Сверхмощная волоконно-лазерная резка: Основы, которые вы должны знать | MachineMFG

Сверхмощная волоконно-оптическая лазерная резка: Основы, которые вы должны знать

0
(0)

Pповторное лицо

Сверхмощные волоконные лазеры способны обеспечить быстрое и качественное толстая пластина Резка, включающая использование воздуха в качестве вспомогательного газа для резки нержавеющей стали, имеет ряд преимуществ перед другими методами резки.

За последние несколько лет волоконные лазеры сверхвысокой мощности (UHP) с мощностью от 10 кВт до 40 кВт были быстро внедрены на рынок резки, и ожидается, что максимальная мощность лазеров для резки будет продолжать расти.

В этой статье мы продемонстрируем эффекты резки в этом диапазоне мощностей и обсудим основные факторы, определяющие применение волоконных лазеров сверхвысокой мощности, включая значительные преимущества в производительности, улучшение качества резки и возможность резать более толстые материалы, например нержавеющую сталь толщиной 230 мм при мощности 40 кВт.

В рамках данной статьи под сверхмощными лазерами понимаются лазеры с мощностью более 10 кВт, которые позволяют применять новые технологические методы, расширяющие лазерная резка на новые рынки. Один из таких методов - использование воздуха в качестве вспомогательного газа для резки нержавеющей стали толщиной до 50 мм, что позволяет добиться скорости резки в 4 раза выше, чем у высокомощных станков. плазменная резка.

Результаты применения показывают, что лазеры сверхвысокой мощности меняют процесс резки нержавеющей стали благодаря использованию воздушная резка вместо технологии азотной и кислородной резки, что обеспечивает высококачественную, высокоскоростную и экономически эффективную резку.

Тенденция развития за 6 лет: максимальная мощность лазера для резки

Рис. 1: Рост максимальной мощности волоконный лазер используется в режущем оборудовании с 2016 года

Технология лазерной резки появилась более 50 лет назад и с тех пор стремительно развивается. В 1970-х годах появились первые коммерческие станок лазерной резки Был выпущен первый вариант, который использовался в массовом производстве.

К 1980-м гг, Лазерная резка CO2 Оборудование получило широкое распространение, а в конце 1990-х - начале 2000-х годов появились мощные волоконные лазеры. В конце 2000-х годов были разработаны оптические лазеры киловаттного класса. волоконно-лазерная резка Благодаря станкам лазерная резка стала основной технологией производства, начиная с малого применения.

Станки для лазерной резки занимают значительное место в производстве металлических лазерная резка пластин рынок благодаря простоте интеграции, надежности, низким затратам на обслуживание и эксплуатацию, высокой производительности резки и возможности расширения мощности.

В конце 2010-х - начале 2020-х годов рынок лазерной резки демонстрировал рост в двух направлениях. Первая тенденция охватывает маломощный сегмент рынка с резким ростом спроса на станки для резки мощностью 1-3 кВт по мере снижения капитальных затрат на оборудование.

Вторая тенденция наблюдается на конечном рынке мощных лазеров, что также приводит к росту спроса на лазеры сверхвысокой мощности. Это обусловлено высокой производительностью и техническими возможностями, которые обеспечивают лазеры сверхвысокой мощности при высоком соотношении цены и качества. Область лазерной резки претерпела беспрецедентную "трансформацию мощности", которая не имеет аналогов в других областях. производство листового металла процессы того же периода.

На выставках, посвященных обработке и производству, мы видим, что максимальная мощность лазера на представленных режущих станках выросла с 6 кВт в 2015 году до 40 кВт в 2022 году, то есть почти в 7 раз (см. рис. 1). Только за последние три года максимальная мощность лазерного оборудования выросла с 15 кВт до 40 кВт, то есть в 2,5 раза!

Почему это лучшее время?

До появления тенденции к сверхмощной резке надежные мощные волоконные лазеры были доступны уже несколько лет назад. Уже в 2013 году появились промышленные волоконные лазеры с выходной мощностью 100 кВт.

