Zagen van 50 mm dikke plaatstalen plaat met een Nd: YAG laser

Abstract

We rapporteren resultaten van experimenten die de haalbaarheid onderzoeken van het snijden van dikke (> 15 mm) plaat van zacht staal met een vezelgekoppelde Nd: YAG laser. De experimenten werden uitgevoerd met een Nd: YAG-laser van 2,5 kW met continue golf die aan het werkstuk werd geleverd via een optische vezel met een siliciumkern met een diameter van 0,6 mm. De stalen van zacht staal variëren in dikte van 10 tot 50 mm. De effecten van een reeks bedrijfsparameters zoals brandpunt en positie van snijmondstuk ten opzichte van stalen oppervlak, ondersteunende gasdruk, vermogen en processnelheid, op de kwaliteit van het snijoppervlak worden gepresenteerd en besproken. De resultaten tot nu toe laten zien dat het mogelijk is om tot 50 mm dikke zachtstalen plaat te snijden met snelheden tot 200 mm / min met zo laag als 500 W Nd: YAG laservermogen. Het snijvlak is glad en er is geen slak. Deze resultaten zijn veelbelovend voor de toepassing van Nd: YAG-lasertechnologie voor het snijden van dikke stalen platen.

1. Inleiding

Lasersnijden vertegenwoordigt ongeveer een kwart van de lasermateriaalverwerkende industrie [1]. In meer dan 30 jaar sinds de eerste gasondersteunde lasersnijding werd geproduceerd [2] is er weinig veranderd aan de lasersnijmethode. Voor het snijden van zacht staal wordt een laserstraal gericht op of nabij het werkstukoppervlak en omgeven door een bredere coaxiale stroom zuurstofondersteunend gas. Gewoonlijk worden laservermogens tot 3 kW gebruikt om zacht staal te snijden tot 12-15 mm dikte met dikkere platen die voornamelijk zijn gesneden met plasma- of autogeenbrandstofsystemen. Hoewel het mogelijk is om metalen te snijden met de CO2-laser tot een dikte van 40 mm, is er een aanzienlijke afname in snijkwaliteit en reproduceerbaarheid [3].

Een oplossing voor het snijden van dikkere plaatstalen platen is het vergroten van het laservermogen. Hoewel deze aanpak een aantal voordelen biedt, zijn er ook grote uitdagingen. Bij hogere vermogens (3,5 kW en hoger) wordt de bundelkwaliteit onstabiel, wordt de levensduur van optische componenten verkort, zijn de apparatuur- en bedrijfskosten hoog en verslechtert de precisie. In [4] werd aangetoond dat voor een gegeven kwaliteit van de oppervlakteafwerking, hoewel de dikte van de zaagsnede ongeveer constant blijft, de snijsnelheid er niet proportioneel op afneemt, wat wijst op een afname van de snij-efficiëntie bij toenemende materiaaldikte. Vermindering van de snij-efficiëntie naarmate het materiaal dikker wordt, wordt toegeschreven aan een vermindering van het vermogen van het hulpgas om de smelt te schuiven. Bij het snijden van dikkere materialen moet de druk toenemen om het verwijderen van gesmolten materiaal mogelijk te maken. Bij gebruik van zuurstofondersteunend gas betekent de exotherme aard van de reactie echter dat de zuurstofdruk moet worden verlaagd met toenemende dikte om een ​​overreactie binnen de zaagsnede te voorkomen. Nauwe beheersing van de zuurstofdruk is essentieel om oncontroleerbare verbranding weg van het verwarmde gebied te voorkomen. Dit is in tegenspraak met de vereisten voor het succesvol snijden van dik zacht staal. Het beperkt de maximale snijdikte, ondanks het vermogen om de snijprestaties te vergroten door het laservermogen te vergroten. Om deze beperking te overwinnen en het diktevermogen van reactief versmeltingssnijden te vergroten, zijn alternatieve en nieuwe methoden vereist.

