Cięcie wiązką laserową to bezkontaktowa, elastyczna technologia produkcji o wysokiej wydajności, która umożliwia dokładne analizowanie szerokiej gamy materiałów arkuszowych. Ze względu na te i inne korzyści przemysł coraz częściej stosuje obróbkę laserową. 

W artykule zbadano wpływ rodzaju materiału, grubości przedmiotu obrabianego, prędkości cięcia i ciśnienia gazu pomocniczego na jakość cięcia oraz wykorzystano laser CO2 do zastosowań przemysłowych. Wybierz stop aluminium AlMg3, stal niskowęglową St37-2 i stal nierdzewną AISI 304 jako najbardziej dojrzałe materiały w wielu dziedzinach przemysłu i uzyskaj dogłębną wiedzę na temat zachowania absorpcji w różnych procesach (tj. ) i długość fali lasera CO2. Celem jest wzmocnienie zrozumienia mechanizmu interakcji między cięcie laserowe parametry i parametry przedmiotu obrabianego w celu określenia ogólnych standardów i zoptymalizowanych parametrów procesu w celu zapewnienia jakości cięcia.

 Badacze przeanalizowali jakość cięcia laserowego pod kątem trzech aspektów: geometrii szwu cięcia, chropowatości powierzchni i jakości krawędzi tnącej. Eksperyment przeprowadzono metodą systematycznego projektowania eksperymentów, opartą na projektowaniu eksperymentów, a wyniki zweryfikowano analizą wariancji. Zaproponowano i omówiono ocenę jakości. Wizualna kontrola wyciętej części potwierdza dobrą ogólną jakość i ograniczone występowanie wad cięcia laserowego. Badania eksperymentalne wykazały, że różne materiały można z powodzeniem przetwarzać w szerszym zakresie wartości testowych. Ponadto badacze określili dla każdego materiału najlepsze warunki skrawania, spełniające wymagania prostoliniowości przyjętych norm jakości.

Eksperymentalne tło

Cięcie laserowe (LBC) jest obecnie najczęściej stosowanym procesem cięcia różnych materiałów arkuszowych w przemyśle. Obróbka laserowa umożliwia cięcie bardzo szerokiej gamy materiałów, obejmując prawie wszystkie kategorie (metale, kompozyty i ceramika). Ta cecha wynika z faktu, że właściwości termiczne procesu laserowego zależą od zachowania termicznego materiału, a nie od jego właściwości mechanicznych. Energia cieplna jest dostarczana przez wiązkę laserową i zamieniana na energię cieplną. Wiązka lasera może być skupiona na bardzo małym punkcie na powierzchni materiału. Ze względu na promieniowanie elektromagnetyczne nie wiąże się to z mechaniczną siłą skrawania, zużyciem narzędzia i wibracjami. Dlatego LBC nadaje się również do cięcia twardych lub kruchych materiałów.

Wiązka laserowa wchodzi w interakcję z elektronami materiału, a część energii jest pochłaniana, co skutkuje wysoce zlokalizowanym wzrostem temperatury, aż do stopienia, odparowania lub zmiany stanu chemicznego. Te różne zjawiska fizyczne, które kontrolują interakcję laser-materiał, zależą głównie od chemicznych i fizycznych właściwości materiału, takich jak chłonność, przewodność cieplna i właściwości lasera, takie jak długość fali i gęstość mocy lasera. Cięcie w stanie stopionym jest zdecydowanie najczęściej stosowaną metodą cięcia metalu, podczas gdy cięcie waporyzacyjne jest zwykle stosowane w przypadku materiałów o niskiej energii parowania i laserach o wysokim natężeniu promieniowania. Stan chemiczny zmienia się i tnie, aby zastąpić niektóre materiały organiczne, gdy wzrost temperatury powoduje zerwanie wiązań chemicznych między cząsteczkami. Podczas procesu topienia i cięcia stopiony materiał jest usuwany z rowka przez strumień wspomagany gazem pod ciśnieniem. W zależności od ciętego materiału gaz pomocniczy może być obojętny lub aktywny. Pierwsza chroni powierzchnię przed utlenianiem, natomiast druga (zwykle tlen) generuje silną reakcję egzotermiczną, zwiększając temperaturę obszaru cięcia, umożliwiając grubsze cięcia i wyższe prędkości.

