Khái niệm cơ bản về cắt laser cho người mua kim loại: Các biến thể quy trình và thông số cắt

Cách cắt được thực hiện

Cắt laser công nghiệp được giới thiệu vào những năm 1970 và hiện được sử dụng trên kim loại tấm, nhựa, thủy tinh, gốm sứ, chất bán dẫn, dệt may, gỗ và giấy. Cơ chế là như nhau trong mọi trường hợp. Chùm tia tập trung nâng khu vực được chiếu xạ lên nhiệt độ nóng chảy hoặc hóa hơi, chùm tia xuyên qua phôi và mặt trước cắt sau đó di chuyển dọc theo đường viền trong khi vật liệu nóng chảy hoặc hóa hơi được làm sạch khỏi vết cắt. Khe hở để lại phía sau hẹp, gần bằng đường kính của điểm hội tụ và cạnh tấm bên cạnh ít bị biến dạng hơn so với hầu hết các quy trình xử lý nhiệt vì tổng lượng nhiệt đầu vào trên một đơn vị chiều dài là nhỏ.

Điều khác biệt giữa các biến thể của quy trình là cách loại bỏ vật liệu và loại khí nào. Chọn sai biến thể là nguyên nhân phổ biến nhất khiến cạnh không thành công trong quá trình tạo hình hoặc hàn tiếp theo, thường xuyên hơn bất kỳ hạn chế nào của máy.

Cắt ngọn lửa

Cắt bằng ngọn lửa là quy trình tiêu chuẩn đối với thép nhẹ và sử dụng oxy làm khí cắt. Oxy được điều áp lên đến khoảng 6 bar và thổi vào rãnh, nơi kim loại nóng phản ứng với nó: quá trình đốt cháy và oxy hóa bắt đầu, đồng thời phản ứng giải phóng một lượng năng lượng lớn, gấp 5 lần năng lượng do chính tia laser cung cấp. Sự đóng góp tỏa nhiệt đó là lý do tại sao thép nhẹ dày có thể cắt dễ dàng ở công suất laser khiêm tốn.

Phản ứng tương tự là trách nhiệm pháp lý đối với vật liệu phản ứng và hợp kim. Mặt cắt bị oxy hóa trên thép không gỉ làm mất khả năng chống ăn mòn và trên titan, cạnh giàu oxy-chính xác là lớp vỏ alpha cần phải được loại bỏ trước khi bộ phận rơi vào tình trạng mỏi hoặc ăn mòn.

Cắt hợp nhất

Cắt nóng chảy, còn gọi là cắt nóng chảy, sử dụng nitơ hoặc argon ở áp suất khí từ 2 đến 20 bar. Cả hai khí đều trơ nên chúng không phản ứng với kim loại nóng chảy trong vết nứt; họ thổi nó ra khỏi vết cắt và che chắn cạnh mới hình thành khỏi quá trình oxy hóa không khí. Kết quả là một mặt cắt sạch, không bị oxy hóa, thích hợp để hàn mà không cần tẩy gỉ.

Cắt nóng chảy cũng hoạt động trên các vật liệu dễ nóng chảy khác như gốm sứ. Nitơ là chất liệu chính cho thép không gỉ và nhôm ở áp suất cao. Argon được sử dụng trong trường hợp không thể chấp nhận được ngay cả một lượng nhỏ sự hình thành nitrit và trên titan, đây là lựa chọn bình thường vì cả quá trình hấp thụ oxy và nitơ đều-làm suy giảm cạnh.

Cắt khí nén

Khí nén được sử dụng cho tấm mỏng. Không khí được điều áp đến 5 đến 6 bar mang đủ động lượng để loại bỏ kim loại nóng chảy khỏi vết cắt và vì gần 80% không khí là nitơ nên việc cắt bằng khí nén trên thực tế là cắt nóng chảy với thành phần oxy hóa nhẹ. Đây là lựa chọn khí rẻ nhất và được sử dụng rộng rãi ở những nơi cạnh sẽ được gia công hoặc sơn sau đó, nhưng nó không phù hợp với titan hoặc bất kỳ bộ phận nào mà mặt cắt vẫn được sử dụng mà không cần xử lý thêm.

Cắt hỗ trợ-Plasma

Khi các tham số được chọn chính xác, đám mây plasma sẽ hình thành trong rãnh trong quá trình cắt nóng chảy-có hỗ trợ plasma. Đám mây bao gồm hơi kim loại bị ion hóa và khí cắt bị ion hóa. Nó hấp thụ năng lượng laser và truyền nó đến phôi hiệu quả hơn, do đó, nhiều năng lượng được kết hợp vào vật liệu hơn, mặt trước nóng chảy di chuyển nhanh hơn và tốc độ cắt tăng lên. Quá trình này còn được gọi là cắt plasma tốc độ cao-vì lý do đó.

Có một hạn chế cứng rắn. Đám mây plasma về cơ bản là trong suốt đối với bức xạ laser trạng thái rắn-nên việc cắt hỗ trợ plasma-chỉ hiệu quả với tia laser CO₂. Laser sợi quang hoặc đĩa chạy cùng cài đặt khí sẽ không tạo ra hiệu ứng.

Cắt bay hơi

Cắt bay hơi loại bỏ vật liệu ở dạng hơi chứ không phải ở dạng lỏng, giúp giảm thiểu hiệu ứng nhiệt lên kim loại xung quanh. Tia laser CO₂ liên tục có thể làm bay hơi các vật liệu có công suất-nhiệt-thấp, khả năng hấp thụ-cao như màng nhựa mỏng và các vật liệu không-nóng chảy như gỗ, giấy và bọt.

