От лучей к совершенству: CO2 Laser Cutting Explored | MachineMFG

От лучей к совершенству: Лазерная резка CO2

0
(0)

CO2 При лазерной резке используется фокусирующая линза, которая направляет лучи CO2-лазера на поверхность материала, заставляя его плавиться.

Одновременно расплавленный материал удаляется коаксиальным потоком сжатого газа, что позволяет лазерным лучам и материалу перемещаться относительно друг друга по заданной траектории, в результате чего получается точная форма реза.

Лазерная резка CO2

С 1970-х годов развитие CO2-лазеров и технологии числового программного управления сделало лазерную резку CO2 высокотехнологичным методом раскроя пластин.

В 1950-е и 1960-е годы, резка пластин методы включали:

  • Оксиацетилен газовая резка для плит средней толщины
  • Резка и заготовка для тонких пластин
  • Штамповка для массового производства сложных деталей
  • Вибрационная резка для отдельных деталей

В 1970-х годах для улучшения качества пламенных резов стали применять оксиэтан. газовая резка и плазменная резка стали популярными.

Чтобы сократить время производственного цикла для крупных штамповочных форм, были внедрены технологии штамповки с ЧПУ и электрообработки.

Каждый вид резки и заготовки имеет свои ограничения и применяется в конкретных областях промышленного производства.

Очевидные преимущества CO2 лазерная резка технологии по сравнению с другими методами:

 Хорошее качество резки:

  • Небольшая ширина разреза (обычно 0,1-0,5 мм)
  • Высокая точность (общее отклонение центра отверстия составляет 0,1-0,4 мм, а отклонение контура - 0,1-0,5 мм)
  • Хорошо шероховатость поверхности разрез (обычно Ra 12,5-25 мкм)
  • Режущие балки можно сваривать без дополнительной обработки.

Высокая скорость резки:

Например, лазер мощностью 2 кВт со скоростью резки 1,6 м/мин может разрезать углеродистую сталь толщиной 8 мм, а скорость резки нержавеющей стали толщиной 2 мм составляет 3,5 м/мин. Сайт процесс лазерной резки Это приводит к небольшой зоне термического воздействия и минимальной деформации.

Чистый, безопасный и не загрязняющий окружающую среду:

Использование CO2 лазерная резка значительно улучшает условия труда операторов. Несмотря на то что по точности и шероховатости поверхности реза электрообработка не превосходит электроэрозионную обработку и имеет ограничения по толщине реза по сравнению с газопламенной и плазменной резкой, ее преимущества привели к замене традиционных методов резки, особенно для резки неметаллические материалы.

Начиная с 1990-х годов и развития социалистической рыночной экономики, в Китае наблюдается острая конкуренция между предприятиями, что заставляет каждую компанию тщательно выбирать передовые технологии производства, отвечающие ее специфическим потребностям, чтобы повысить качество продукции и эффективность производства. В результате CO2 лазерная резка Технология быстро развивается в Китае.

Промышленность применение CO2-лазера резка

Первый CO2 станок лазерной резки был изобретен в 1970-х годах. За последние три десятилетия машина постоянно совершенствовалась по мере расширения областей ее применения.

В настоящее время многие международные и отечественные компании производят различные типы CO2 станки для лазерной резки, отвечающие требованиям рынка, включая станки для резки пластин 2-D, станки для резки пространственных кривых 3-D и станки для резки труб.

Среди известных зарубежных компаний в этой области - Trumpf (Германия), Prima (Италия), Bystronic (Швейцария), Amada и MAZAK (Япония), NTC (Япония) и HG Laser Lab (Австралия).

По данным ежегодного отчета за 2000 год журнала "Industrial Laser Solution", ведущего американского издания о лазерной промышленности, общий объем продаж систем лазерной резки в мире (в первую очередь CO2 Системы лазерной резки) в 1999 году составило 3325, на общую сумму $1,174 млрд.