Однако только в последние годы цена за киловатт лазеров стремительно падает, что снижает порог для сверхмощной лазерной резки. Этой тенденции также способствовала разработка режущих головок, способных выдерживать высокую мощность лазера в жестких условиях резки.

Кроме того, база данных для резки, которая может быть адаптирована к сверхмощному режущему оборудованию, постоянно совершенствуется, обеспечивая более точные возможности резки.

Испытание на резку

В этом испытании используются волоконные лазеры IPG 40kW YLS-40000 и IPG 30kW YLS-30000-ECO2 с высокой эффективностью электрооптического преобразования, с диаметром сердцевины волокна 100 мкм и режущей головкой IPGCut-HP для оценки скорости и качества резки различных металлов.

Насколько нам известно, мощность лазера 40 кВт и диаметр сердцевины волокна 100 мкм являются самыми высокими показателями мощности лазера, доступными для промышленного производства. свет лазерной резки источник.

Мы выбрали диаметр сердцевины волокна 100 мкм, так как он обеспечивает скорость резки на 10-25% выше, чем сердцевина волокна 150 мкм.

Резка углеродистой стали с использованием воздуха в качестве вспомогательного газа
Скорость резки в зависимости от мощности лазера

Рис. 2: Схема скорости и мощности резки углеродистой стали без шлака воздушная резка

Более высокая скорость резки

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

На рис. 2 показана зависимость между скоростью резки и мощностью лазера для углеродистой стали толщиной 6-40 мм при использовании воздуха мощностью от 12 кВт до 40 кВт. Скорость роста увеличивается с увеличением толщины металла.

Например, при резке углеродистой стали толщиной 12 мм скорость резки 40 кВт на 280% выше, чем у 15 кВт (при большей мощности на 270%). При резке углеродистой стали толщиной 20 мм с помощью 40 кВт скорость резки на 420% выше, чем у 15 кВт. Резка углеродистой стали толщиной 30 мм с увеличением мощности на 33%, с 30 кВт до 40 кВт, приводит к увеличению скорости резания на 66%.

Таким образом, сверхмощные лазеры с более высокими уровнями мощности могут еще больше повысить эффективность толстых резка пластин. Однако, чтобы значительно сократить производственный цикл за счет использования более высокой скорости резки, обеспечиваемой сверхмощным лазером, необходимо резать заготовки, особенно тонкие, с высокой скоростью.

В последние годы максимальное ускорение станки лазерной резки увеличилось с 1G до 3G, чтобы обеспечить более высокую мощность лазера. На рынке высокого класса ускорение станков для лазерной резки сверхвысокой мощности может достигать максимум 6 Гбит/с, а их механическая конструкция обеспечивает отсутствие заметных отклонений в траектории резки.

Снижение стоимости обработки деталей и быстрая окупаемость инвестиций

По сравнению с вариантами меньшей мощности, лазерная резка сверхвысокой мощности значительно снижает стоимость обработки деталей, что приводит к более быстрому возврату инвестиций и повышению рентабельности.

При лазерной резке стоимость обработки в основном складывается из расхода газа, который обычно увеличивается с ростом толщины детали. Однако для лазерной резки на сверхвысокой мощности требуется такое же или меньшее давление газа и размер сопла, как и для резки на низкой мощности. Скорость резки лазером сверхвысокой мощности выше, что снижает время резки деталей устройства и значительно снижает расход газа.

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

В то время как потребляемая мощность лазеров и охладителей обычно линейно увеличивается с ростом мощности лазера, потребляемая мощность других компонентов фрезы остается неизменной. Поэтому увеличение мощности лазера снижает общие затраты на электроэнергию каждого компонента. С непрерывным развитием технологии IPG эффективность электрооптического преобразования мощных волоконных лазеров превышает 50%, что ведет к дальнейшей экономии электроэнергии.