Naukowcy zbadali wpływ rodzaju materiału, grubości przedmiotu obrabianego, prędkości cięcia i ciśnienia gazu pomocniczego na jakość cięcia podczas przemysłowego cięcia laserowego różnych materiałów. Gdy wymagana jest wysoka precyzja i precyzja, najważniejsza jest jakość cięcia. Ocena jakości cięcia opiera się głównie na geometrii szczeliny (szerokość cięcia i odchyłka prostopadłości), chropowatości powierzchni i jakości krawędzi tnącej. Materiały użyte w tym badaniu eksperymentalnym zostały wybrane tak, aby reprezentowały najczęściej używane materiały w wielu powiązanych dziedzinach przemysłu, w celu znalezienia wspólnych standardów i najlepszego zestawu parametrów procesu. Do badania absorpcji długości fali lasera CO3 wykorzystano stop aluminium AlMg304 i stal nierdzewną AISI 2, a stal konstrukcyjną St37-2 do badania cięcia laserowego wspomaganego tlenem. Projekt czynnikowy został opracowany i przetestowany poprzez zmianę parametrów procesu. Mierzy się i analizuje szerokość szczeliny, kąt stożka i chropowatość powierzchni noża. Badacze wykorzystali metodę analizy wariancji (ANOVA) do zbadania łącznego wpływu parametrów cięcia laserem i parametrów przedmiotu obrabianego na wyjściową jakość przedmiotu obrabianego. Na koniec przeprowadzili oględziny zrobów w celu wyeliminowania tworzenia się żużla, obszarów nieprzeciętych i nierówności na powierzchni cięcia.

Materiały eksperymentalne

Aluminium i jego stopy charakteryzują się wysokim stosunkiem wytrzymałości do masy, odpornością na korozję i spawalnością. Ze względu na swoje znaczne parametry, blachy ze stopów aluminium są wykorzystywane do produkcji elementów konstrukcyjnych do zastosowań przemysłowych w lotnictwie, samochodach i innych powiązanych dziedzinach technicznych. Cięcie stopów aluminium wykorzystuje gaz obojętny, zwykle azot. AlMg3 to stop aluminiowo-magnezowy (seria 5xxx), odpowiedni do formowania na zimno i spawania, ma lepszą odporność na korozję i wyższe właściwości mechaniczne niż czyste aluminium. W przypadku czystego aluminium AlMg3 ma wysoką przewodność cieplną. Przenikanie ciepła odgrywa kluczową rolę w wydajności cięcia laserowego. Ponieważ przewodność cieplna odnosi się do szybkości przenoszenia ciepła z obszaru skrawania, niski opór cieplny zwiększa rozpraszanie ciepła, co skutkuje niższą energią dostępną do obróbki, co skutkuje wyższym zużyciem energii i utratą wydajności. Ponadto odprowadzanie ciepła może skutkować chłodzeniem stopionego metalu na dolnej powierzchni szczeliny, tworzeniem się zwężających się krawędzi i żużlem. Ponadto metale odbijające światło, takie jak stopy aluminium, mogą zmniejszać maksymalną prędkość cięcia i wymagają większej gęstości mocy do rozpoczęcia cięcia.

Sprzęt laboratoryjny

Test eksperymentalny wykorzystuje TRULaser 3040 firmy TRUMPF, wyposażony w źródło CO5000 TruFlow o mocy 2 W. Rysunek 1 przedstawia schematyczny diagram urządzenia doświadczalnego użytego do badań, który wskazuje odpowiednie elementy zaangażowane w proces cięcia laserowego. System laserowy jest kontrolowany przez komputerowy system sterowania numerycznego (CNC). Gaz pomocniczy jest wyrzucany współosiowo przez zwężającą się dyszę głowicy tnącej. System soczewek skupia wiązkę lasera na punkcie o średnicy około 0.3 mm. Rozkład natężenia wiązki w ognisku jest w przybliżeniu gaussowski.