В Китае почти 100 CO2 станки лазерной резки ежегодно производится на общую сумму 150 миллионов юаней, но их использование в стране относительно невелико по сравнению с развитыми странами. К 2003 году количество CO2 Количество систем лазерной резки, используемых в промышленном производстве в Китае, достигло около 500, что составляет примерно 1,5% от общего количества в мире.

Два основных типа CO2 покупатель системы лазерной резки

Существует два основных типа организаций, использующих CO2 Технология лазерной резки: крупные и средние производственные предприятия и обрабатывающие станции.

Крупные и средние производственные предприятия обладают мощными экономическими и техническими ресурсами и нуждаются в резке и заготовке многих материалов.

Станции обработки, также известные как Job Shops за рубежом, специализируются на предоставлении лазерная обработка услуги другим и не имеют собственной доминирующей продукции. Эти станции могут удовлетворить потребности малых и средних предприятий, а также сыграть роль в содействии скорейшему внедрению технологии лазерной резки.

В 1999 году в Соединенных Штатах насчитывалось 2700 станций лазерной обработки, из которых 51% специализировались на лазерной резке.

В 1980-х годах станции лазерной обработки в Китае в основном занимались лазерной термообработкой. Однако с 1990-х годов количество станций лазерной резки и обработки увеличилось.

По мере продолжения реформ в системе крупных и средних предприятий Китая и роста экономической мощи страны ожидается, что все больше предприятий будут внедрять CO2 технология лазерной резки.

Внутри страны, CO2 Лазерная резка широко используется для резки листов низкоуглеродистой стали толщиной 12 мм или менее, листов нержавеющей стали толщиной 6 мм или менее, а также неметаллических материалов толщиной 20 мм или менее. Она также используется в автомобильной и авиационной промышленности для резки трехмерных пространственных кривых.

В настоящее время продукты, подходящие для лазерной резки CO2, можно разделить на три группы:

  • Листовой металл Детали, которые экономически или технически нецелесообразно изготавливать другими методами, особенно из низкоуглеродистой стали сложной формы, небольших партий и толщиной менее 12 мм, а также из нержавеющей стали толщиной менее 6 мм, чтобы сэкономить средства и время на изготовление пресс-форм. Примерами таких изделий являются компоненты лифтов, панели лифтов, корпуса станков и машин, электрические шкафы, распределительные шкафы, детали текстильного оборудования, детали машиностроительного оборудования и крупные двигатели. листы кремнистой стали.
  • Нержавеющая сталь (обычно толщиной менее 3 мм) или неметаллические материалы (обычно толщиной менее 20 мм), используемые в декорировании, рекламе и сфере услуг, например, узоры в художественных фотоальбомах, логотипы компаний, организаций, гостиниц и торговых центров, китайские и английские шрифты в общественных местах, таких как вокзалы и причалы.
  • Специальные детали, требующие точной резки, например, высекальные доски, используемые в упаковочной и полиграфической промышленности. Для них требуется вырезать пазы шириной 0,7-0,8 мм на деревянных шаблонах толщиной 20 мм, которые затем используются для вырезания различных печатных упаковочных коробок. Лазерная резка CO2 также используется в трубах для отсеивания нефти, чтобы предотвратить попадание отложений в насосы, и для резки равномерных балок шириной менее 0,3 мм на легированная сталь трубы с толщиной стенки от 6 до 9 мм. Диаметр перфорации должен быть более 0,3 мм, что труднодостижимо, поэтому лазерная резка CO2 является популярным решением для многих компаний.

Помимо вышеупомянутых областей применения, лазерная резка CO2 используется во все большем количестве отраслей промышленности. Например, для резки пространственных кривых используются системы лазерной 3D-резки или промышленные роботы, а для оптимизации процесса от чертежа до резки деталей разработано специализированное программное обеспечение.

Исследователи стремятся повысить эффективность производства, разрабатывая специализированные системы резки, системы транспортировки материалов и системы привода линейных двигателей. Скорость резки уже превысила 100 м/мин.

Для расширения применения в машиностроении и судостроении толщина резки низкоуглеродистой стали была увеличена до более 30 мм, и растет интерес к технологии газовой резки низкоуглеродистой стали азотом для улучшения качества разрезания листа.