Лазеры сверхвысокой мощности также позволяют экономить газ. Воздух высокого давления можно использовать для быстрой и бесшлаковой резки толстой углеродистой стали, избегая использования более дорогого азота или более медленной скорости резки кислородом. Сверхвысокая мощность также позволяет снизить давление воздуха, необходимое для бесшлаковой резки в азоте и воздушная резка.

Например, при использовании лазера мощностью 20 кВт и выше для резки углеродистой стали толщиной 20 мм требуется давление воздуха всего 10-12 бар, в то время как для лазера мощностью 15 кВт - более 16 бар. Такая значительная разгерметизация помогает снизить потребление газа и упростить спецификацию газогенераторного оборудования.

Эффективность производства мощного оборудования для лазерной резки в два раза выше, чем у маломощного, а цена оборудования не в два раза выше. Это объясняется тем, что стоимость одного киловатта снижается с увеличением мощности лазера. Стоимость лазеров большей мощности включается в общую стоимость оборудования, показывая незначительный рост по сравнению с лазерным оборудованием меньшей мощности.

Таким образом, станок лазерной резки ультравысокой мощности может достичь вдвое большей эффективности производства за счет более высокой мощности лазера, в то время как стоимость оборудования увеличилась всего на 30-40%. Благодаря значительному повышению эффективности производства оборудование сверхвысокой мощности может заменить несколько маломощных установок, что позволяет сократить площадь, количество операторов и подготовку помещения.

Для обеспечения эффективности производства используется сверхвысокая мощность волоконно-лазерная резка Станок требует повышенной надежности лазерного источника и режущей головки. Стабильная выходная мощность и качество луча необходимы для оптический волоконный лазер источника, на который влияет качество диодов, компонентов и оптической интеграции. Ультрамощная режущая головка должна выдерживать высокую мощность лазера, газ высокого давления, пыль, тепло процесса и высокое ускорение для достижения стабильной и надежной обработки.

 АртикулКислородАзотВоздух высокого давления
Стоимость газового оборудованиянизкийот низкого до высокоговысокий
Стоимость эксплуатации газанизкийвысокийочень низкий
Флюснизкийочень высокийочень высокий
ШлакНет/Низкийсреднийнет/мало
Долгосрочная повторяемость качества продукцииСредний/Высокийочень высокийочень высокий
Чувствительность к состоянию поверхности материалаСреднийнизкийнизкий
Чувствительность к состав материалавысокийнизкийнизкий
Зона термического влиянияСредниймаленькиймаленький
Возможность резки сложных заготовок или заготовок с высоким соотношением сторонСреднийвысокийвысокий
Степень окисления поверхности резаниясерьезныйничегоумеренный
Резка шероховатость поверхности (Rz)низкийвторичныйсредний/высокий
Эстетичность режущей поверхностихорошовторичныйбедный
Ширина насечкибольшоймаленькиймаленький
Необходимая мощность лазера для бесшлаковой резкинизкийН/Дсредний
  • Масштабы производства определяют требования.
  • Оборудование необходимо для нагнетания воздуха и фильтрации влаги и масла.
  • Для кислородной резки используется низкое давление (обычно в пределах 5-20 фунтов на квадратный дюйм) и сопло с маленьким отверстием.
  • Для резки азотом требуется высокое давление и большое сопло.
  • Резка с использованием воздуха в качестве ресурса не требует затрат.
  • Следует учитывать степень окисления и толщину оксидной пленки.

Новая технологическая схема для резки нержавеющей стали

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

Хотя кислородная резка эффективна при резке толстой углеродистой стали с использованием меньшей мощности лазера за счет дополнительной энергии окисления, скорость резки не прямо пропорциональна мощности лазера. Это может привести к снижению эффективности производства.

С другой стороны, скорость воздушной резки углеродистой стали прямо пропорциональна мощности (см. рис. 2).

Например, для углеродистой стали толщиной 16 мм скорость кислородной резки остается на уровне 2 м/мин при мощности 10-30 кВт, в то время как скорость воздушной резки превышает 9 м/мин при мощности 30 кВт, что в 4,5 раза выше скорости кислородной резки.

