Kokie veiksniai veikia metalų lazerinių pjovimo mašinų pjovimo greitį?

Lazerio galia ir jos netiesinė įtaka metalų pjovimo įrenginių našumui

Galios–greičio ryšys įprastose metalų rūšyse: plienas, aliuminis ir nerūdijantis plienas

Lazerio galios kiekis nulemia, kiek greitai galima pjauti medžiagas, nors šis ryšys nėra tiesioginis ir skiriasi priklausomai nuo to, kokios medžiagos atžvilgiu jis nagrinėjamas. Pavyzdžiui, 1 mm storio anglies plienas. Naudojant 2 kW lazerį, pjovimo greitis yra apie 708 colius per minutę. Tačiau kai galia padidinama iki 6 kW (t. y. triskart), greitis pagal praeitos metų pramonės standartus pakyla iki maždaug 2165 col. /min. Tai yra įspūdingas 205 % padidėjimas. Dabar aliuminio atveju situacija visiškai kitokia. Kadangi aliuminis labai gerai laiduoja šilumą ir sugeria mažiau energijos, operatoriams reikia apytiksliai 30–40 % daugiau galios nei tokio pat storio plienui. Nerūdijantis plienas kelia visiškai kitą iššūkį. Norint gauti švarius pjūvius be perteklinių likučių, reikia tiksliai reguliuoti galios lygį viso proceso metu. O vario lydiniai atspindi didžiąją dalį įeinamosios energijos. Jie sugeria tik apie 40 % to, ką sugertų plienas, todėl technikams dažnai tenka operatyviai reikšmingai keisti galios parametrus. Kai kuriais atvejais net reikia du kartus perduoti detalę, kad būtų pasiektos tinkamos kraštų kokybė ir nuoseklus pjūvio plotis.

Grąžos mažėjimas virš optimalių galios slenkstinių verčių: Įžvalgos iš IPG ir TRUMPF etaloninių tyrimų

Viršijus tam tikrus medžiagų ribos parametrus, tiesiog padidinant lazerio galią daugiau nebeapsimoka, o tai net gali pabloginti pjovimo kokybę. Pavyzdžiui, aliuminio atveju. Dirbant su 8 mm storio lakštais, viršijus 4 kW galią pjovimo greitis padidėja tik apie 5 %, tačiau kraštų šiurkštumas padidėja maždaug 40 %, kaip nustatė TRUMPF praeitais metais atlikti tyrimai. O kas nutinka, kai kas nors bando pjauti 15 mm storio minkštąją plieno lakštą naudodamas daugiau nei 8 kW galią? Tokiu atveju tik paspartėja oksidacijos procesai, kurie sukuria nepageidaujamus oksidų sluoksnius, kuriuos vėliau reikia pašalinti. Papildomi vėlesni apdorojimo etapai tikrai padidina bendrąsias sąnaudas. Čia vyksta paprasta fizika. Per didelė galia per greitai ištirpina medžiagą, todėl pagalbinė dujų srovė negali laiku pašalinti visos ištirpusios medžiagos, dėl ko susidaro nepageidaujami perlydyti sluoksniai ir netolygūs pjūviai. Žymūs pramonės lyderiai, tokie kaip IPG ir TRUMPF, nustatė optimalius galių nustatymo taškus, kai galios padidinimas leidžia pasiekti pakankamą greičio padidėjimą, neprarandant per daug kokybės. Jų diagramose pateikta logaritminė priklausomybė tarp galios lygio ir faktinio našumo padidėjimo, padedanti gamybos įmonėms rasti pusiausvyrą tarp užduočių atlikimo greičio ir gerų kraštų baigimo kokybės bei ilgalaikių techninės priežiūros sąnaudų racionalumo.