procedura eksperymentalna

W celu uzyskania dokładności wymiarowej, wykończenia powierzchni oraz jakości krawędzi skrawającej obrabianego przedmiotu bardzo ważny jest dobór parametrów procesu. Dlatego zakres mierzonych parametrów ustalany jest na podstawie wstępnych eksperymentów projektowych oraz badań literaturowych. Każdy materiał wykorzystuje najsłynniejszą metodę. Gaz pomocniczy AlMg3 i AISI 304 jest cięty azotem, a St37-2 jest cięty tlenem. Gaz pomocniczy jest wyrzucany współosiowo przez zwężającą się dyszę głowicy tnącej. Regulacja średnicy dyszy stabilizuje ciśnienie i zapobiega turbulencji w stopie. Generalnie, w zależności od materiału i grubości, powszechnie stosowana średnica dyszy mieści się w zakresie 0.8-3mm. Pomocniczy strumień gazu zapewnia działanie mechaniczne wymagane do wyciągania stopionego metalu ze szczeliny i tworzy warstwę graniczną wymiany ciepła na stopionej powierzchni, zapobiegając w ten sposób przegrzaniu. Ponadto w cięciu wspomaganym tlenem gaz aktywny stanowi dodatkowy wkład termiczny do bilansu energetycznego. W normalnych warunkach przy cięciu laserowym wspomaganym tlenem, w zależności od grubości, ciśnienie wtrysku gazu aktywnego w obszar cięcia wynosi około 0.2-0.6 bara, natomiast ciśnienie wtrysku azotu jest znacznie wyższe (około 16 barów na 10 mm gruba płyta) ).

Zgodnie z planem doświadczalnym każda próbka została wycinana laserowo poprzez zmianę parametrów procesu. Przeprowadzić grzebień równoległy na próbce, przeprowadzić analizę geometryczną i ocenę jakości przekroju.

W celu określenia parametrów nacięcia, które mają istotny wpływ na jakość nacięcia oraz oceny adekwatności opracowanego modelu empirycznego regresji, przeprowadzono analizę wariancji (ANOVA) przy 95% poziomie ufności (α=0.05). Wartość p służy do określenia istotności czynników kontrolnych i ich interakcji; dlatego gdy wartość p jest mniejsza niż 0.05, efekt główny i interakcja pierwszego rzędu są znaczące.

Wreszcie, pod działaniem strumienia gazu pomocniczego pod wysokim ciśnieniem, hydrodynamiczne oddziaływanie między tworzeniem stopu a usuwaniem stopu wpływa na jakość cięcia. Topienie i cięcie grubych elementów wspomagane azotem AlMg3 można obserwować od stanu przepływu laminarnego do turbulentnej warstwy granicznej, zanim zostaną odciągnięte od ciętego materiału. Gdy wspomagane ciśnienie gazu nie wystarcza do utrzymania laminarnej warstwy przyściennej na całej grubości cięcia. Rysunek 3 przedstawia punkty separacji warstwy granicznej odpowiadające znacznemu wzrostowi chropowatości powierzchni.

na zakończenie

Artykuł dotyczy głównie wpływu rodzaju materiału, grubości przedmiotu obrabianego, prędkości cięcia i ciśnienia powietrza pomocniczego na jakość cięcia przy użyciu lasera przemysłowego CO5000 o mocy 2 W do cięcia laserowego różnych materiałów inżynierskich, takich jak stop aluminium AlMg3, stal niskowęglowa St37-2, AISI 304 stal nierdzewna itp. . Ocena jakości cięcia opiera się głównie na geometrii rzazu (szerokość rzazu i kąt stożka), chropowatości powierzchni i jakości krawędzi skrawającej. Główne wyniki można podsumować w następujący sposób:

Ocena jakości wyciętego odcinka (zgodnie z normą ISO 17658:2015) potwierdziła, że ​​ogólna jakość wyciętego laserowo odcinka była dobra, z ograniczonymi wadami, ponieważ nie zaobserwowano zestalonych kropel cieczy, nieregularnych konturów twarzy i przypaleń powierzchni. Całkowita szerokość nacięcia, szerokość dolnego nacięcia i zakres kąta stożka wynoszą odpowiednio 599.90±106.85 µm, 562.06±280.01 µm i 0.83±2.48 stopni.