Для толщин, требующих резки с использованием кислорода только при меньшей мощности и скорости, теперь доступны лазеры сверхвысокой мощности и воздух, что в несколько раз быстрее и позволяет получить более качественное покрытие.

Однако при использовании лазера малой мощности воздушная резка может привести к образованию шлаковых наплывов, которые трудно удалить и которые приводят к ухудшению качества поверхности.

Разработка этой инновационной и эффективной схемы обработки сверхвысокой мощности набирает популярность в таких отраслях, как производство строительного оборудования и тяжелая промышленность, где требуется значительный объем обработки толстых листов.

Мы расскажем об истории развития и преимуществах резки волоконными лазерами сверхвысокой мощности. В следующем номере мы продолжим демонстрировать конкурентные преимущества сверхмощной лазерной резки на конкретных примерах.

Рис. 4. Резка очень толстой нержавеющей стали в импульсном режиме с использованием ультра-лазерный резак высокой мощности

(a) Мощность 30 кВт, азотная резка нержавеющей стали толщиной 70 мм;
(b) Мощность 40 кВт, воздушная резка углеродистой стали толщиной 230 мм.

Улучшение толщины, производительности и качества резки листового металла

Результаты испытаний показывают, что с увеличением мощности сверхмощного лазера увеличивается и толщина реза. Например, на рис. 4 показана резка нержавеющей стали толщиной 70 мм с использованием азота при мощности 30 кВт и углеродистой стали толщиной 230 мм с использованием воздуха при мощности 40 кВт в режиме импульсной резки.

Рис. 5 Полная скорость резки в непрерывном режиме

(a) Лазер IPG 40kW YLS используется для резки углеродистой стали толщиной 28 мм через воздух со скоростью 4,5 м/мин (177 ipm).

(b) Лазер IPG 40kW YLS используется для воздушной резки нержавеющей стали толщиной 40 мм со скоростью 2,3 м/мин (90 ipm).

(c) Лазер IPG 30 кВт YLS-ECO в сочетании с азотом используется для резки нержавеющей стали толщиной 3-25 мм. стальные профили.

(d) Резка углеродистой стали толщиной 30 мм при мощности 15 кВт и использовании кислорода.

В режиме полноскоростной резки непрерывной волной (CW) для резки углеродистой стали толщиной 20 мм используется воздух без шлака мощностью 20 кВт, для резки углеродистой стали толщиной 30 мм - воздух без шлака мощностью 40 кВт, а для резки углеродистой стали толщиной 40 мм - воздух без шлака мощностью 40 кВт (см. рис. 2 и 5a в предыдущем разделе).

Когда резка нержавеющей сталиНо достижение бесшлакового эффекта проще, поэтому предельная толщина резки больше, чем у углеродистой стали (см. рис. 5b и рис. 5c).

При непрерывной резке азотом и воздухом бесшлаковая резка и хорошая поверхность реза могут быть достигнуты только в пределах определенной толщины при любой заданной мощности. Если толщина превышает определенную, для достижения приемлемого качества необходимо использовать импульсную резку (которая медленнее, чем непрерывная); в противном случае необходимо увеличить мощность лазера.

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

При кислородной резке углеродистой стали, исходя из того, что поверхность резки гладкая, увеличение мощности приведет к увеличению предельной толщины резки. Например, предельная толщина резки при мощности 4 кВт составляет около 6-8 мм, а при мощности 15 кВт - 30 мм.

На рис. 5d показан образец углеродистой стали толщиной 30 мм, вырезанный при мощности 15 кВт.

Более быстрая и чистая перфорация

Использование пиковой мощности сверхмощного лазера в импульсном режиме позволяет быстро перфорировать толстые металлы с минимальным разбрызгиванием.

Время прокалывания 16-миллиметровой нержавеющей стали значительно сократилось - с более чем 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 перфорации менее или равное 0,1 секунды обычно считается "мгновенным".

