Лазерный мир

Лазерная резка листового металла — это хорошо зарекомендовавший себя метод производства, в котором работают тысячи систем резки по всему миру. За последние 10 лет твердотельные волоконные лазеры, такие как волоконные и дисковые системы, стали предпочтительнее, заменив CO2-лазер, используемый во многих старых системах. В обоих случаях машины работают аналогичным образом, используя режущую головку для фокусировки лазерного луча на листовой металл через коническое сопло с коаксиальным вспомогательным газом высокого давления.

До настоящего времени в таких лазерных источниках использовалось фиксированное качество луча, и характеристики резки были охарактеризованы в широком диапазоне выходных мощностей, определяя диапазон подходящих размеров фокусных пятен, которые дают хорошие резы. Выбор определенного размера фокусного пятна для данной системы лазерной резки может быть выполнен с использованием подхода «Один размер подходит всем», где для обработки всех типов и толщины металла используется одна комбинация линз. Для недорогой, простой машины это может работать приемлемо хорошо, и производительность резки для данной мощности лазера может быть хорошо определена для ряда листовых металлов.

Однако этот подход всегда предполагает компромисс из-за различных обрабатываемых металлов. Резка плавлением, обычно с использованием газообразного азота, используется для резки нержавеющей стали и требует меньшего фокусного пятна с низкой расходимостью.

С другой стороны, реактивная газовая резка с использованием кислородного вспомогательного газа используется для резки мягкой стали и требует большого фокального пятна с высокой расходимостью. Трудно оптимизировать как сварку расплавлением, так и реактивную резку при использовании подхода «один размер подходит всем».

Один вариант, доступный для производителей машин для резки, — это использование более мощной режущей головки с коллиматором с электроприводом и переменным расширителем луча, который позволяет изменять размер фокусного пятна. Однако, как показано на рисунке 1, это не обеспечивает правильную комбинацию размера пятна и расходимости, если качество лазерного луча является фиксированным, поскольку небольшое фокусное пятно всегда будет иметь более высокую расходимость по сравнению с большим фокусным пятном. Чтобы улучшить процесс резки для сварки плавлением и реактивной резки, качество лазерного луча должно быть переменным.

Рис. 1. Размер фокального пятна в зависимости от расходимости лазера с качеством луча 4,5 мм * мрад, доставляемого через волокно диаметром 100 мкм.

SPI Lasers разработал новую опцию для своих мощных лазеров, позволяющую добавлять переменное качество луча, известную как variMODE. Это достигается путем контроля расходимости выходного луча и, следовательно, качества луча.

Все это делается внутри лазера без какой-либо внешней оптики. Первоначально лазер был снабжен волокном подачи диаметром 100 мкм, и качество луча можно переключать с 3,2 мм * мрад (M² 9,5) до 5,8 мм * мрад (M² 17), как показано в Таблице 1. Низкое качество луча 5,8 мм * mrad настроен так, чтобы соответствовать  NA стандартных коммерчески доступных режущих головок, чтобы гарантировать, что вся мощность лазера подается на листовой металл и что в режущей головке не происходит потери излучения. Время переключения с низкого на высокое качество луча, как правило, составляет 30 мс, что достаточно быстро для переключения между прошивкой отверстия и резкой.

Резка нержавеющей стали

Испытания по резанию проводились с помощью лазера мощностью 3 кВт, сравнивая характеристики variMODE с качеством луча (4,5 мм*мрад) стандартной номенклатуры изделий. Лазер variMODE был настроен на высокое качество луча (3,2 мм*мрад) и более низкую расходимость, и размер фокусного пятна был идентичен в обоих случаях, поскольку использовалась одинаковая оптика режущей головки.

Как показано в Таблице 2, результаты с использованием более высокого качества луча значительно быстрее, чем стандартные — для нержавеющей стали толщиной 2 мм скорость резки составляет 45%, а для 4 мм скорость составляет 25%. При этом используется одинаковая выходная мощность лазера для всех испытаний.

Обратите внимание, что все эти скорости резки являются производственными скоростями, имеющими  допуск к изменениям положения фокуса и высоты отклонения сопла.

Таблица 1. Характеристики переключаемого луча лазера varioMODE

Таблица 2. Результаты резки нержавеющей стали.

Резка толстой мягкой стали

При резке низкоуглеродистой стали с использованием кислородного вспомогательного газа не существует большой разницы в скорости резания в диапазоне доступных качеств луча, однако при этом существенно изменяется качество. При использовании более низкого качества луча (5,8 мм*мрад) качество режущей кромки улучшается и увеличивается технологическое окно, особенно с толстыми (20 мм) образцами, где резы с таким качеством луча показывают среднюю шероховатость (Rz) <30 мкм. Резы с более высоким качеством луча показывают более грубую, неустойчивую режущую кромку.

Экспериментальные испытания показали, что резы, сделанные с более низким качеством луча, намного холоднее по сравнению с использованием более высокого качества луча. Например, при резке низкоуглеродистой стали толщиной 20 мм лазером мощностью 3 кВт образец достигал 190 ° C, используя высокое качество луча (3,2 мм * мрад), но тот же профиль резки достигал только 110 ° C, используя более низкое качество луча (5,8 мм*мрад) со всеми другими параметрами, оставшимися прежними. Вполне вероятно, что механизм, который производит более холодный разрез, также производит меньшую неровность кромки реза.

Наряду с улучшенным качеством кромок, из толстой мягкой стали можно вырезать более тонкие элементы с более высоким соотношением сторон. Пример этого показан на Рисунке 2, где форма звена шириной 2,5 мм была вырезана из низкоуглеродистой стали толщиной 20 мм с помощью лазера variMODE мощностью 3 кВт, работающего на 5,8 мм * мрад со скоростью резки 0,7 м / мин.

Рис. 2. Особенности узкого среза в 20-миллиметровом МС с использованием лазера variMODE мощностью 3 кВт, настроенного на качество луча 5,8 мм *мрад.

Дополнительным преимуществом использования лазера variMODE является то, что для прошивки и резки можно использовать излучение различного качества.

Прошивка включает в себя лазерное сверление отверстия в листовом металле до начала резки, которое  должно давать  гладкие стенки, особенно для резки кислородом. Прошивка толстой мягкой стали может занять длительное время, так как для улучшения качества прошивки обычно используется импульсное лазерное излучение, но при использовании более высоких качеств луча время прошивки значительно сокращается.

Как показано на Рисунке 3, с помощью лазера variMODE можно прошивать с высоким качеством луча, чтобы получить более быстрое и более качественное отверстие, а затем переключаться на более низкое качество луча для резки.

Этот процесс также выигрывает от быстрой скорости переключения качества луча лазера variMODE для предотвращения пауз в процессе резки.

Рис. 3. Прошивка — испытание с толстой мягкой сталью. Верх — с высоким качеством луча. Внизу — с более низким качеством луча.

Резюме

Существуют явные преимущества использования лазера с переменным качеством излучения для обработки листового металла по сравнению с лазером с фиксированным качеством луча. При одной и той же мощности, лазер с переменным качеством излучения может превзойти систему фиксированного качества излучения. При настройке высокого качества излучения скорость резки плавлением с использованием нержавеющей стали значительно выше. При установке на более низкое качество излучения скорости резки для толстой мягкой стали одинаковы, но качество режущей кромки улучшается, и можно делать более узкие резы, поскольку температура заготовки ниже.

Источник: https://www.spilasers.com/whitepapers/improvements-to-sheet-metal-cutting-with-a-high-power-variable-beam-quality-fiber-laser/