Мощные технологии лазерной резки: Опережайте события

Ультра-высокой мощности волоконный лазер может достичь быстрой и качественной резки толстой пластины, в том числе с использованием воздуха в качестве вспомогательного газа для резать нержавеющую стальи имеет множество преимуществ перед другими решениями для резки.

В последние годы волоконные лазеры сверхвысокой мощности (UHP) с мощностью от 10 кВт до 40 кВт стали быстро применяться на рынке резки, и ожидается, что наибольшая мощность лазеров, используемых для резки, будет продолжать расти.

Мы продемонстрируем эффект от применения резки в этом диапазоне мощностей и обсудим основные факторы, определяющие применение волоконных лазеров сверхвысокой мощности: значительные преимущества в производительности, улучшенное качество резки и возможность резки до предельной толщины (например, как показано в этой статье, резка нержавеющей стали толщиной 230 мм при мощности 40 кВт).

В этой статье под лазерами сверхвысокой мощности понимаются лазеры мощностью более 10 кВт. Они позволяют использовать новые технологические методы, способствующие лазерная резка выход на новые рынки (например, использование воздуха в качестве вспомогательного газа для резки нержавеющей стали толщиной до 50 мм со скоростью, в 4 раза превышающей скорость мощной плазменной резки).

Результаты применения показывают, что лазеры сверхвысокой мощности меняют способ резки нержавеющей стали, используя технологию воздушной резки вместо технологии азотной и кислородной резки для достижения высококачественной, высокоскоростной и экономичной резки.

Тенденция развития за 6 лет: Самый высокий Мощность лазера Используется для резки

Более 50 лет назад появилась технология лазерной резки. С тех пор лазерная резка вступила в период быстрого технологического развития.

В 1970-х годах появились коммерческие станки для лазерной резки, и первые пользователи использовали их для крупномасштабного производства.

В 1980-х годах широкое распространение получило оборудование для лазерной резки на основе диоксида углерода (CO2).

В конце 1990-х - начале 2000-х годов появились мощные волоконные лазеры.

Развитие киловаттного уровня станки для лазерной резки волокна К концу 2000-х годов лазерная резка превратилась из небольшого применения в основной производственный процесс.

Станки для лазерной резки занимают важное место в металлический лист Рынок лазерной резки, в основном, обусловлен простотой интеграции, надежностью, низким уровнем технического обслуживания, относительно низкими инвестиционными и эксплуатационными расходами, высокой производительностью резки и возможностью масштабирования мощности волоконных лазеров.

В конце 2010-х - начале 2020-х годов на рынке лазерной резки будут наблюдаться два направления роста.

Первая тенденция касается маломощного сегмента рынка, где спрос на станки для резки мощностью 1-3 кВт резко возрос из-за снижения капитальных затрат на оборудование.

Вторая тенденция наблюдается в мощном сегменте рынка, что привело к росту спроса на волоконные лазеры сверхвысокой мощности.

Это обусловлено высокой рентабельностью лазеров сверхвысокой мощности, обеспечивающих высокую производительность и технические возможности.

Более того, в области лазерной резки произошла революционная "смена власти", не имеющая аналогов в других областях. производство листового металла процессов за тот же период.

По данным производственных выставок видно, что максимальная мощность лазера, используемого в станках для резки, выросла с 6 кВт в 2015 году до ожидаемых 40 кВт в 2022 году, то есть почти в семь раз (см. рис. 1).

Всего за последние три года максимальная мощность лазерного оборудования выросла с 15 кВт до 40 кВт, то есть в 2,5 раза!

Почему сейчас самое подходящее время?

Надежные мощные волоконные лазеры появились еще за несколько лет до того, как началась тенденция сверхмощной резки. Промышленные волоконные лазеры мощностью 100 кВт были доступны уже в 2013 году.

Однако только в последние несколько лет, когда цена за киловатт лазерного оборудования быстро снизилась, порог входа в лазерную резку сверхвысокой мощности был снижен, и стали доступны режущие головки, способные выдерживать такую высокую мощность лазера в жестких условиях резки.

Кроме того, все более совершенными становятся базы данных для резки, которые могут быть адаптированы к режущему оборудованию сверхвысокой мощности.

Испытание на резку

В таблице показаны скорость и качество резки различные металлы Оценка проводилась с помощью волоконных лазеров IPG YLS-40000 мощностью 40 кВт и YLS-30000-ECO2 мощностью 30 кВт с высоким коэффициентом электрооптического преобразования, сконфигурированных с диаметром сердцевины волокна 100 мкм и режущей головкой IPGCut-HP.

Согласно современным представлениям, мощность лазера 40 кВт при диаметре сердцевины волокна 100 мкм - это самая высокая мощность, которую может обеспечить лазерный источник, используемый в промышленной лазерной резке.