Таким образом, для инженерно-технических специалистов в Китае по-прежнему очень важно расширить применение лазерной резки CO2 и решить некоторые технические проблемы в практическом применении.

Параметры лазерного луча, производительность и точность машины и Система ЧПУ оказывают непосредственное влияние на эффективность и качество лазерной резки. Необходимо освоить и решить ключевые технологии, например те, которые требуются для деталей с высокой точностью резки или более толстых материалов.

Технологии должны быть освоены

1. Технология управления положением фокуса

Одним из преимуществ лазерной резки является высокая плотность энергии лучей, которая обычно превышает 10 Вт/см2. Плотность энергии обратно пропорциональна 4/πd^2, поэтому диаметр фокусного пятна стараются делать как можно меньше, чтобы получить узкую щель.

Диаметр фокусного пятна прямо пропорционален глубине фокуса линзы, то есть чем меньше глубина фокуса, тем меньше диаметр фокусного пятна. Однако при резке могут образовываться брызги, а если линза расположена слишком близко к заготовке, ее можно легко повредить.

Поэтому для мощной лазерной резки CO2 обычно используются линзы с фокусным расстоянием от 5″ до 7,5″ (от 127 до 190 мм). Фактический диаметр фокусного пятна составляет от 0,1 до 0,4 мм.

Эффективная глубина фокуса также зависит от диаметра объектива и разрезаемого материала. Например, при резке углеродистой стали с помощью объектива 5″ фокусная глубина должна находиться в диапазоне +2% от фокусного расстояния, или около 5 мм, для оптимального качества резки.

Для обеспечения наилучших результатов резки очень важно фокусирование, которое зависит от толщины материала. Для металлических материалов толщиной менее 6 мм фокус должен находиться на поверхности. Для углеродистой стали толщиной более 6 мм фокус должен находиться над поверхностью. Для нержавеющей стали толщиной более 6 мм фокус должен находиться под поверхностью, но точный размер следует определять опытным путем.

Три простых метода определения положения фокуса в промышленном производстве:

Существует три метода определения фокуса станка лазерной резки CO2:

  • Метод печати: При этом методе режущая головка перемещается сверху вниз, а лазерный луч отпечатывается на пластиковой пластине. Наименьший диаметр луча указывает на фокус.
  • Метод наклонной пластины: В этом методе пластиковая пластина помещается под определенным наклоном к вертикальной оси и перемещается по горизонтали. Наименьший лазерный луч указывает на местоположение фокуса.
  • Метод голубой искры: Этот метод предполагает снятие насадки, подачу воздуха и удар по нержавеющей стальная пластина с помощью импульсного лазера. Режущая головка перемещается сверху вниз до тех пор, пока голубая искра не достигнет своего предела, что указывает на местоположение фокуса.

Для станков для резки с летящим световым потоком определение фокуса сложнее, так как угол расхождения лазерных лучей приводит к различиям в расстоянии между ближним и дальним концом, что приводит к различиям в размере луча перед фокусировкой. Чем больше диаметр падающего луча, тем меньше фокусное пятно.

Чтобы минимизировать разброс размеров фокусного пятна, вызванный изменением размера луча перед фокусировкой, производители систем лазерной резки предложили на выбор несколько специальных устройств:

  • Параллельная световая труба: Это широко используемый метод, который заключается в добавлении параллельной световой трубы на выходе луча CO2-лазера для расширения лучей. Это увеличивает диаметр луча и уменьшает угол расходимости, делая размеры ближнего и дальнего концов луча более близкими перед фокусировкой.
  • Подвижная линза: Другой вариант - добавить к режущей головке отдельную подвижную линзу, которая не зависит от оси Z и регулирует расстояние сопла до поверхности материала. При перемещении рабочего стола или оси освещения луч одновременно перемещается от ближнего конца к дальнему концу оси F, обеспечивая постоянство диаметра фокусного пятна луча во всей зоне обработки.
  • Контроль давления воды: Некоторые системы контролируют давление воды на фокусирующую линзу, которая обычно представляет собой металлическую фокусирующую систему отражения. Когда размер фокусируемого луча уменьшается, а диаметр фокусного пятна перед фокусировкой увеличивается, давление воды автоматически регулируется, изменяя кривизну фокуса и делая диаметр фокусного пятна меньше.
  • Компенсация оптической траектории: Система, которая добавляет оптическую компенсацию пути в направлениях x и y станка для резки по летящей траектории. Это означает, что путь оптической компенсации сокращается при увеличении оптического расстояния на дистальном конце реза и увеличивается при уменьшении оптического расстояния на ближнем конце реза, сохраняя постоянное расстояние оптического пути.

