Технологични особености на прецизното лазерно рязане

МашиниСп. Инженеринг ревю - брой 9/2017 • 09.01.2018

Технологични особености на прецизното лазерно рязане
Технологични особености на прецизното лазерно рязане
Технологични особености на прецизното лазерно рязане

Несъвършенства като грапави мустаци или шлака в обработващите процеси може да изглеждат като нещо нормално, но в много случаи операторите могат да ги избегнат, като направят правилни настройки на параметрите на рязане. Получаването на чист срез наистина се свежда до параметрите на лазерния лъч и газовата динамика.

Някои лъчи могат да изискват различна динамика на газа. Например фиброоптичните и някои твърдотелни лазери са силно фокусирани и осигуряват малки точки, които създават тесен срез; по-тесните срезове изискват по-високи скорости на газовия поток, като по този начин се осигурява натиск за правилно отстраняване на разтопения материал (въпреки че при модерните версии на технологията има по-дълги фокусни разстояния и характеристики на снопа, подходящи за по-дебел материал). Въпреки че дължината на вълната на лъча и профилът й могат да бъдат различни, фиброоптичните лазери и асистиращият газ пак работят в синхрон.
Постигането на равномерен срез е свързано с осигуряване на съвместимост на параметрите на лъча и динамиката на газа, което гарантира, че точното количество стопен метал ще напусне среза в точното време и по правилния начин.

Промяна на параметрите
В по-голямата си част съвременните машини контролират характеристиките на лазерния лъч, по-специално неговата мощност (обикновено в максимална степен) и профилът му. Фокусът на лъча, базиран на използваната оптика за фокусиране, е подбран за конкретни категории материали и дебелини.
Техниците (при съвременните автоматизирани системи - самите машини) могат да проверят безброй параметри, от центровката на лъча през системата за подаване на лъчи (в CO2 лазери) до позицията на дюзата за калибриране на фокусното разстояние, както и да проверяват дали разположението на фокуса, зададено от CNC управлението, съответства на реалния фокус на лазерния лъч върху детайла.

За някои приложения, ако фокусната точка е прекалено високо в среза, може да се появи игловидна шлака; твърде ниското фокусиране в среза предизвиква по-ниски скорости на рязане и може да остави след себе си т. нар. “зрънца”.
Фокусното разстояние (позиция) обикновено се запазва като част от таблицата на програмата за рязане. Останалите параметри включват налягането на газа, отстоянието на дюзите от материала, честотата на лазерната мощност и скоростта на рязане за различни контури.

При съвременните системи много от настройките на параметрите са автоматизирани, включително смяната на дюза с по-малък или по-голям диаметър. Това означава, че операторът, стоящ зад машината, обикновено регулира налягането на газа, фокусната позиция и скоростта на рязане. Все пак параметрите не винаги биват коригирани по посочения начин за сметка на качеството на среза или ръчното отстраняване на шлаката.

Динамика на газа
В идеалния случай операторите трябва да правят промени в настройките, взимайки предвид качеството, ефективността и разходите, особено при употребата за азот като асистиращ газ. Той може да състави между 35 и 50% от променливите разходи при лазерното рязане, така че е важно да се контролира потреблението му. Следователно едно от първите съображения при настройката на параметрите на рязане е да се минимизира диаметърът на дюзата, т. е. да се избере най-малкият диаметър на дюзата, който може да се използва за получаване на желаното качество и производителност.

Когато става въпрос за скорост на потока на асистиращия газ, диаметърът на дюзата има огромно значение - ако операторът увеличи диаметъра на дюзата с коефициент 2, дебитът на газа се увеличава с коефициент 4.
След като се определи най-малкият диаметър на дюзата, се определя и най-ниското възможно налягане, необходимо за получаване на добро качество на рязане с добро отделяне на разтопения метал и без неравности на среза. Налягането не трябва да бъде прекалено високо, тъй като увеличава пропорционално дебита.
Налягането на азота при рязане обикновено се настройва над 10,3 бара и до 25,9 бара за дебели детайли - много по-високо от сравнително ниското налягане на кислородно рязане (1,9 бара или по-ниско, в зависимост от операцията и дебелината на материала). Налягането трябва да е достатъчно високо, но за да се спестят разходи, не по-голямо от необходимото.

След като избере най-малък предпочитан диаметър на дюзата, операторът задава отстоянието от обработвания детайл да е равно на диаметъра на дюзата. Причината за това не е изцяло интуитивна.
Вярно е, че настройването на прекалено голямо отстояние води до това, че асистиращият газ има проблеми при отстраняване на разтопения метал чисто и ефективно от среза. Ако операторът не знае, че би трябвало да намали отстоянието, то той увеличава налягането на газа за компенсация, като по този начин увеличава употребата му и променливите разходи.

Има обаче и друга причина за настройването на специфично отстояние на дюзите която е доста ключова, поради преминаване на звуковата бариера, особено при азотното рязане. Газовият поток става свръхзвуков и по този начин предизвиква ударна вълна. Когато дюзата не е на правилната височина, тези ударни вълни взаимодействат с повърхността на детайла и среза по негативен начин.