Мы выбрали диаметр сердцевины волокна 100 мкм, поскольку он обеспечивает увеличение скорости резки на 10-25% по сравнению с диаметром сердцевины 150 мкм.

Более высокая скорость резки

Наши эксперименты показали, что для всех исследуемых металлов, включая нержавеющую сталь, углеродистую сталь и алюминий, скорость лазерной резки увеличивается с ростом средней мощности (до 40 кВт).

На рис. 2 показано увеличение скорости резки с увеличением мощности лазера при резке углеродистой стали толщиной 6-40 мм с использованием технологии воздушной резки в диапазоне от 12 кВт до 40 кВт.

Скорость увеличения скорости возрастает с увеличением толщины металла.

Например, при резке углеродистой стали толщиной 12 мм скорость резки при мощности 40 кВт на 280% выше, чем при мощности 15 кВт (при увеличении мощности на 270%), а для углеродистой стали толщиной 20 мм скорость резки при мощности 40 кВт на 420% выше, чем при мощности 15 кВт. Для углеродистой стали толщиной 30 мм при увеличении мощности с 30 кВт до 40 кВт (увеличение мощности на 33%) скорость резки увеличивается на 66%.

Поэтому более мощные сверхмощные лазеры позволят еще больше повысить производительность толстых резка пластин.

Чтобы воспользоваться преимуществами более высокой скорости резки, обеспечиваемой сверхмощными лазерами, и значительно сократить производственные циклы, необходимо резать заготовки с высокой скоростью, особенно тонкие.

В последние годы максимальное ускорение станков лазерной резки увеличилось с 1G до 3G, чтобы адаптироваться к более высокой мощности лазера.

На рынке высокотехнологичного оборудования максимальное ускорение станков для лазерной резки сверхвысокой мощности может достигать 6G, а их механическая конструкция обеспечивает отсутствие значительных отклонений траектории резки.

Снижение стоимости обработки и быстрая окупаемость инвестиций

По сравнению с более низкой мощностью, сверхмощная лазерная резка значительно снижает стоимость обработки единицы продукции и обеспечивает более быстрый возврат инвестиций и более высокую рентабельность.

При лазерной резке стоимость обработки в основном складывается из расхода газа, который часто значительно увеличивается с ростом толщины детали.

Для сверхмощной лазерной резки требуется такое же или меньшее давление газа и размер сопла, как и для маломощной резки.

Однако лазеры сверхвысокой мощности имеют более высокую скорость резки, что уменьшает время резки на единицу продукции и значительно снизить потребление газа.

Например, по сравнению с лазером мощностью 15 кВт лазер мощностью 30 кВт может разрезать типичную деталь из нержавеющей стали толщиной 16 мм за половину производственного цикла, сократив потребление газа в два раза.

Потребляемая мощность лазеров и водяных охладителей обычно линейно увеличивается с ростом мощности лазера.

Тем не менее, остальная потребляемая мощность режущих станков остается почти такой же. Поэтому в предыдущем случае, когда производственный цикл на единицу продукции сократился вдвое, мы снизили общее энергопотребление на единицу продукции за счет увеличения мощности лазера.

С непрерывным развитием технологии PG эффективность электрооптического преобразования мощных волоконных лазеров превышает 50%, что в большей степени способствует энергосбережению.

Помимо более высокой скорости резки, лазеры сверхвысокой мощности позволяют экономить расход газа. По сравнению с более дорогой азотной или медленной кислородной резкой, лазеры сверхвысокой мощности позволяют быстро и без шлаков резать толстую углеродистую сталь, используя воздух высокого давления.

При аммиачной и воздушной резке сверхвысокая мощность позволяет снизить давление газа, необходимое для бесшлаковой резки.

Например, при резке углеродистой стали толщиной 20 мм без шлака с помощью лазера мощностью 15 кВт требуется давление газа более 16 бар, в то время как при использовании лазера мощностью 20 кВт и выше достаточно 10-12 бар.

Поскольку расход газа примерно линейно зависит от давления (при одинаковом размере сопла), значительная разгерметизация помогает снизить расход газа и упростить технические характеристики газогенераторного оборудования.

Эффективность производства мощного оборудования для лазерной резки в два раза выше, чем у маломощного, но цена оборудования не в два раза выше. Это объясняется тем, что стоимость одного киловатта снижается с увеличением мощности лазера.

Кроме того, стоимость более мощных лазеров включена в общую стоимость оборудования, которая увеличивается незначительно (по сравнению с лазерным оборудованием меньшей мощности).

Поэтому станки лазерной резки сверхвысокой мощности могут достичь вдвое большей эффективности производства за счет более высокой мощности лазера, в то время как стоимость оборудования увеличивается только на 30-40%.