Er zijn talloze technieken ontwikkeld om vermindering van de snijprestaties te verhelpen naarmate de dikte van zacht staal toeneemt. Hieronder vallen: laservlamsnijden [5], lenzen met dubbele focus [6], zaagbundels met adaptieve optiek [7], lasersnijden met een coaxiaal (ringvormig) mondstuk [8], CO2-lasersnijden met twee bundels [ 9], draaiende laserstraal [13, 14] en lasergestuurd zuurstofsnijden (Lasox ©) [10 - 12].

We hebben eerder gemeld [14] dat dikkere plaatstalen platen werden gesneden met behulp van de draaiende Nd: YAG-laserstraal. Hier gerapporteerd zijn de resultaten van het snijden van dikke plaat van zacht staal (> 15 mm) met behulp van een vezel geleverde Nd: YAG laser door de laserstraal te wiebelen (een methode die analoog is aan het draaien van de straal) en door de methode van door zuurstof gedomineerd lasersnijden zoals dat Lasox snijden [10, 11, 12]. Zuurstofgedomineerde Nd: YAG lasersnijproeven werden uitgevoerd met eerst lage en vervolgens hoge zuurstofondersteunende gasdrukken.

2. De laserstraal wiebelen

2.1 Experimentele details

Het wiebelen van de laserstraal werd veroorzaakt door gedeeltelijke rotatie (oscillatie) van een optisch venster over een hoek zoals weergegeven in figuur 1 (a). Dit resulteerde in een maximale brandpuntsafstand van 0,45 mm bij een maximale frequentie van 20 Hz. Een resulterend spoor, hier met overdreven golflengte om oscillerende beweging te tonen, wordt getoond in figuur 1 (b). Het was mogelijk om de amplitude van de oscillatie van het raam te variëren om veranderingen in de breedte van de zaagsnede teweeg te brengen om het effect van het verbreden van de zaagsnede op het snijproces te bestuderen.

2.2 Snijden van staal met behulp van laserondersteunde zuurstofgedomineerde benadering

De methode van lasergestuurd snijden met behulp van zuurstof werd geïmplementeerd op AS3678 plaatstalen platen met een dikte van 16 tot 50 mm. De zuurstofdruk van het gas werd gehandhaafd op minder dan 120 kPa (lagedruk-zuurstofsnijden –LoPOx) of op hoge drukken (hogedruk-zuurstofsnijden - HiPOx). Snijresultaten werden geregistreerd als een functie van snijkwaliteit (snijstreep, zaagvorm, overmatige slak) en snijsnelheid.

3. Resultaten

3.1 De laserstraal wiebelen.

Door de balk op het werkstuk te wiebelen, werd de maximale snijdikte verhoogd van 12 mm, zoals bij conventioneel zagen, tot 16 mm. Een grafiek van de maximale snijsnelheid voor verschillende diktes en laserkrachten, te zien in figuur 2, geeft aan dat hoewel de snijdikte is verbeterd met de wiebelende straal, de snijsnelheid vergelijkbaar is met die van conventioneel (CW) snijden, dit geeft aan dat de snede het proces dat zich binnen de zaagsnede voordoet, blijft onveranderd tijdens het slingeren van de bundel. Vergelijkbare snijsnelheden werden ook bereikt met de draaiende balk [14].

De grotere snijdikte kan worden toegeschreven aan de grotere zaagbreedte. Dit wordt gedemonstreerd door de amplitude van de schommeling te variëren, zoals weergegeven in figuur 3. Hier, aangezien de schommelamplitude sequentieel wordt verlaagd van een maximale amplitude van 0,45 mm tot nul, wordt de zaagbreedte verkleind, wat overeenkomt met een vermindering van het vermogen om te wissen de smelt. Dit toont duidelijk de noodzaak aan om een ​​voldoende zaagbreedte te hebben om slak te verwijderen. Deze opvatting wordt ook door anderen uitgedrukt [12], waar wordt gesuggereerd dat zowel de vloeistofdynamica als de thermodynamica worden beperkt door smalle kerfs.