Това също се отнася и за прилепването на пръски разтопен материал по дюзата или вътрешната стена. Изпъкналите пръски прекъсват динамиката на газовия поток и насочват свръхзвуковата ударна вълна към среза. Ударната вълна прави отстраняването на разтопения метал нестабилно, а някои метали се охлаждат, преди да излязат от зоната за рязане, като се втвърдят, докато все още висят върху долния режещ ръб. С други думи, образуват се грапави мустаци. Това е ключова причина за рязане с чиста дюза. Това също е една от причините модерните лазерни машини да имат сензори за откриване на обструкции по дюзите и автоматично да ги почистват и отстраняват.

От вътрешната страна повечето дюзи са цилиндрични и много пригодни за различни дебелини на листа. Някои дюзи, подходящи за тесен кръг от (обикновено по-дебели) материали, имат стесняваща се или разширяваща се форма, предназначена да придаде на газовия поток, обгръщащ режещия лъч, подобна форма, или такава на пясъчен часовник. Формата тип пясъчен часовник на лъча при входа и изхода му от фокусната точка, заедно с местоположението и естеството на екзотермичната реакция по време на кислородно рязане, създава характерен срез, отчетливо видим на по-дебела плоча. Колкото по-дебел е материалът, толкова по-голяма е разликата в газовата динамика и лазерния лъч между горната и долната повърхност на среза. Следите от рязането са гладки отгоре и стават по-груби надолу в среза, като в крайна сметка се превръщат в груби грапавини най-отдолу. Асистиращият газ също взаимодейства с околния въздух.

Молекулите на горещия газ се движат по-бързо от по-студените, и тези молекули бомбардират бързо движещите се молекули на асистиращия газ. Влажният въздух също има различно поведение от сухия въздух. Всичко това се отразява на динамиката на газовия поток.

Диаметърът на дюзите и налягането на газа могат да бъдат настроени по един начин през януарска сутрин и по друг значително по-различен начин през юлски следобед, всичко това заради промените в температурата на околния въздух. Така че когато се определят оптималните настройки за икономична работа, най-малкият диаметър на дюзите и най-ниското налягане за добро рязане, операторът трябва да е наясно с ефекта на температурата на околния въздух от самото начало.

Скорост на рязане
По-ниските стойности, предпочитани за диаметъра на дюзите и налягането на газа, не се прилагат за скоростта на рязане. Ако операторът забави скоростта на рязане, за да избегне грапавините при рязането, то това ще доведе до инжектиране в среза на повече топлина, отколкото е необходимо. Температурата ще се увеличи до екстремно ниво, което причинява изпаряване, нарушаващо газовия поток. Това нарушаване на свой ред създава повече грапавини, а не по-малко, така че операторът всъщност може да намали качеството на рязане, като забави скоростта на подаване.

В този случай погрешно се тълкува това, което се случва в среза. Лазерният лъч при пробиването на материала се задържа прекалено дълго във всяка точка на среза и затова индуцира излишна топлина и причинява лошо отстраняване на материал (аблация). Нарушава се динамиката на газовия поток, който от своя страна не отстранява достатъчно количество стопен метал в точното време. Остатъчни количества стопилка се втвърдяват в дъното на среза.
Знаейки това, грапавините могат да се предотвратят, като леко се увеличи скоростта на рязане. Това увеличение на скоростта ще намали входящата топлина и аблация и ще възстанови динамиката на газовия поток до нейното правилно състояние.

Съображения при кислородно рязане
При преминаване към кислородно рязане на въглеродна стомана трябва да се обмисли екзотермичната реакция, в която нивото на чистота на газа играе важна роля.
Многократно е доказано, че както при CO2, така и при оптичните лазери, увеличаването на кислорода с глобална чистота до 99,95% или повече - до 99,98% или 99,99%, води до значително увеличаване скоростта на рязане при производството, понякога между 30 и 40%.

Ако в кислородния съд или цилиндър има спад в нивото на чистота, то примесът обикновено е аргон. Това е така, защото когато кислородният газ се произвежда криогенно в агрегат за разделяне на въздуха както кислородът, така и аргонът се втечняват при много сходни температури.

Примесът на аргон не променя газовата динамика или това как асистиращия газ протича през среза. Но аргонът е по-тежък от кислородните молекули и има много различни характеристики на топлопроводимост. Така че когато се добави аргон към сместа, химическото взаимодействие между съставения основно от кислород газ и стопения метал се променя.

Това променя екзотермичната реакция, която, от своя страна, може да повлияе на ефективността на рязане. Екзотермичната реакция работи в тясна връзка с дебита на газа (отново, много по-ниска, отколкото при азотното рязане), за да изгори и да евакуира разтопения материал и шлаката. Ако този разтопен материал и окислената шлака не се отстраняват ефективно, то те остават като мустаци по среза.

Повечето монтажници на лазерни режещи системи знаят, че трябва да избягват употребата на колена в газопроводните инсталации (които могат да предизвикат падове на налягане) или да увеличат диаметъра на тръбите, за да компенсират пада на налягане, ако те са неизбежни.
По време на престой, когато газът не изтича към лазера, въздухът прониква и запълва тръбите, което може да доведе до проблеми при следващото включване за работа. Ако атмосферата в тръбите не бъде прочистена, асистиращият газ ще е замърсен.

ЕКСКЛУЗИВНО

Top