Laser snij machine

schets

• Materiaalverwerkingsparameters

• Procesbeschrijving

• Mechanismen van lasersnijden

Effect van Power Density

• Vermogensdichtheid is de belangrijkste procesdriver

• Vermogensdichtheid (Intensiteit) = P / pr2

Procesvariabelen voor materiaalverwerking

• De andere belangrijke procesvariabelen:

Interactietijd en empirisch procesgrafiek

• Interactie tijd, t = 2 r / v

waar r = straalradius en v = snelheid

Constructiestaal

snijdend

• Lasersnijden kan sneller en met een hogere kwaliteit dan concurrerende processen:

- Pons, plasma, straalwaterstraal, ultrasoon, oxyflame, zagen en frezen

• Kan worden geautomatiseerd

• 80% industriële lasers in Japan worden gebruikt voor het snijden van metaal

Typische snij-instellingen

Proceskenmerken

• Het is een van de snellere snijprocessen.

• Het werkstuk hoeft niet te worden vastgeklemd, maar een werkstuk is aan te bevelen om te voorkomen dat er verschuift met de tafelacceleratie en om te zoeken bij gebruik van een CNC-programma.

• Gereedschapsslijtage is nul, omdat het proces een snijproces zonder contact is.

• Beperkingen kunnen in elke richting worden gemaakt. Polarisatie kan de efficiëntie van het proces beïnvloeden.

• Het geluidsniveau is laag.

• Het proces kan eenvoudig worden geautomatiseerd met goede vooruitzichten voor adaptief beheer in de toekomst.

• Geen dure gereedschapswisselingen zijn hoofdzakelijk & quot; zacht & quot ;. Dat wil zeggen dat het alleen programmeerwijzigingen zijn. Het proces is dus zeer flexibel.

• Sommige materialen kunnen worden gestapeld, maar er kan een probleem zijn met het lassen tussen lagen.

• Bijna alle technische materialen kunnen worden gesneden. Het kunnen brosse, brosse, elektrische geleiders of niet-geleiders zijn, hard of zacht.

- Alleen sterk reflecterende materialen zoals aluminium en koper kunnen een probleem vormen, maar met de juiste bundelbesturing kunnen deze op een bevredigende manier worden gesneden.

Procesreactie

• De snede kan een zeer smalle snijbreedte hebben, wat een aanzienlijke materiaalbesparing oplevert. (Kerf is de breedte van de snijopening)

• De snijranden kunnen vierkant zijn en niet afgerond zoals bij de meeste hete straalprocessen of andere thermische snijtechnieken.

• De snijkant kan glad en schoon zijn. Het is een voltooide snit, die geen verdere reiniging of behandeling vereist.

• De snijrand kan direct opnieuw worden gelast met weinig tot geen oppervlakvoorbereiding.

• Er is geen randfrezen zoals bij mechanische snijtechnieken. Slijmhechting kan meestal worden vermeden.

• Er is een zeer smalle HAZ-zone (Heat Affected Zone) en een zeer dunne opnieuw gestolde laag van enkele μm, vooral op slakvrije snijwonden. Er is een verwaarloosbare vervorming.

• Blinde sneden kunnen worden gemaakt in sommige materialen, met name materialen die vervluchtigen, zoals hout of acryl.

• Snijdiepte hangt af van het laservermogen. 10-20 mm is het huidige bereik voor snedes van hoge kwaliteit. Sommige zeer krachtige fiberlasers kunnen 50 mm snijden.

schuim

Proces Mechanismen

• De bundel wordt over een geprogrammeerd pad bewogen en het verwijderen van het materiaal vindt plaats als gevolg van meerdere mechanismen.

• Smelten

- Materiaal dat een gesmolten fase met lage viscositeit vertoont, met name metalen en legeringen, en thermoplasten, wordt gesneden door de verhittingsactie van een bundel van vermogensdichtheid in de orde van 104Wmm-2

- De smelt wordt geholpen door afschuifwerking van een stroom inert of actief hulpgas, wat resulteert in de vorming van een gesmolten kanaal door het materiaal dat een kerf (gleuf) wordt genoemd.

• Verdamping

- Geschikt voor materialen die niet gemakkelijk gesmolten worden (sommige glazen, keramiek en composieten)

- Materialen kunnen worden gesneden door verdamping die wordt veroorzaakt door een hogere bundelvermogensdichtheid (> 104Wmm-2)

• Chemische afbraak

- Een kerf kan in veel organische materialen worden gevormd door chemische afbraak veroorzaakt door de verwarmingswerking van de straal.