3.2 Snijden van staal met behulp van door een laser ondersteunde zuurstofgedomineerde benadering

3.2.1 Zuurstofgedomineerd snijden met lage druk - LoPOx

Het LoPOx-snijproces maakt gebruik van dezelfde laserstraal met een grotere diameter en een smalle imposante zuurstofstraal aan de bovenkant van het werkstuk als te zien in het Lasox-proces, maar met hulpgasdrukken onder 120 kPa. Snijvlakken getoond in Figuur 4 met behulp van het LoPOx-proces tonen aan dat lage invallende laserkrachten het lasersnijden niet belemmeren zolang de primaire en voortdurende initiatie van de snede kan plaatsvinden. Naarmate de snijsnelheid toeneemt, kan het invallende laservermogen te veel energie bijdragen en daardoor overmatige strepen veroorzaken. Dit wordt getoond in de figuur door de snijsnelheid van 450 mm / min te observeren, waarbij een beter oppervlak werd gegenereerd door 533 W invallend laservermogen dan werd bereikt bij 1420

W. Hier wordt de snelheid van de exotherme reactie bepaald door de snijsnelheid. Incident laservermogen is alleen nodig om het bovenoppervlak te verwarmen tot meer dan 1000 ° C [11] en het reactieve fusieproces te starten. Overmatig invallend laservermogen vermindert de snijkwaliteit. Dit toont aan dat kwesties van zuurstof-ijzerinteractie, en niet het invallende laservermogen, nu primair de snijkwaliteit bepalen. Daarom is dit een door zuurstof gedomineerd lasersnijproces.

In Figuur 4 is het vermogen voor elke snijsnelheid verminderd. Eerste indicaties van minimaal invallend vermogen zijn de slechte start van de snede, zoals te zien is aan de rechterkant. Dit toont aan dat de vermogensvereisten bij het starten van de snede hoger zijn dan die van het lopende snijproces en dat het vermogen dat nodig is voor het snel tot stand brengen van een stabiel snijproces en niet het vermogen voor het lopende proces de essentiële criteria zijn.

Bij LoPOx-snijden met een kleinere coaxiale spuitmonddiameter voor materiaal van dezelfde dikte, worden dezelfde snijsnelheden verkregen, maar met een smallere zaagbreedte en daardoor een verminderde zuurstofstroom. De sneden van hoge kwaliteit konden echter niet worden bereikt bij de lagere laservermogens met de grotere spuitmonddiameter die wordt gebruikt in figuur 4. Dit ondanks een intensere laserspot als gevolg van het passeren van een spuitmond met een kleinere diameter. Dit toont aan dat de vereiste van een voldoende brede zaagsnede om de slak te verwijderen evenzeer geldt voor het door zuurstof gedomineerde snijproces.

De zijkanten van de snede lopen meer taps toe dan bij conventioneel (lasergedomineerd) snijden. Het door zuurstof gedomineerde karakter van het snijproces betekent dat de inkeping wordt beïnvloed door de vorm van de imposante zuurstofstraal, waarbij de bovenkant van de inkeping dezelfde breedte heeft als het gebruikte coaxiale mondstuk.

De speling tussen de spuitmond en het werkstuk werd gevarieerd met typische resultaten van deze variatie getoond in Figuur 5. Voor verschillende spuitmonddiameters was de snijkwaliteit aanzienlijk verminderd met spelingen groter dan 25% van de spuitmonddiameter. Toename van de speling van het mondstuk - het werkstuk heeft meer van de stroom van het mondstuk naar de atmosferische atmosferische gassen blootgesteld voordat het de zaagsnede binnenging [8]. De verandering in klaring werd uitgevoerd zonder overeenkomstige veranderingen in de diameter van de laservlek met vergelijkbare resultaten. Dit toont verder aan dat veranderingen om gas te ondersteunen en niet de intensiteit van het laservermogen de factor was die de lasersnijkwaliteit over het geteste bereik beïnvloedde. Figuur 5 toont ook het effect van een te kleine speling (0,1 mm) waarbij de convergerende bundel de gasstraaldiameter nog niet overschrijdt, waardoor het door zuurstof gedomineerde lasersnijproces niet kan werken.