Laser xung siêu ngắn mở rộng kỹ thuật này sang kim loại. Các electron tự do trong kim loại hấp thụ xung và nhiệt cực nhanh, đồng thời xung không tương tác với các hạt nóng chảy hay plasma: vật liệu thăng hoa trực tiếp và không có thời gian để năng lượng lan truyền vào kim loại xung quanh dưới dạng nhiệt. Các xung pico giây bị mài mòn mà không có hiệu ứng nhiệt rõ ràng, không nóng chảy và không hình thành gờ, đó là lý do tại sao chúng được sử dụng trên titan mỏng và các thành phần nhạy cảm với nhiệt-khác, trong đó lớp đúc lại hoặc vùng-bị ảnh hưởng nhiệt sẽ không thể chấp nhận được.

Các thông số kiểm soát kết quả

Hai cài đặt thường bị hiểu lầm. Đường kính tiêu điểm không giống với vị trí tiêu điểm: tiêu điểm đầu tiên được cố định bởi ống kính, tiêu điểm thứ hai được điều chỉnh theo công việc và chính vị trí đó quyết định xem chùm tia có cường độ tối đa ở bề mặt trên hay sâu hơn trong phần. Công suất laser phải đủ cao để mật độ công suất tại phôi vượt quá ngưỡng xử lý; dưới ngưỡng đó, vật liệu sẽ bị nung nóng mà không bị cắt và cạnh chịu nhiều hư hỏng do nhiệt hơn so với ở mức cài đặt cao hơn.

Chỉ định chất lượng cắt

ISO 9013 là tiêu chuẩn phân loại các vết cắt nhiệt theo thông số hình học của sản phẩm và dung sai chất lượng, bao gồm độ vuông góc và chiều cao trung bình của mặt cắt. Một bản vẽ gợi lên cấp chất lượng và độ dày vật liệu mang lại cho người chế tạo một mục tiêu khách quan; một bản vẽ nói rằng cắt sạch thì không.

An toàn về laser được quy định riêng theo EN 60825-1 để phân loại sản phẩm laser và ANSI Z136.1 để sử dụng an toàn. Vấn đề về bước sóng: tia laser sợi quang ở khoảng 1 µm và tia laser CO₂ ở 10,6 µm tương tác rất khác nhau với khả năng bảo vệ kim loại, khí và mắt, đồng thời các cài đặt hoạt động trên nền tảng này không chuyển sang nền tảng khác.

Cắt Titan và các kim loại phản ứng khác

Đối với titan được mua theo tiêu chuẩn ASTM B265 hoặc thông số kỹ thuật của sản phẩm tương tự, việc cắt laze thường được thực hiện bằng nitơ hoặc argon ở áp suất cao, không bao giờ sử dụng oxy hoặc khí nén vì lớp cạnh giàu oxy cứng, giòn và khó loại bỏ khỏi các phần mỏng. Nitơ tạo ra cạnh nhẹ hơn, dễ hàn hơn với chi phí thấp hơn; argon cho kết quả sạch nhất và được sử dụng khi mặt cắt là bề mặt hoàn thiện. Nhiệt đầu vào được giữ ở mức thấp và trên thước đo mỏng, lộ trình pico giây sẽ loại bỏ hoàn toàn vùng{4}}bị ảnh hưởng bởi nhiệt.

Câu hỏi thường gặp

Q:Nên sử dụng loại khí cắt nào cho thép nhẹ trên 6 mm?
A: Oxy, ở chế độ cắt ngọn lửa. Phản ứng tỏa nhiệt đóng góp gấp nhiều lần năng lượng laser và là nguyên nhân khiến thép nhẹ dày có thể cắt tiết kiệm.

Q:Tại sao khí nén có thể sử dụng được trên tấm mỏng mà không dùng được trên titan?
Trả lời: Bởi vì không khí mang một phần oxy và khả năng che chắn không đáng kể, nên lưỡi cắt trên kim loại phản ứng sẽ hấp thụ oxy và nitơ và tạo thành một lớp cứng, giòn mà sau này phải được loại bỏ bằng gia công.

Q:Laser sợi quang có được hưởng lợi từ quá trình cắt-có hỗ trợ plasma không?
Đáp: Không. Đám mây plasma trong suốt ở bước sóng laser trạng thái rắn-, do đó, lợi ích ghép nối chỉ xuất hiện với laser CO₂ ở bước sóng 10,6 µm.

Q:Làm thế nào để loại bỏ sự hình thành gờ trên kim loại mỏng?
A: By using ultrashort pulses in the picosecond range, where the material sublimes without a molten phase, so there is no recast layer, no heat-affected zone and no burr.

Q:ISO 9013 bao gồm những gì?
Đáp: Nó phân loại các vết cắt nhiệt và xác định các thông số kỹ thuật hình học của sản phẩm cũng như dung sai chất lượng đối với mặt cắt, đây là cơ sở khách quan để chấp nhận hoặc từ chối một-cạnh cắt bằng laze.

Q:Điều gì quyết định chiều rộng kerf?
Đáp: Chủ yếu là đường kính điểm lấy nét, tính theo tiêu cự của thấu kính lấy nét. Vị trí lấy nét, mật độ công suất và tốc độ cắt sau đó quyết định mức độ sạch của đường cắt đó.