Благодаря значительному повышению эффективности производства оборудование сверхвысокой мощности может заменить множество маломощных устройств, что соответственно сокращает площадь, количество операторов и подготовку помещений.

С другой стороны, чтобы обеспечить эффективность производства, требования к надежности лазерных источников и режущих головок выше для ультрамощных станков волоконно-оптической лазерной резки.

То есть для волоконных лазерных источников требуется долговременная стабильная выходная мощность и качество луча, на которые влияет качество диодов, компонентов и оптической интеграции.

Что касается режущих головок сверхвысокой мощности, то они должны выдерживать высокую мощность лазера, газ высокого давления, пыль, тепло и высокое ускорение процесса для достижения стабильной и надежной обработки.

• 1. Масштабы производства определяют выбор режущего газа.
• 2. Требуется оборудование, нагнетающее воздух, отфильтровывающее влагу и масло.
• 3. При кислородной резке используется низкое давление (обычно 5-20psi) и сопла с маленьким отверстием.
• 4. При азотной резке используется высокое давление и большие сопла.
• 5. Воздух, как ресурс режущего газа, не имеет стоимости.
• 6. Степень окисления и толщина окисленного слоя.

Новый план резки для резки нержавеющей стали

Резка углеродистой стали может осуществляться с использованием кислорода, азота или воздуха в качестве вспомогательного газа.

На рисунке 3 приведены преимущества и недостатки использования каждого типа вспомогательного газа.

Хотя кислородная резка хорошо подходит для резки толстой углеродистой стали при меньшей мощности лазера за счет дополнительной энергии окисления, эффективность производства снижается, поскольку скорость резки не пропорциональна мощности лазера.

В отличие от этого, скорость резки углеродистой стали с помощью воздуха пропорциональна мощности (см. рис. 2).

Например, для углеродистой стали толщиной 16 м при мощности от 10 кВт до 30 кВт скорость кислородной резки остается неизменной и составляет около 2 м/мин, в то время как скорость воздушной резки при мощности 30 кВт составляет более 9 м/мин, что в 4,5 раза выше скорости кислородной резки.

Толщина, которая раньше разрезалась только кислородом при меньшей мощности и скорости, теперь может быть обработана с помощью сверхмощных лазеров и воздуха, что значительно повысило скорость и качество.

Для маломощных лазеров воздушная резка может стать причиной трудноудаляемой окалины и плохого качества поверхности.

Для таких отраслей, как производство строительного оборудования и тяжелая промышленность с огромными объемами обработки толстых листов, этот инновационный и эффективный план обработки сверхвысокой мощности будет весьма полезен.

(a) Резка нержавеющей стали толщиной 70 мм с помощью азота при мощности 30 кВт;

(b) Резка углеродистой стали толщиной 230 мм с помощью воздуха при мощности 40 кВт.

Улучшение толщины, производительности и качества резки листового металла

Испытания показали, что с увеличением мощности сверхмощных лазеров увеличивается и толщина реза. Например, на рисунке 4 показана резка нержавеющей стали толщиной 70 мм с помощью азота при мощности 30 кВт и резка углеродистой стали толщиной 230 мм с помощью воздуха при мощности 40 кВт, причем обе операции выполняются в режиме импульсной резки.

(a) Воздушная резка углеродистой стали толщиной 28 мм со скоростью 4,5 м/мин (177ipm) с помощью лазера IPG40 KW YLS;

(b) Воздушная резка нержавеющей стали толщиной 40 мм со скоростью 2,3 м/мин (90ipm) с помощью YLS-лазера IPG40 кВт;

(c) Азотная резка нержавеющей стали толщиной 3-25 мм стальные профили с лазером IPG30 кВт YLS-ECO;

(d) Резка углеродистой стали толщиной 30 мм с помощью кислорода при мощности 15 кВт.

В режиме полноскоростной резки с непрерывной волной (CW) воздух без шлака мощностью 20 кВт используется для резки углеродистой стали толщиной 20 мм, воздух без шлака мощностью 40 кВт используется для резки углеродистой стали толщиной 30 мм, а воздух без шлака мощностью 40 кВт используется для резки углеродистой стали толщиной 40 мм (см. рис. 2 и рис. 5 выше). Для резка нержавеющей сталиВ этом случае легче добиться эффекта отсутствия шлака, поэтому максимальная толщина резки больше, чем у углеродистой стали (см. рис. 5b и рис. 5c).

При непрерывной резке азотом и воздухом только при определенной толщине можно добиться бесшлаковой резки и хорошей поверхности реза при любой заданной мощности. За пределами определенной толщины для достижения квалифицированного качества необходимо использовать импульсную резку (с меньшей скоростью, чем непрерывная); в противном случае необходимо увеличить мощность лазера.

Обычно скорость резки менее 2 м/мин означает, что мощность лазера в непрерывном режиме недостаточна для достижения наилучшего качества резки.