Een maximale snijdikte van 32 mm werd bereikt met Nd: YAG LoPOx-snijden. Snijden boven deze diktes met de gebruikte mondstukdiameters veroorzaakte de vorming van overmatige slakvorming in de zaagsnede en een verlies van loodrechtheid van de snede. Dit toont verder het verband aan tussen zaagbreedte en snijdikte bij gebruik van lage (conventionele) snijdrukken.

3.2.2 Hoge druk zuurstof gedomineerd Nd: YAG lasersnijden - HiPOx

Door gebruik te maken van een veel hogere toevoerdruk en mondstukken met een kleinere diameter, bleek het mogelijk staalsoorten te snijden die dikker waren dan die welke eerder werden verkregen met het LoPOx-proces. De snijcapaciteit bleek tussen 32 en 50 mm dikte te zijn met behulp van AS 3679 staalplaat. Typische snijsnelheden met betrekking tot materiaaldikte en laservermogen worden getoond in Figuur

6. De afbeelding toont een voortzetting van snijprocessen uit het lagedrukgebied dat wordt gebruikt voor dunnere materialen.

Het effect van het gebruik van hoge afgiftedrukken betekent dat de gasstroom complex is en interne schokkenmerken kan veroorzaken. Bewijs van de interactie van schokstructuren tijdens het snijden kan worden gezien als\"ribbels\" of mindere markeringen in het snijvlak en gezien als lijnen die loodrecht op de stria lopen. Verder is het verschuiven van deze richels met speling tussen mondstuk en werkstuk het gevolg van versterking of annulering van inwendige hulpgasschokken en de karakteristieke schok die verschijnt aan het begin van de zaagsnede in de vorm van een\"X\" [15]. Werk [16, 17] wijst ook op een complexe en soms oscillerende interactie van schokken met de zaagwanden. Bewijs van de oscillerende aard van de snede is in de constante \"buzz \" die onder bepaalde snijomstandigheden te horen is.

Met behulp van een coaxiaal mondstuk met een diameter van 1,5 mm bleek de snijcapaciteit bevredigend te zijn voor een plaat van 32 en 40 mm, met de resultaten van het snijden van een plaat van 40 mm zoals weergegeven in figuur 7. De speling van het mondstuk werd aanzienlijk vergroot met de hoge hulpgasdrukken en de vorm van de kerf was veel minder taps dan die gezien in LoPOx als gevolg van de minder divergente gasstroom met hoge snelheid. Dergelijke kerfs zijn te zien in figuur 8.

Profielsnijden met behulp van de geleverde vezel Nd: YAG LoPOx-techniek is mogelijk met voorbeelden die worden getoond in Figuur 9. Hier leidt temperatuurverhoging aan de binnenkant van hoeken tot verhoogde tapering op deze punten. Dit is te zien op de cirkelvormige snede van figuur 9 (a) en de ondersnijding van hoeken in figuur 9 (b). Ondersnijding van scherpe hoeken kan het beste worden verholpen door het gebruik van verlaagde snijsnelheden, zoals weergegeven in de afbeelding.

Door zuurstof gedomineerd snijden onder hoge druk met behulp van de Nd: YAG laser zoals gebruikt met de CO2 [12] blijkt ook uitstekend te zijn in piercings met minder dan een seconde nodig om een ​​32 mm AS3679 plaat te doorboren. Het verwijderen van naar boven uitgeworpen slak blijft een probleem, met zijn aanwezigheid op het plaatoppervlak in het snijpad dat nadelig is voor de snijkwaliteit

4. Discussie

Ondanks de nieuwe lasersnijprocessen en de toename van de snijdikte, blijft het snijproces zelf ongewijzigd. Dit blijkt uit de verlaging van de snijsnelheid met snijdikte en gelijkenis in de snijsnelheid voor conventionele, draaiende en slingerende bundelsnedes. Ondanks de veranderingen in benadering blijven daarom de fundamentele factoren die het snijden van dikke stalen platen door reactieve versmelting beheersen, zoals geleidingsverliezen en beperking van verwijdering van smeltstroom als gevolg van viscositeit en oppervlaktespanning, nog steeds bestaan.