Jeśli chodzi o geometrię szczeliny, na górną szerokość szczeliny wpływa głównie grubość obrabianego przedmiotu. Wręcz przeciwnie, na szerokość podcięcia duży wpływ ma rodzaj materiału, grubość i ciśnienie gazu. Zmniejszenie prędkości skrawania zwiększa szerokość rowka, ponieważ zapewnia większą energię. Ten ostatni jest mniej zauważalny podczas cięcia stali nierdzewnej. Proponuje się, aby w zakresie numerycznym wybranym dla cięcia laserowego AISI 304, tam gdzie to możliwe, zwiększenie prędkości cięcia zwiększało napromieniowanie czoła cięcia, tym samym zwiększając temperaturę czoła cięcia do dołu. Kąt stożka zależy głównie od rodzaju materiału.

W przypadku chropowatości rowkowania bocznego, AlMg3, który ma najgorszą absorpcję promieniowania laserowego CO2 przez cięcie laserowe, ma najwyższą wartość Ra, podczas gdy AISI 304 ma najniższą wartość Ra. Ponadto, chropowatość arytmetyczna powierzchni AlMg3 i St37-2 wzrasta wzdłuż kierunku wiązki laserowej, podczas gdy chropowatość arytmetyczna powierzchni AISI 304 pozostaje w zasadzie niezmieniona. Wyniki analizy wariancji pokazują, że na obliczoną chropowatość powierzchni wpływa głównie interakcja materiału i prędkości skrawania. Ponadto wraz ze wzrostem prędkości cięcia RSm wzrasta, zwłaszcza przy cięciu laserem AISI 304. Wręcz przeciwnie, przy cięciu laserem St37-2 RSm wzrasta wraz ze spadkiem prędkości cięcia; Ponadto badanie wykazało również, że RSm zmniejsza się wraz ze wzrostem grubości, co wskazuje, że obecność pierwiastków stopowych prowadzi do mniej przewidywalnego zachowania . Istnieje znacząca interakcja między grubością a ciśnieniem gazu, co wskazuje, że im niższe ciśnienie gazu, tym mniejszy parametr rozstawu przy cięciu laserowym cienkich warstw.

Link do tego artykułu: Nowa technologia cięcia wiązką lasera CO2 jest bardziej odpowiednia do cięcia twardych lub kruchych materiałów!

Oświadczenie o przedruku: Jeśli nie ma specjalnych instrukcji, wszystkie artykuły na tej stronie są oryginalne. Proszę wskazać źródło przedruku: https://www.cncmachiningptj.com

PTJ® zapewnia pełen zakres niestandardowej precyzji obróbka cnc Chiny usługi. Certyfikat ISO 9001:2015 i AS-9100.

Warsztat obróbki skrawaniem specjalizująca się w usługach prefabrykacji dla branży budowlanej i transportowej. Możliwości obejmują cięcie plazmowe i tlenowo-paliwowe, Obróbka na miarę, MIG i Niestandardowe aluminiowe urządzenie do precyzyjnego frezowania CNC do spawaniaformowanie rolkowe, montaż, Tokarka do obróbki stali nierdzewnej maszyna cnc wał, strzyżenie i Szwajcarskie usługi obróbki CNC. Obsługiwane materiały obejmują węgiel i Pasywacja Części pokrywy do obróbki stali nierdzewnej.

Opowiedz nam trochę o budżecie Twojego projektu i przewidywanym czasie realizacji. Opracujemy z Tobą strategię, aby zapewnić najbardziej opłacalne usługi, które pomogą Ci osiągnąć swój cel. Zapraszamy do bezpośredniego kontaktu z nami ( sprzedaz@pintejin.com ).