Medžiagos savybės: storis, atspindžiuiškumas ir šiluminis laidumas kaip pagrindiniai greičio ribotuvai

Storio–greičio atvirkštinis eksponentinis mažėjimas minkštajame pliene (1–25 mm) ir aliuminyje (1–12 mm)

Medžiagos, kurią reikia supjaustyti, storis nustato tikrąsias ribas, kurių gali pasiekti metalo pjovimo įrenginiai. Kai lakštai tampa storesni, pjovimo greitis staigiai mažėja. Pavyzdžiui, 12 mm aliuminio lakšto supjaustymas trunka apytikriai dvigubai ilgiau nei tik 1 mm storio lakšto. Dirbant su 25 mm minkštuoju plienu priešingai nei su įprastu 3 mm storio medžiaga, operatoriams reikia sulėtinti įrangos darbą beveik keturis kartus. Kodėl taip nutinka? Pagrindinė problema susijusi su šilumos valdymu. Storesnėse medžiagose perdirbant prarandama daugiau kaip pusė šilumos, nes lazerio energija išsisklaido didesniame plote ir pradeda judėti šonais dar prieš visiškai prasiskverbdama į medžiagą. Jei technikai nepritaikys parametrų, tokių kaip galios lygis, spindulio fokusuotės vieta ir pagalbinės dujos, atsižvelgdami į skirtingus storius, jie susidurs su įvairiomis problemomis – nuo dalinio pjūvio iki išsivytusių detalių arba netinkamos šlako kaupimosi kraštuose.

Kodėl aukštos atspindžio metalų, tokių kaip varis ir latunis, pjovimo našumas toje pačioje metalo pjovimo mašinoje yra 40–60 % lėtesnis nei plieno

Dirbant su variu ir vario lydiniais iš fizikos požiūrio kyla du pagrindiniai problemų. Pirma, šie medžiagų turi itin aukštą atspindžio gebą, atspindėdami apie 70–90 procentų visos į juos krintančios lazerio energijos. Antra, jie puikiai laiduoja šilumą: varis šilumą perduoda maždaug aštuonis kartus greičiau nei nerūdijantis plienas. Plienai, priešingai, paprastai sugeria apie 65 % artimosios infraraudonosios spinduliuotės lazerio energijos, todėl su jais dirbti daug lengviau. Tačiau varis ir vario lydiniai tiesiog neleidžia taikyti šio apdorojimo – jie atspindi didžiąją dalį įeinamosios galios ir greitai pašalina bet kokią sugertą energiją nuo pjovimo vietos. Dėl to medžiagai ištopyti reikia ilgesnio laiko, todėl operatoriams reikia mašinų, kurios gali generuoti bent 2 kW viršutinės galios, o pjovimo greitis turi būti sumažintas iki maždaug 3 m/min vietoj įprasto 8 m/min, kuris pasiekiamas dirbant su plienu. Dažnai technikams tenka lazeriu apdoroti tą pačią vietą du kartus, kad visiškai perpjautų medžiagą, dėl ko bendra našumas sumažėja nuo 40 iki 60 procentų. Visi šie veiksniai paaiškina, kodėl tiksliai parinkti mašinos parametrus tampa absoliučiai būtina realiose gamybos sąlygose dirbant su variu ir vario lydiniais.

Pagalbinės dujų strategija: tipas, slėgis ir srauto optimizavimas maksimaliam metalo pjovimo mašinos greičiui

Deguonis prieš azotą prieš suspaustą orą: greičio ir krašto kokybės kompromisai pagal medžiagą

Kokio pagalbinio dujų tipo pasirinkimas lemia viską, kai kalbama apie pjovimo greitį ir kraštų švarumą. Paimkime pavyzdžiui deguonį. Dirbant su minkštu plienu deguonis iš tikrųjų sugeba sukurti šiuos egzoterminius reakcijos su geležimi, kurios gali padidinti pjovimo greitį maždaug 40 %. Tačiau yra ir šalutinis poveikis: lieka oksidų dėmės, todėl vėliau reikia papildomo apdorojimo. Kitas variantas – azotas. Jis leidžia gauti švarius pjūvius be jokių oksidų, todėl ypač tinka nerūdijančiajam plienui ir aliuminiui. Trūkumas? Kadangi cheminės reakcijos nevyksta, pjovimo greitis sumažėja 20–30 %. Galiausiai, suspaustas oras atrodo patrauklus dėl žemesnių sąnaudų, ypač pjaužiant plonus netempiuosius medžiagų sluoksnius (mažesnius nei 3 mm). Tačiau kylant problemų su storesniais pjūviais, nes ore esantis drėgnumas ir deguonis trukdo šilumos kontrolės procesui. Reikėtų tikėtis, kad pjovimo greitis sulėtės maždaug 15–25 %, o kraštų forma bus ganėtinai nestabili. Taigi geriausias pasirinkimas priklauso nuo to, kas kiekvienam darbui svarbiausia: jei reikia didelio našumo pjaužiant anglies plieną – pasirinkite deguonį; jei reikia tikslaus, korozijai atsparaus gaminio – azotas; suspaustą orą palikite tiems atvejams, kai tikslumo reikalavimai nėra labai aukšti, medžiagos storis mažas, o sąnaudų mažinimas lieka svarbus.