De grotere en variërende snijbreedtes die worden geproduceerd door het wiebelen van de balk, evenals de verschillende snijbreedtes die worden gegenereerd door het gebruik van door zuurstof gedomineerd lasersnijden met de Nd: YAG-laser, tonen de noodzaak aan van passend brede kerfsneden naarmate de snijdikte toeneemt. Bij gematigde diktes (~ 32 mm) wordt het vergroten van de zaagsnede boven die geproduceerd door het grootste LoPOx-mondstuk onpraktisch omdat het zuurstofverbruik onbetaalbaar wordt. Daartoe komt het gebruik van HiPOx goed tot zijn recht. Door gebruik te maken van een hoge druk en bijgevolg een hoge snelheid van de hulpgasstroom kan zuurstof minder worden gecombineerd met atmosferische gassen en dus gemakkelijker beschikbaar zijn voor reactieve fusie. Verder zorgt het voor een aanzienlijk verhoogde schuifkracht op het smeltoppervlak om de weerstand tegen de speling van de zaagsnede te overwinnen. Een bijkomend kenmerk van het HiPOx-proces zijn de grote, verkregen mondstuk-werkstukken. Dit zorgt voor de betrouwbaarheid van de hogedruksproeiers.

Zuurstofgedomineerde sneden zijn alleen afhankelijk van het invallende laservermogen om de snede te initiëren en vervolgens vol te houden. De resultaten tonen aan dat deze vermogens veel lager zijn dan die vereist voor gelijkwaardig conventioneel snijden. Er zijn echter hogere vermogens vereist voor het starten van een gestage snede dan die nodig zijn om het algehele snijproces te behouden. Bijgevolg kan een verhoogd vermogen alleen aan het begin van de snede worden gebruikt om de energie-efficiëntie te maximaliseren.

Profielsnijden is mogelijk gebleken met het nadeel dat de binnenkant van de snijhoeken wordt ondermijnd. Dit kan worden ondervangen door de snijsnelheid op deze posities correct te programmeren. Het is mogelijk om een ​​dikke plaat te doorboren, maar er zijn problemen met de naar boven uitgeworpen slak die later de afgifte van het hulpgas tijdens het daaropvolgende snijden belemmert. Dit kan worden verholpen door ofwel de aanwezigheid van een naar buiten gerichte ringvormige luchtstraal die de spuitmond omgeeft, ofwel door reiniging door de operator door middel van een CNC-wachtopdracht nadat alle piercings aanvankelijk zijn uitgevoerd.

5. Conclusies

Het gebruik van door zuurstof gedomineerd lasersnijden in combinatie met het gebruik van bredere snijkanten toont de haalbaarheid aan van het gebruik van de matig aangedreven, door vezels geleverde Nd: YAG-laser om dikke plaatstalen platen te snijden. Dit kan worden gedaan met lagedruktoevoer voor zachtstalen platen tot een dikte van 32 mm. Hoge druk gasafgifte heeft aangetoond dat snijdiktes tot 50 mm gemakkelijk haalbaar zijn, samen met het vermogen om het materiaal snel te doorboren. Er zijn aanhoudende problemen met de snijkwaliteit die verband houden met schokartefacten en ook problemen met het ondergraven van hoeken die een zorgvuldige CNC-programmering vereisen. Om met succes te doorboren, moet de opwaarts uitgeworpen slak van het snijpad worden verwijderd om ervoor te zorgen dat de snijkwaliteit van het onderliggende werkstuk behouden blijft.

6. Dankwoord

De auteurs willen de CRC van Intelligent Manufacturing Systems and Technologies Limited bedanken voor hun financiering van het Spinning Beam-project zonder welke het bovenstaande onderzoek en de resultaten niet konden worden verzameld.