Более высокая пиковая мощность увеличивает соотношение глубины и ширины расплавленного бассейна, что позволяет быстрее соединять более толстые материалы с меньшим поперечным плавлением.

Уменьшение поперечного плавления также минимизирует попадание брызг на верхнюю поверхность.

Конкурентоспособность лазерной резки сверхвысокой мощности

За последние шесть лет несколько технологических разработок способствовали повышению производительности лазерной резки. К ним относятся:

  • Выбор различных коллимирующих или многожильных оптических волокон для определения необходимого размера фокусного пятна;
  • Внедрение высокоскоростных вращающихся балок, позволяющих повысить эффективность и качество обработки некоторых металлов;
  • Использование лазеров непрерывного действия с высокой пиковой мощностью для более быстрой и чистой перфорации/сложной резки; и
  • Использование сверхмощных лазеров.

Хотя потребности различных отраслей промышленности отличаются, все технологии используются в определенных областях. Однако сверхмощная лазерная резка является ведущей технологической тенденцией, способствующей повышению производительности лазерной резки.

Это подтверждается широким использованием сверхмощных лазеров в глобальных станках лазерной резки. С увеличением числа пользователей сверхмощных лазеров инженеры обнаружили многочисленные преимущества в производительности и качестве, превосходящие преимущества технологий с меньшей мощностью лазера, позволяющих использовать менее сложные технологии.

Сверхмощные лазеры имеют значительные преимущества в толщине, качестве и экономичности резки толстых листов, особенно при мощности 15 кВт и выше. Они более конкурентоспособны, чем высокотоковые плазменные резаки.

Сравнительные испытания показали, что для нержавеющей стали толщиной до 50 мм 20 кВт волоконный лазер в 1,5-2,5 раза быстрее, чем плазморез с высокой силой тока (300 А).

Похожие статьи: Лазерная резка в сравнении с плазменной резкой: Различия объяснены

При резке углеродистой стали толщиной до 15 мм скорость более чем в два раза выше, что подтверждается опытным путем.

Согласно расчетам, общая стоимость резки одного метра углеродистой стали толщиной 15 мм с помощью лазера мощностью 20 кВт примерно в два раза ниже, чем при использовании плазмы.

По сравнению с мощной плазмой, использование лазера мощностью 40 кВт для резки профилей из нержавеющей стали толщиной 12-50 мм происходит в три-четыре раза быстрее, а для резки профилей из низкоуглеродистой стали толщиной 12-30 мм - в три-пять раз быстрее, что приводит к значительному увеличению производительности.

Лазер сверхвысокой мощности

По сравнению с маломощными лазерами и другими процессами резки, такими как плазменная резка, основной движущей силой сверхмощных лазеров является повышение производительности и снижение затрат на резку каждого компонента.

Использование лазеров сверхвысокой мощности приводит к увеличению скорости, что обеспечивает производителям экономию на масштабе. Например, увеличение мощности с 30 кВт до 40 кВт приводит к увеличению скорости на 33% и скорости резки на 66%.

Сверхмощные лазеры позволяют добиться качественной и быстрой воздушной резки углеродистой стали, что выгоднее, чем медленная кислородная и дорогая азотная резка. В наших тестах использование 40 кВт воздуха для резки углеродистой стали толщиной до 50 мм было в три-четыре раза быстрее, чем использование мощной плазмы.

Лазер сверхвысокой мощности делает лазерную резку более конкурентоспособной во многих других аспектах. Он позволяет увеличить толщину и качество резки (можно резать материалы толщиной до 230 мм), снизить или исключить последующие затраты на обработку (что позволяет минимизировать навеску шлака), уменьшить площадь и затраты на оборудование, снизить трудозатраты, повысить качество и производительность пробивки.

С постоянным совершенствованием мощности и энергоэффективности лазеров сверхвысокой мощности эти преимущества будут становиться все более очевидными, повышая их способность быстро и экономично адаптироваться к применению для резки в различных отраслях промышленности.

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