YAG-лазер: как резать пластину из мягкой стали толщиной 50 мм с помощью Nd-лазера

Мы представляем результаты экспериментов, исследующих возможность использования волоконно-оптического Nd:YAG-лазер для резки толстых пластин из мягкой стали (толщиной > 15 мм). Испытания проводились с использованием непрерывной волны лазера Nd:YAG мощностью 2,5 кВт, которая подавалась на заготовку через оптоволокно с кварцевым сердечником диаметром 0,6 мм. Образцы мягкой стали, использованные в исследовании, имели толщину от 10 до 50 мм. Было исследовано и проанализировано влияние различных рабочих параметров, включая размер фокусного пятна, положение режущего сопла относительно стальной поверхности, давление вспомогательного газа, мощность лазера и скорость резки, на качество поверхностей реза.

Предварительные результаты показывают, что возможно резать пластины из мягкой стали толщиной до 50 мм со скоростью до 200 мм/мин при мощности лазера Nd:YAG всего лишь 500 Вт. Полученные поверхности реза были гладкими и без окалины, что говорит о том, что технология лазера Nd:YAG имеет значительный потенциал для резки толстых стальных пластин.

Введение

Лазерная резка в промышленности по обработке материалов

Лазерная резка составляет примерно четверть отрасли лазерной обработки материалов [1]. За последние 30 лет с момента первой газовой лазерной резки [2] основной метод лазерной резки претерпел мало изменений. Для резки мягких сталей лазерный луч обычно фокусируется на поверхности заготовки или вблизи нее и окружен коаксиальным потоком вспомогательного газа кислорода. Обычно для резки мягких сталей толщиной от 12 до 15 мм используются лазеры мощностью до 3 кВт, в то время как более толстые пластины обычно режут с использованием плазменных или кислородно-топливных систем. Хотя CO2-лазеры способны резать металлы толщиной до 40 мм, с увеличением толщины наблюдается значительное снижение качества и воспроизводимости резки [3].

Проблемы резки толстых материалов

Одним из подходов к резке более толстых пластин из мягкой стали является увеличение мощности лазера. Хотя этот метод дает несколько преимуществ, он также создает значительные проблемы. При более высоких мощностях (3,5 кВт и выше) качество луча может стать нестабильным, что сокращает срок службы оптических компонентов, увеличивает расходы на оборудование и эксплуатацию, а также ухудшает точность резки. Как показано в [4], хотя толщина пропила остается приблизительно постоянной для заданного качества отделки поверхности, скорость резки не уменьшается прямо пропорционально толщине материала, что предполагает снижение эффективности резки по мере увеличения толщины материала.

Это снижение эффективности резки с увеличением толщины материала объясняется снижением способности вспомогательного газа к сдвигу расплавленного материала. По мере увеличения толщины давление вспомогательного газа также должно увеличиваться для эффективного удаления расплавленного материала. Однако при использовании кислорода в качестве вспомогательного газа экзотермическая реакция, происходящая в пропиле, требует снижения давления кислорода по мере увеличения толщины материала для предотвращения чрезмерного горения и чрезмерной реакции. Поэтому управление давлением кислорода становится критически важным для предотвращения неконтролируемого горения за пределами нагретой области. Это создает противоречие в требованиях: хотя увеличение мощности лазера может повысить производительность резки, этого недостаточно для преодоления ограничений, налагаемых необходимостью контролировать давление кислорода. Это представляет собой препятствие для достижения большей толщины реза, несмотря на потенциал более высокой мощности лазера.

Альтернативные методы резки толстой стали

Для преодоления ограничений, связанных с увеличением мощности лазера, были разработаны многочисленные методы поддержания или повышения производительности резки при увеличении толщины мягкой стали. Некоторые из этих методов включают: лазерную резку пламенем [5], двухфокусные линзы [6], резку лучом с адаптивной оптикой [7], лазерную резку с использованием коаксиального (кольцевого) сопла [8], резку двухлучевым CO2-лазером [9], вращающиеся лазерные лучи [13, 14] и лазерную резку кислородом (Lasox©) [10 – 12].

Резка лазером Nd:YAG с колебанием и преобладанием кислорода

В предыдущей работе мы сообщали о резке более толстых пластин из мягкой стали с использованием вращающегося луча лазера Nd:YAG [14]. В этом исследовании мы исследуем использование лазера Nd:YAG с волоконной доставкой и качающимся лучом (техника, похожая на вращение луча) и метод резки лазером с преобладанием кислорода, похожий на резку Lasox [10, 11, 12]. Испытания резки лазером Nd:YAG с преобладанием кислорода проводились сначала с низким давлением вспомогательного газа кислорода, а затем с высоким давлением кислорода.