2. Технологии режущего бурения

Технология лазерной резки, за исключением некоторых случаев, обычно требует сверления небольшого отверстия в материале. В прошлом станки для лазерной штамповки сначала использовали перфоратор для сверления отверстия, а затем использовали лазер для резки из этого отверстия. Для станков лазерной резки без штамповки существует два основных варианта бурение методы:

  • Взрывное сверление: После непрерывного лазерного облучения в центре материала образуется яма, которая затем быстро удаляется коаксиальным потоком кислорода, образуя отверстие. Средний диаметр отверстия составляет примерно половину толщины материала, поэтому в более толстых листах при взрывном сверлении образуются некруглые отверстия большего диаметра, что делает его непригодным для деталей с высокими требованиями (например, труб для отбора масла), но подходящим для отходов. Давление кислорода при сверлении такое же, как при резке, что вызывает большое количество брызг.
  • Импульсное сверление: Импульсные лазеры максимальной мощности заставляют некоторые материалы плавиться или испаряться, обычно используя кислород или азот в качестве вспомогательного газа, чтобы уменьшить расширение отверстия, вызванное экзотермическим окислением. Давление газа ниже, чем давление кислорода, используемого при резке, и каждый импульс лазера производит только мелкие частицы, которые выбрасываются вглубь, что позволяет сверлить толстые пластины за несколько секунд. После завершения сверления вспомогательный газ немедленно заменяется кислородом для резки. Это обеспечивает меньший диаметр сверла и лучшее качество сверления по сравнению со взрывным бурением.

Для импульсного сверления используемый лазер должен обладать не только высокой выходной мощностью, но и высокими временными и пространственными характеристиками лучей. Процесс импульсного сверления также должен иметь надежную систему управления газовым трактом для контроля типа газа, переключения давления газа и времени сверления. Для достижения высокого качества реза следует также обратить внимание на переход от импульсного сверления к непрерывной резке материала.

В промышленном производстве практичнее изменять среднюю мощность лазера, например, изменяя ширину импульса, частоту или и то, и другое одновременно. Третий метод показал наилучший эффект.

3. Конструкция сопла и техника управления воздушным потоком

Когда режущая сталь При использовании лазера кислород и лазерный луч направляются через сопло на материал, образуя поток. Для того чтобы резка была эффективной, поток воздуха должен быть большим и быстрым, чтобы вызвать достаточное количество окислительных и экзотермических реакций в разрезаемом материале. Кроме того, поток воздуха должен обладать достаточным импульсом для удаления расплавленного материала. Конструкция сопла и управление воздушным потоком, например, давление и положение сопла и заготовки, являются важнейшими факторами, влияющими на качество резки.

В настоящее время сопла, используемые в лазерной резке, имеют простую конструкцию, состоящую из конуса с небольшим отверстием в верхней части. Конструкция сопла обычно разрабатывается с помощью экспериментов и методов деривации. Однако, поскольку сопло обычно изготавливается из меди и является маленьким и уязвимым, оно требует частой замены и обычно не учитывается в расчетах и анализе механики жидкости.

При работе газ с давлением Pn поступает в сопло и создает давление в сопле. Газ выходит из сопла и через определенное расстояние достигает поверхности заготовки, образуя давление резания Pc. Наконец, газ расширяется, образуя атмосферное давление Pa. Исследования показали, что с увеличением Pn скорость воздушного потока и Pc также увеличиваются.