Materiaalverwijderingsmechanisme in verschillende materialen

Inert Gas Melt Shearing of Melt and Blow

Smelt en blaas

• Zodra een penetratieopening is gemaakt of de snede vanaf de rand is gestart

• Een voldoende sterke gasstraal kan het gesmolten materiaal uit de snijkant blazen om te voorkomen dat de temperatuur verder stijgt tot het kookpunt.

• Snijden met een straal van inert gas vereist slechts een tiende van de energie die nodig is voor verdamping

• Merk op dat de verhouding latente warmte van smelten tot verdamping 1:20 is.

Modellering van het proces

Smelt en blaas

• De groep [P / tV] is constant voor het snijden van een gegeven materiaal met een gegeven straal.

Snijdende actie

• De straal valt op het oppervlak

- Het grootste deel van de straal passeert in het gat of de inkeping

- wat wordt gereflecteerd van het niet-gesmolten oppervlak

- sommigen kunnen er gewoon doorheen gaan.

• Bij lage snelheden begint de smelt aan de voorkant van de balk en veel van de straal passeert schoon door de zaagsnede zonder aan te raken als het materiaal voldoende dun is.

Gedetailleerd smeltblaasmechanisme

• De absorptie is door twee mechanismen:

- Hoofdzakelijk door Fresnel-absorptie, d.w.z. directe interactie van de bundel met het materiaal -

- door plasma-absorptie en reradiatie. Het plasma dat wordt opgebouwd bij het snijden is niet erg significant vanwege het gas dat het wegblaast.

• De vermogensdichtheid op het snijvlak is Fsinq. Dit veroorzaakt smelten en wordt vervolgens weggeblazen door de sleepkrachten uit de snel stromende gasstroom.

• Aan de onderkant van de zaagsnede is de smelt dikker door vertraging van de film en oppervlaktespanning waardoor de smelt niet meer weggaat.

• De gasstroom werpt de gesmolten druppeltjes uit aan de basis van

de snede in de atmosfeer.

Vorming van Striations

• Naarmate de snijsnelheid wordt verhoogd, wordt de straal automatisch efficiënter aan het werkstuk gekoppeld vanwege minder verliezen door de zaagsnede.

• Ook heeft de straal de neiging vooruit te rijden op het niet-gesmolten materiaal. Als dit gebeurt, neemt de vermogensdichtheid toe omdat het oppervlak niet schuin staat.

• De smelt gaat sneller en wordt als een stap in de inkeping geveegd. Terwijl de stap wordt afgeveegd, laat deze een streep achter op de snijrand, een striatie genaamd.

• De oorzaak van striations wordt betwist, er zijn veel theorieën:

- De stap theorie

- kritische druppelgrootte waardoor de smelt in grootte pulseert voordat deze kan worden geblazen

- De zijwaartse brandtheorie.

• Er zijn omstandigheden waaronder geen strepen optreden. Deze worden bepaald door de gasstroom of door te pulseren met de frequentie van de natuurlijke striatie.

striations

Reactief fusiesnijden

• Als het assisterende gas ook in staat is om exotherm te reageren, wordt een extra warmtebron aan het proces toegevoegd.

• Het gas dat door de kerf passeert, sleept niet alleen de smelt weg, maar reageert ook met de smelt.

• Gewoonlijk is het reactieve gas zuurstof of een mengsel dat zuurstof bevat.

• De brandreactie begint meestal bij de ontstekingstemperatuur bovenaan.

• Het oxide wordt gevormd en in de inkeping geblazen en bedekt de onderste laag die de reactie vertraagt en zelfs een breuk in de strepen kan veroorzaken.

Reactive Fusion.

• De hoeveelheid energie die door de brandende reactie wordt geleverd, varieert met het materiaal

- met zacht / roestvrij staal is het 60%

- met een reactief metaal zoals titanium is het ongeveer 90%.

• Snijsnelheden kunnen met deze techniek worden verdubbeld.

• Typisch, hoe sneller de snede, hoe minder warmte doordringt en hoe beter de kwaliteit.

• Een chemische verandering in het werkstuk kan optreden als gevolg van reactieve fusie.

- Met titanium kan dit van kritisch belang zijn omdat de rand wat zuurstof bevat en moeilijker en meer vatbaar is voor scheuren.

- Bij zacht staal is er geen merkbaar effect behalve een zeer dunne opnieuw gestolde oxidelaag op het oppervlak van de.

Reactive Fusion ...

• De slak is een oxide (in plaats van metaal)

- Milde stalen vloeit goed en hecht niet aan het basismetaal

- Bij roestvrij staal bestaat het oxide uit componenten met een hoog smeltpunt, zoals Cr2O3 (smeltpunt ~ 218O ° C) en bevriest dit dus sneller, wat een slakkenprobleem veroorzaakt.