Этот новый подход направлен на решение проблем резки толстой мягкой стали за счет повышения эффективности удаления материала и решения проблем, связанных с давлением газа и стабильностью луча.

2.2 Резка стали с использованием лазерной резки с преобладанием кислорода

Метод лазерной кислородной резки с доминированием был реализован на пластинах из мягкой стали AS3678 толщиной от 16 до 50 мм. Давление вспомогательного газа кислорода поддерживалось либо ниже 120 кПа (резка кислородом низкого давления – LoPOx), либо на высоком уровне (резка кислородом высокого давления – HiPOx). Результаты резки регистрировались как функция качества резки (бороздчатость реза, форма пропила, чрезмерная окалина) и скорости резки.

Результаты

3.1Колебание лазерного луча.

При колебании луча на заготовке максимальная толщина реза была увеличена с 12 мм, встречающихся при обычной резке, до 16 мм. График максимальной скорости реза для различных толщин и мощностей лазера, представленный на рисунке 2, показывает, что хотя толщина реза была улучшена при колебании луча, скорость реза аналогична скорости при обычной (CW) резке. Это указывает на то, что процесс реза, происходящий в пропиле, остается неизменным во время резки колебанием луча. Аналогичные скорости реза были также достигнуты при вращении луча [14].

Увеличенную толщину реза можно объяснить увеличенной шириной пропила. Это демонстрируется путем изменения амплитуды колебания, как показано на рисунке 3. Здесь, поскольку амплитуда колебания последовательно уменьшается от максимальной амплитуды 0,45 мм до нуля, ширина пропила уменьшается, что соответствует снижению способности очищать расплав. Это ясно демонстрирует необходимость иметь достаточную ширину пропила, чтобы позволить очищать шлак. Эта точка зрения также высказывается другими [12], где предполагается, что как динамика жидкости, так и термодинамика ограничены узкими пропилами.

3.2 Резка стали с использованием лазерной резки с преобладанием кислорода

3.2.1 Резка с преобладанием кислорода при низком давлении – LoPOx

Процесс резки LoPOx использует тот же лазерный луч большего диаметра и узкую нагнетательную кислородную струю в верхней части заготовки, что и в процессе Lasox, однако с давлением вспомогательного газа ниже 120 кПа. Поверхности реза, показанные на рисунке 4 с использованием процесса LoPOx, демонстрируют, что низкая мощность падающего лазера не препятствует лазерной резке, пока возможно первичное и непрерывное инициирование реза. Действительно, по мере увеличения скорости резки мощность падающего лазера может вносить слишком много энергии и, следовательно, вызывать чрезмерное образование полос. Это продемонстрировано на рисунке путем наблюдения за скоростью резки 450 мм/мин, где лучшая поверхность была создана при мощности падающего лазера 533 Вт, чем была достигнута при 1420 

W. Здесь скорость экзотермической реакции определяется скоростью резки. Мощность падающего лазера требуется только для нагрева верхней поверхности до температуры более 1000C [11] и инициирования процесса реактивного плавления. Избыточная мощность падающего лазера снижает качество резки. Это показывает, что вопросы взаимодействия кислорода и железа, а не мощность падающего лазера, теперь в первую очередь определяют качество резки. Следовательно, это процесс лазерной резки с преобладанием кислорода.

На рисунке 4, когда мощность снижается для каждой скорости резки, первым признаком минимальной падающей мощности является плохое начало резки, как видно на правом конце. Это показывает, что требования к мощности при начале резки выше, чем требования к текущей резке, и мощность, требуемая для быстрого установления устойчивого процесса резки, а не мощность для текущей резке, является существенным критерием.

При резке LoPOx с использованием меньшего диаметра коаксиального сопла для материала той же толщины достигаются те же скорости резки, но с меньшей шириной пропила и, следовательно, уменьшенным потоком кислорода. Однако высококачественные пропилы не удалось получить при более низкой мощности лазера с большим диаметром сопла, используемым на рисунке 4. Это несмотря на более интенсивное пятно лазера в результате прохождения через сопло меньшего диаметра. Это показывает, что требование достаточно широкого пропила для очистки от окалины в равной степени применимо к процессу резки с преобладанием кислорода.