Формула для расчета скорости воздушного потока выглядит следующим образом:

V = 8,2d^2 (Pg + 1)

где:

V = скорость воздушного потока в л/мин
d = диаметр сопла в мм
Pg = давление в сопле (давление на поверхности) в бар

Когда давление в сопле превышает определенное значение, поток воздуха может перейти из дозвукового в сверхзвуковой и превратиться в обычную косую ударную волну. Пороговое значение зависит от отношения давления в сопле (Pn) к атмосферному давлению (Pa) и степени свободы (n) молекул газа. Например, при n=5 для кислорода и воздуха пороговое значение Pn составляет 1,89 бар.

Если давление в сопле выше, а именно Pn/Pa > 4 бар, нормальная косая ударная волна воздушного потока может смениться нормальной ударной волной, что приведет к снижению давления резания (Pc), уменьшению скорости воздуха и образованию вихря на поверхности заготовки, что ослабляет эффект воздушного потока в удалении расплавленного материала и влияет на скорость резки.

Чтобы избежать этого, давление кислорода в сопле часто поддерживается на уровне ниже 3 бар при использовании сопла с конусом и небольшим отверстием в верхней части.

Для повышения скорости лазерной резки на основе аэродинамических принципов было разработано сходящееся-разходящееся сопло под названием сопло Лаваля. Это сопло увеличивает давление, не вызывая обычных ударных волн. Структура сопла изображена на рисунке 4 для удобства изготовления.

В лазерном центре Ганноверского университета в Германии были проведены эксперименты по сопряжению СО2-лазера мощностью 500 Вт (с фокусным расстоянием 2,5) с соплом с коническим отверстием и соплом Лаваля. Результаты экспериментов представлены на рисунках, где показана зависимость между шероховатостью поверхности (Rz) и скоростью резания (Vc) для сопел № 2, № 4 и № 5 при различном давлении кислорода.

Как показано на рисунках, при давлении (Pn) 400 Кпа (или 4 бар) скорость резания насадки с отверстием № 2 достигает только 2,75 м/мин (для листа углеродистой стали толщиной 2 мм). Однако при давлении (Pn) 500 или 600 кпа скорость резки соплами Лаваля № 4 и № 5 достигает 3,5 м/мин и 5,5 м/мин, соответственно.

Важно отметить, что давление резания (Pc) зависит от расстояния между заготовкой и соплом. Косая ударная волна многократно отражается от границы воздушного потока, что приводит к периодическим колебаниям давления резания.

Сопло Лаваля

Первая зона высокого давления резания расположена вблизи выхода сопла, при этом расстояние между поверхностью заготовки и выходом сопла составляет примерно 0,5-1,5 мм. Это обеспечивает высокое и стабильное давление резания (Pc), что делает его широко используемым параметром в промышленном производстве.

Вторая зона высокого давления резания находится на расстоянии примерно 3-3,5 мм от выходного отверстия сопла и также характеризуется высоким давлением резания, способствуя хорошему результату резки и защите линзы, тем самым увеличивая срок ее службы.

Однако другие зоны высокого давления резания на кривых находятся слишком далеко от выхода сопла, чтобы совместить их с фокусированным лучом.

В заключение следует отметить, что технология лазерной резки CO2 находит все большее применение в промышленном производстве Китая. За рубежом предпринимаются усилия по изучению технологий и оборудования для резки, позволяющих достичь более высоких скоростей резки и обрабатывать более толстые стальные листы.

Для удовлетворения растущих потребностей в качественном промышленном производстве и повышении эффективности важно сосредоточиться на решении ключевых технологических вопросов и внедрении стандартов качества, чтобы новая технология получила более широкое распространение в нашей стране.

Насколько публикация полезна?

Нажмите на звезду, чтобы оценить!

Средняя оценка 0 / 5. Количество оценок: 0

Оценок пока нет. Поставьте оценку первым.

Так как вы нашли эту публикацию полезной...

Подписывайтесь на нас в соцсетях!

Сожалеем, что вы поставили низкую оценку!

Позвольте нам стать лучше!

Расскажите, как нам стать лучше?

Оставьте комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Прокрутить вверх