При кислородной резке углеродистой стали увеличение мощности приводит к увеличению максимальной толщины резки, обеспечивая при этом "гладкую поверхность". Например, максимальная толщина резки при мощности 4 кВт составляет около 6-8 мм, а максимальная толщина резки при мощности 15 кВт - 30 мм. На рисунке 5d показан образец углеродистой стали толщиной 30 мм, разрезанный лазером мощностью 15 кВт.

Пирсинг быстрее и чище

Благодаря использованию высокой пиковой мощности сверхмощного лазера в импульсном режиме можно быстро прокалывать толстые металлы с меньшим количеством брызг. Время прокалывания 16-миллиметровой нержавеющей стали значительно сократилось с >1 секунды при мощности 6 кВт до 0,5 секунды при мощности 10 кВт и 0,1 секунды при мощности 20 кВт.

В практическом применении время прожига ≤0,1 секунды обычно считается "мгновенным". Более высокая пиковая мощность увеличивает отношение глубины к ширине бассейна расплава, что позволяет быстрее перекрывать толщину при меньшем боковом плавлении. Уменьшение бокового плавления материала также максимально снижает разбрызгивание на верхней поверхности.

Конкурентные преимущества лазерной резки сверхвысокой мощности

За последние шесть лет несколько технологических разработок способствовали повышению производительности лазерной резки, в том числе:

• Определение требуемого размера фокусного пятна путем выбора различных коллиматоров или многожильных волокон;
• Высокоскоростные вращающиеся балки, повышающие эффективность и качество обработки некоторых металлов;
• Лазеры непрерывного действия с высокой пиковой мощностью для более быстрого и чистого прокалывания/сложной резки;
• Лазеры сверхвысокой мощности.

Несмотря на то, что потребности разных отраслей промышленности различны и все технологии используются в определенных областях, лазерная резка сверхвысокой мощности является ведущим технологическим трендом, который способствует улучшению производительности лазерной резки.

Об этом свидетельствует широкое распространение лазеров сверхвысокой мощности в станках лазерной резки по всему миру.

По мере того как все больше инженеров-технологов внедряют лазеры сверхвысокой мощности, они понимают, что производственные и качественные преимущества станков для резки сверхвысокой мощности многогранны и превосходят преимущества технологий с меньшей мощностью лазера и меньшей сложностью.

Лазеры сверхвысокой мощности имеют значительные преимущества по толщине, качеству и экономичности при резке толстых листов, особенно при мощности 15 кВт и выше, что делает их более конкурентоспособными по сравнению с сильноточными лазерами. плазменная резка машины.

Сравнительные испытания показывают, что для нержавеющей стали толщиной до 50 мм волоконный лазер мощностью 20 кВт работает в 1,5-2,5 раза быстрее, чем высокотоковая машина плазменной резки (300 А). Для углеродистой стали скорость резки толщиной до 15 мм более чем в два раза выше.

Расчеты показывают, что для углеродистой стали толщиной 15 мм общая стоимость резки одного метра при использовании лазера мощностью 20 кВт примерно в два раза меньше, чем при использовании плазмы.

Благодаря более высокой скорости резки профилей из нержавеющей стали толщиной 12-50 мм и низкоуглеродистой стали толщиной 12-30 мм по сравнению с мощной плазменной резкой, использование 40-киловаттного лазера для этих материалов дает еще большую разницу в производительности.

Внедрение сверхмощных лазеров

По сравнению с маломощными лазерами и другими процессами резки (например, плазменной резкой), основной движущей силой использования сверхмощных лазеров для резки является повышение производительности и снижение затрат на резку одной детали.

Увеличение скорости за счет использования лазеров сверхвысокой мощности обеспечивает экономию масштаба для производителей; например, увеличение мощности с 30 кВт до 40 кВт повышает скорость резки на 66%.

Лазеры сверхвысокой мощности позволяют выполнять высококачественную и быструю воздушную резку углеродистой стали, что выгоднее, чем более медленная кислородная резка и более дорогая азотная резка. В наших тестах использование воздушной резки мощностью 40 кВт для резки углеродистой стали толщиной до 50 мм было в три-четыре раза быстрее, чем мощная плазменная резка.

Лазеры сверхвысокой мощности делают лазерную резку более конкурентоспособной по многим другим параметрам. Например, увеличение толщины и качества резки (можно резать материалы толщиной до 230 мм), снижение или полное отсутствие затрат на последующую обработку (максимальное снижение навески шлака), уменьшение площади и стоимости помещения, снижение трудозатрат, повышение качества пробивки и производительности.

По мере повышения мощности и эффективности сверхмощных лазеров эти преимущества будут становиться все более очевидными, повышая их способность быстро и экономически выгодно изменять сферу применения резки в различных отраслях.