedena bez odpovídajících změn v průměru laserových skvrn s podobnými výsledky. To dále demonstruje, že změny ovlivňující intenzitu laserového výkonu plynu a nikoliv dopadajícího laseru byly faktorem ovlivňujícím kvalitu řezu laserem v testovaném rozsahu. Obrázek 5 také ukazuje účinek příliš malé vůle (0,1 mm), kde sbíhající se paprsek dosud nepřesahuje průměr paprsku plynu, a proto nedovoluje provozování laserového řezacího procesu ovládaného kyslíkem.

Maximální řezná tloušťka 32 mm byla dosažena řezáním Nd: YAG LoPOx. Řezání nad tuto tloušťku s použitými průměry trysek způsobilo vytvoření nadměrné strusky v zářezu a ztrátu kolmosti řezu. To dále ukazuje vztah mezi šířkou zářezu a tloušťkou řezu při použití nízkých (konvenčních) řezných tlaků.

3.2.2 Vysokotlaký kyslík s dominujícím kyslíkem Nd: YAG řezání - HiPOx

Bylo zjištěno, že při použití mnohem vyšších přívodních tlaků a trysek s menším průměrem je možné řezat oceli tlustší než ty, které byly dříve získány procesem LoPOx. Použitím ocelové desky AS 3679 se ukázalo, že řezná kapacita je mezi 32 a 50 mm. Typické řezné rychlosti s ohledem na tloušťku materiálu a výkon laseru jsou znázorněny na obrázku

6. Obrázek ukazuje pokračování řezných procesů z oblasti nízkého tlaku používané pro tenčí materiály.

Účinek použití vysokých dodávacích tlaků znamená, že tok plynu je složitý a může vést k vlastnostem vnitřního nárazu. Důkaz interakce rázových struktur během řezání může být viděn jako \"hřebeny \" nebo menší značky v řezané ploše a viděny jako čáry probíhající kolmo na strii. Posun těchto hřebenů s vůlí trysek - obrobku je dále důsledkem vyztužení nebo zrušení vnitřních nárazů pomocného plynu a charakteristického šoku, který se objevuje na začátku zářezu ve tvaru\"X\"\"[15]. Práce [16, 17] také ukazuje na složitou a někdy oscilační interakci šoků se štěrbinovými stěnami. Důkaz oscilační povahy řezu je ve stálém \"buzzu \", který lze za určitých řezných podmínek slyšet.

Při použití koaxiální trysky o průměru 1,5 mm byla řezná kapacita uspokojivá pro destičku 32 a 40 mm s výsledky řezání destičky 40 mm znázorněné na obrázku 7. Světlá výška trysek byla významně zvýšena pomocí vysokých asistenčních tlaků plynu a Tvar kerfu byl mnohem méně zužující se než ten, který byl vidět v LoPOx v důsledku méně divergentního proudu plynu s vysokou rychlostí. Takové zářezy jsou vidět na obr. 8.

Řezání profilů pomocí dodaného vlákna Technika Nd: YAG LoPOx je možná s příklady znázorněnými na obrázku 9. Zvýšení teploty uvnitř rohů má za následek zvýšené zúžení v těchto bodech. To je vidět na kruhovém řezu na obrázku 9 (a) a podříznutí rohů na obrázku 9 (b). Podřezání ostrých rohů je nejlépe překonáno použitím snížených řezných rychlostí, jak je znázorněno na obrázku.