Стороны реза сужаются больше, чем те, которые встречаются при обычной (лазерной) резке. Кислородная природа процесса резки означает, что пропил зависит от формы внушительной струи кислорода, а верхняя часть пропила имеет ту же ширину, что и используемое коаксиальное сопло.

Зазор между соплом и заготовкой варьировался с типичными результатами этого изменения, показанными на рисунке 5. Для различных диаметров сопла качество резки значительно ухудшалось при зазорах, превышающих 25% диаметра сопла. Увеличение зазора между соплом и заготовкой открывало большую часть потока от сопла окружающим атмосферным газам перед входом в пропил [8]. Изменение зазора было выполнено без соответствующих изменений диаметра пятна лазера с аналогичными результатами. Это дополнительно демонстрирует, что изменения для содействия газу, а не падающей интенсивности мощности лазера были фактором, влияющим на качество лазерной резки в испытанном диапазоне. Рисунок 5 также показывает эффект слишком малого зазора (0,1 мм), когда сходящийся луч еще не превышает диаметр газовой струи, поэтому не позволяет работать процессу лазерной резки с преобладанием кислорода.

Максимальная толщина реза 32 мм была достигнута при использовании резки Nd:YAG LoPOx. Резка сверх этой толщины с использованием диаметров сопел привела к образованию чрезмерного шлака в пропиле и потере перпендикулярности реза. Это еще раз демонстрирует связь между шириной пропила и толщиной реза при использовании низких (обычных) давлений резки.

3.2.2 Резка лазером Nd:YAG под высоким давлением с преобладанием кислорода – HiPOx

Используя гораздо более высокое давление подачи и сопла меньшего диаметра, было обнаружено, что можно резать стали толще, чем те, которые ранее были получены с помощью процесса LoPOx. Было показано, что мощность резки составляет от 32 до 50 мм толщины при использовании стальной пластины AS 3679. Типичные скорости резки в зависимости от толщины материала и мощности лазера показаны на рисунке

6. На рисунке показано продолжение процессов резки из области низкого давления, используемого для более тонких материалов.

Эффект использования высоких давлений подачи означает, что поток газа является сложным и может привести к внутренним ударным характеристикам. Доказательства взаимодействия ударных структур во время резки можно увидеть в виде «гребней» или меньших отметок на поверхности реза и увидеть в виде линий, идущих перпендикулярно бороздке. Кроме того, смещение этих гребней с зазором между соплом и заготовкой является результатом усиления или аннулирования внутренних ударов вспомогательного газа и характерного удара, появляющегося в начале реза в форме «X» [15]. Работа [16, 17] также указывает на сложное и иногда колебательное взаимодействие ударов со стенками реза. Доказательством колебательного характера реза является устойчивое «жужжание», которое можно услышать при некоторых условиях резки.

При использовании коаксиального сопла диаметром 1,5 мм было показано, что производительность резки является удовлетворительной для пластин толщиной 32 и 40 мм, а результаты резки пластины толщиной 40 мм показаны на рисунке 7. Зазор между соплом и заготовкой был значительно увеличен при высоком давлении вспомогательного газа, а форма пропила была гораздо менее конической, чем в LoPOx, в результате менее расходящегося высокоскоростного газового потока. Такие пропилы можно увидеть на рисунке 8.

Профильная резка с использованием технологии Nd:YAG LoPOx, доставляемой волокном, осуществима, примеры показаны на рисунке 9. Здесь повышение температуры на внутренней стороне углов приводит к увеличению конусности в этих точках. Это видно на круговом срезе на рисунке 9 (a) и подрезке углов на рисунке 9 (b). Подрезка острых углов лучше всего преодолевается путем использования пониженных скоростей резки, как показано на рисунке.

Резка с высоким давлением кислорода с использованием лазера Nd:YAG, как и лазер CO2 [12], также отлично себя зарекомендовала при прокалывании, при этом для прокалывания пластины AS3679 толщиной 32 мм требуется менее одной секунды. Удаление окалины, выбрасываемой вверх, остается проблемой, поскольку ее присутствие на поверхности пластины в пути реза отрицательно сказывается на качестве реза.