- Aluminium vertoont vergelijkbaar gedrag

• Door de brandende reactie wordt een verdere oorzaak van strepen veroorzaakt

- Bij langzamer snijden (lager dan de brandende reactiesnelheden) wordt de ontstekingstemperatuur bereikt en zal het branden plaatsvinden vanaf het ontstekingspunt in alle richtingen naar buiten.

Striations in Reactive Fusion Cutting

Gecontroleerd breukproces

• Breekbaar materiaal is kwetsbaar voor thermische breuk en kan snel en netjes worden gescheiden door een scheur te geleiden met een fijne vlek die wordt verwarmd door een laser

• De laser verwarmt een klein deel van het oppervlak waardoor het uitzet en daardoor trekspanningen veroorzaakt rondom de laser

• Als er een scheur in deze ruimte is, zal het fungeren als een stressverhoger en zal het scheuren in de richting van de hotspot blijven

• De snelheid waarmee een scheur kan worden geleid, is in de orde van m / s

• Wanneer de scheur een rand nadert, worden de spanningsvelden complexer

Gecontroleerde breuk

• Voordelen:

- De snelheid, randkwaliteit en precisie zijn zeer goed bij het snijden van glas.

- Effectief voor rechte sneden

• Nadelen:

- Moeilijk om geprofileerde sneden te maken, zoals voor de vervaardiging van buitenspiegels

- Moeilijk te modelleren en te voorspellen in de buurt van de randen

Verwerkingsbereik voor gecontroleerde breuk

Scribing

• Dit is een proces voor het maken van een groef of lijn van gaten die geheel of gedeeltelijk penetreren

• Hierdoor wordt de structuur voldoende verzwakt zodat deze mechanisch kan worden verbroken

• Typisch verwerkte materialen zijn siliciumchips en aluminiumoxidesubstraten

• Kwaliteit wordt gemeten aan de hand van het gebrek aan vuil en een zone met weinig hitte

• Aldus worden pulsen met een lage energie en hoge vermogensdichtheid gebruikt om het materiaal hoofdzakelijk als damp te verwijderen

Verdampingssnijwerk

• De gefocusseerde bundel bij verdampingssnijden verwarmt eerst het oppervlak tot het kookpunt en genereert een sleutelgat.

• Het sleutelgat veroorzaakt een plotselinge toename van het absorptievermogen als gevolg van meerdere reflecties en het gat wordt snel dieper.

• Naarmate het verdiept wordt er damp gegenereerd en ontsnapt het blazen uitwerpen uit het gat of de zaagsnede en stabiliseren de gesmolten wanden van het gat

• Dit is de gebruikelijke methode om te snijden voor gepulste lasers of bij het snijden van materialen die niet smelten, zoals hout, koolstof en sommige kunststoffen.

Vaoporization

• De snelheid van penetratie van de straal in het werkstuk kan worden geschat op basis van een ophoping

berekening van de warmtecapaciteit

- 1D warmtestroom

- Geleiding wordt genegeerd

- De penetratiesnelheid is vergelijkbaar met of sneller dan de snelheid van geleiding

- volume verwijderd per seconde per oppervlakte-eenheid = penetratiesnelheid, V m / s

Verdamping

Koud snijden

• Krachtige UV Excimer-lasers vertonen koud snijden

- De energie van het ultraviolette foton is 4,9 eV, wat vergelijkbaar is met de verbindingsenergie voor veel organische materialen.

- Als een binding door een dergelijk foton wordt geraakt, kan het breken

- Wanneer deze straling op plastic wordt geschenen met een voldoende hoeveelheid fotonen dat er ten minste één foton / binding is, dan verdwijnt het materiaal zonder verwarming zonder een gat achter te laten zonder rommel of randbeschadiging

Effect van spotgrootte

• De belangrijkste parameters zijn laservermogen, verplaatsingssnelheid, puntgrootte en materiaaldikte.

• Spotgrootte werkt op twee manieren:

- Ten eerste zal een afname van de vlekgrootte de vermogensdichtheid verhogen die van invloed is op de absorptie en

- Ten tweede zal het de snijbreedte verkleinen.

• Lasers met een stabiel vermogen en modi met een lage orde - meestal kloppen de TEMoo-modi aanzienlijk beter dan bij andere modi

Golflengte

• Hoe korter de golflengte, hoe hoger het absorptievermogen voor de meeste metalen

• Dus heeft YAG-straling de voorkeur boven CO2-straling, maar de slechte modusstructuur van de meesten

YAG-lasers het voordeel is gecompenseerd

• Glasvezellasers met goede bundelmodus kunnen een voordeel hebben.

Samenvatting

• Basis van lasersnijden

• Mechanismen

• Factoren die van invloed zijn op lasersnijden