Řezání vysokotlakým kyslíkem s použitím laseru Nd: YAG, jako je tomu u laseru CO2 [12], se také ukázalo být vynikajícím při propíchnutí, přičemž k propíchnutí desky AS3679 32 mm je zapotřebí méně než jedna sekunda. Odstranění strusky vyhozené vzhůru zůstává problémem, přičemž její přítomnost na povrchu desky v dráze řezu poškozuje kvalitu řezu

4. Diskuze

Přes nové laserové řezací procesy a zvýšení tloušťky řezu zůstává samotný řezný proces nezměněn. Důkazem toho je snížení řezné rychlosti s tloušťkou řezu a podobnost řezné rychlosti pro konvenční řezy, spřádání paprsků a výkyvů paprsků. V důsledku toho, navzdory změnám v přístupu, zůstávají základní faktory, které řídí řezání tlusté ocelové desky reaktivní fúzí, jako jsou ztráty vedení a omezení odstraňování toku taveniny v důsledku viskozity a povrchového napětí, stále.

Větší a proměnné šířky zářezů vytvořené vlněním paprsku, jakož i různé šířky zářezů vytvořené laserovým řezáním s dominantním kyslíkem pomocí laseru Nd: YAG ukazují potřebu vhodně širokých zářezů se zvyšující se tloušťkou řezu. Avšak při mírných tloušťkách (~ 32 mm), zvyšujících se štěrbinou za hranicí vytvořenou největší tryskou LoPOx, se stává nepraktická, protože spotřeba kyslíku se stává zakázanou. Za tímto účelem přichází použití HiPOx do svého vlastního. Použití vysokého tlaku a následně vysokorychlostního asistovaného proudu plynu umožňuje, aby kyslík byl méně kombinován s atmosférickými plyny, a tak bude snadněji dostupný pro reaktivní fúzi. Dále poskytuje podstatně zvýšené střižné síly na čelní straně taveniny k překonání odporu vůči jeho vůli od řezu. Další charakteristikou procesu HiPOx jsou získané velké vůle trysky - obrobku. Tím je zajištěna spolehlivost vysokotlakých trysek.

Kyslíky ovládané řezy se spoléhají pouze na dopadající laserovou energii k zahájení a udržení řezu. Výsledky ukazují, že tyto síly jsou mnohem nižší než síly potřebné pro ekvivalentní konvenční řezání. K zahájení stabilního řezu jsou však zapotřebí vyšší síly, než jsou síly potřebné k udržení celého procesu řezání. V důsledku toho lze na začátku řezu použít zvýšený výkon pouze pro maximalizaci energetické účinnosti.

Ukázalo se, že řezání profilů je proveditelné s nevýhodou podříznutí vnitřku řezaných rohů. To lze překonat vhodným naprogramováním rychlosti řezu v těchto polohách. Ukázalo se, že propíchnutí tlusté desky je proveditelné, ale existují problémy, kdy se nahoru vyhozená struska později narušuje dodávání pomocného plynu během následujícího řezání. To by bylo možné vyřešit buď přítomností prstencového proudu vzduchu směřujícího ven, obklopujícího trysku, nebo čištěním obsluhy pomocí CNC čekacího příkazu poté, co bylo nejprve provedeno veškeré propíchnutí.

5. Závěry

Použití řezání laserem ovládaného kyslíkem spolu s použitím širších řezných řezů demonstruje proveditelnost použití mírně poháněného Nd: YAG laseru dodávaného vlákny k řezání tlusté měkké ocelové desky. To lze provést pomocí nízkotlaké dodávky pro plech z měkké oceli do tloušťky 32 mm. Vysokotlaká dodávka plynu ukázala, že tloušťky řezu do 50 mm jsou snadno dosažitelné spolu se schopností rychle propíchnout materiál. Probíhající problémy s kvalitou řezu jsou spojeny s artefakty šoků a také problémy týkající se podříznutí rohů, které vyžadují pečlivé programování CNC. Pro úspěšné propíchnutí je nutné následné odstranění vzhůru vypuzované strusky z řezné dráhy, aby bylo zajištěno, že kvalita řezu podkladového obrobku je zachována.

6. Poděkování

Autoři by rádi poděkovali CRC za inteligentní výrobní systémy a technologie Limited za financování projektu Spinning Beam, bez kterého by výše uvedený výzkum a výsledky nemohly být shromážděny.