Обсуждение

Проблемы резки толстого стального листа

Несмотря на новые достижения в области лазерной резки и возможности резки более толстых материалов, фундаментальный процесс резки остается в значительной степени неизменным. Это очевидно из снижения скорости резки по мере увеличения толщины материала, а также из постоянных скоростей резки, наблюдаемых при использовании обычных методов, методов вращающегося луча и методов качающегося луча. Во всех случаях основные факторы, определяющие резку толстых стальных пластин методом реактивной плавки, такие как потери тепла на проводимость и ограничения в удалении потока расплава из-за вязкости и поверхностного натяжения, продолжают создавать значительные проблемы. Эти факторы нелегко преодолеть даже с разработкой новых методов резки.

Роль ширины пропила и потребления кислорода

Различная ширина пропила, создаваемая колебаниями лазерного луча, а также ширина пропила, создаваемая при лазерной резке с преобладанием кислорода с помощью лазера Nd:YAG, подчеркивает необходимость в достаточно широких пропилах по мере увеличения толщины материала. Однако при умеренных толщинах материала (~32 мм) увеличение пропила сверх того, что создается самым большим соплом LoPOx, становится нецелесообразным из-за чрезмерного потребления кислорода.

В этом контексте использование HiPOx (кислород высокого давления) обеспечивает многообещающее решение. Высокоскоростной поток вспомогательного газа высокого давления помогает уменьшить смешивание кислорода с атмосферными газами, делая больше кислорода доступным для процесса реактивной плавки. Кроме того, повышенное давление создает значительно более высокие сдвиговые усилия на расплавленном материале, помогая удалять расплав из реза. Еще одним преимуществом технологии HiPOx является большой зазор между соплом и заготовкой, который она допускает, что обеспечивает надежную работу сопел высокого давления, особенно при резке толстых материалов.

Требования к мощности лазера для резки с преобладанием кислорода

Резка с преобладанием кислорода в первую очередь зависит от мощности падающего лазера для инициирования и поддержания реза. Результаты этого исследования показывают, что мощность лазера, необходимая для резки с преобладанием кислорода, существенно ниже, чем необходимая для обычной лазерной резки. Однако, хотя мощность, необходимая для поддержания устойчивого реза, ниже, для первоначального установления реза необходимы более высокие мощности. После начала реза мощность лазера можно снизить до уровня, поддерживающего процесс резки. Это говорит о том, что повышение мощности в начале реза может максимизировать общую эффективность резки, используя более высокую мощность только при необходимости для инициирования.

Резка профиля и подрезка углов

Профилированная резка с использованием лазера Nd:YAG с преобладанием кислорода продемонстрировала свою осуществимость. Однако распространенной проблемой является подрезка внутренних углов разрезаемого профиля. Эту проблему можно решить, тщательно программируя скорость резки в этих конкретных положениях, чтобы избежать чрезмерного удаления материала и обеспечить чистые разрезы.

Пирсинг и управление шлаком

Прокалывание толстых стальных пластин с помощью лазера Nd:YAG также возможно, но возникают проблемы из-за выброса расплавленного шлака вверх во время процесса прокалывания. Этот шлак может помешать подаче вспомогательного газа во время последующей резки, что приведет к плохому качеству резки. Решением этой проблемы может стать введение направленной наружу кольцевой воздушной струи, окружающей сопло, которая поможет направить шлак в сторону от пропила. В качестве альтернативы, проблема может быть решена путем программирования Команда ожидания ЧПУ после завершения всех операций по пробивке, что даст время для удаления выброшенного шлака перед продолжением резки. Это поможет поддерживать постоянный поток вспомогательного газа и улучшить общую производительность резки.

Заключение

Резка лазером с преобладанием кислорода в сочетании с более широкой шириной пропила оказывается жизнеспособным методом использования лазера Nd:YAG с умеренной мощностью и волоконной подачей для резки толстых листов мягкой стали. Эта техника эффективна для резки мягкой стали толщиной до 32 мм с подачей газа низкого давления. Для более толстых листов подача газа высокого давления позволяет резать сталь толщиной до 50 мм, а также обеспечивает быстрое прокалывание материала. Однако сохраняются проблемы с достижением постоянного качества резки, особенно с точки зрения ударных артефактов и подрезов на углах, которые можно решить с помощью точного ЧПУ программирование. Более того, успешная пробивка более толстых пластин требует управления удалением выбрасываемой окалины, чтобы гарантировать, что поток вспомогательного газа не будет затруднен, тем самым поддерживая высокое качество резки в течение всего остального процесса резки.