Optinis ir mechaninis tikslumas: fokusuotė, spindulio kokybė ir priežiūros poveikis pjovimo greičiui

Dėmės dydis, fokuso gylis ir M² blogėjimas: kaip spindulio kokybė >1,2 sumažina maksimalų greitį iki 35 %

Lazerio spindulio kokybė, matuojama taip vadinamu M kvadratu, iš tikrųjų labai svarbi, nustatant, kiek greitai galima pjauti medžiagas ir kaip aštrūs gaunami kraštai. Idealus Gauso spindulys turėtų turėti M kvadrato reikšmę lygią tiksliai 1,0. Kai ši reikšmė pakyla virš maždaug 1,2, sistemoje kažkur yra problema. Dažnos priežastys – dulkės ant lęšių, netinkamai suorientuoti veidrodžiai arba lazerio viduje esančių detalių nusidėvėjimas laikui bėgant. Šios problemos leidžia lazerio energijai išsisklaidyti vietoj to, kad ji būtų tinkamai suskoncentruota fokuso taške. Tai reiškia, kad mažiau galios tenka svarbiausiam vietų – todėl operatoriams dažnai tenka sumažinti pjovimo našumą net iki 35 %, kad pasiektų tinkamus rezultatus. Pavyzdžiui, pjaukime 6 mm storio plieną: esant M kvadratui 1,5, greitis gali sumažėti žemiau 8 m/min palyginti su apytikriai 12 m/min, kai spindulys turi M kvadratą geriau nei 1,1. Jei paliksime be priežiūros paprastas problemas, pvz., anglies nuosėdų kaupimąsi optinėse komponentėse, tai kiekvieną mėnesį M kvadrato reikšmė gali padidėti maždaug 0,3. Toks palaipsniui vykstantis prastėjimas pamažu sumažina gamybos našumą. Reguliari visko valymo, veidrodžių tinkamo orientavimo ir vidinių komponentų tikrinimo priemonės padeda išlaikyti gerą spindulio kokybę. Kiekvieną kartą, kai M kvadratas padidėja net 0,1 vienetu virš to „geriausio taško“ – 1,1, galios veiksmingumas mažėja maždaug 5 %, o bendras našumas pastebimai krenta.

Dažniausiai užduodami klausimai

Kokie veiksniai veikia lazerio pjovimo greitį skirtinguose metaluose?

Pjovimo greitį žymiai veikia tokie veiksniai kaip medžiagos storis, atspindžių gebėjimas, šiluminė laidumas ir lazerio galios nustatymai.

Kodėl sunku pjaustyti aukšto atspindžių gebėjimo metalus, pvz., varį ir vario lydinius?

Šie metalai atspindi didelę dalį lazerio energijos ir greitai nuveda šilumą, todėl sumažėja pjovimo efektyvumas.

Kaip padėklų dujos veikia metalo pjovimo greitį ir kokybę?

Padėklų dujų pasirinkimas – pvz., deguonies, azoto arba suspausto oro – veikia pjovimo greitį ir kraštų kokybę dėl skirtingų reakcijų su metalu.

Kokią funkciją atlieka M kvadratu reikšmė lazerio pjovime?

M kvadratu reikšmė matuoja spindulio kokybę, kuri veikia pjovimo greitį ir tikslumą. Mažesnė reikšmė rodo geriau susifokusuotą spindulį ir didesnę efektyvumą.