Schneiden einer 50 mm dicken Weichstahlplatte mit einem Nd: YAG-Laser

Abstrakt

Wir berichten über Ergebnisse von Experimenten, die die Machbarkeit des Schneidens von dicken (> 15 mm) Weichstahlplatten mit einem fasergekoppelten Nd: YAG-Laser untersuchen. Die Experimente wurden mit einem Dauerstrich-2,5-kW-Nd: YAG-Laser durchgeführt, der über eine Siliciumdioxidkern-Lichtleitfaser mit einem Durchmesser von 0,6 mm an das Werkstück abgegeben wurde. Die Weichstahlproben haben eine Dicke von 10 bis 50 mm. Die Auswirkungen einer Reihe von Betriebsparametern wie Brennpunkt und Schneiddüsenposition relativ zur Stahloberfläche, Unterstützungsgasdruck, Leistung und Prozessgeschwindigkeit auf die Schnittoberflächenqualität werden vorgestellt und diskutiert. Die bisherigen Ergebnisse zeigen, dass es möglich ist, bis zu 50 mm dicke Weichstahlplatten mit einer Geschwindigkeit von bis zu 200 mm / min und einer Nd: YAG-Laserleistung von nur 500 W zu schneiden. Die Schnittfläche ist glatt und es gibt keine Krätze. Diese Ergebnisse sind vielversprechend für die Anwendung der Nd: YAG-Lasertechnologie zum Schneiden von dicken Stahlplatten.

1. Einleitung

Das Laserschneiden macht ungefähr ein Viertel der lasermaterialverarbeitenden Industrie aus [1]. In mehr als 30 Jahren seit der Herstellung des ersten gasunterstützten Laserschnitts [2] hat sich an der Laserschneidmethode wenig geändert. Zum Schneiden von Weichstählen wird ein Laserstrahl auf oder in der Nähe der Werkstückoberfläche fokussiert und von einem breiteren koaxialen Strom von Sauerstoffunterstützungsgas umgeben. Typischerweise werden Laserleistungen bis zu 3 kW verwendet, um Weichstähle mit dickeren Platten, die hauptsächlich mit Plasma- oder Autogensystemen geschnitten werden, auf eine Dicke von 12 bis 15 mm zu schneiden. Obwohl es möglich ist, Metalle mit dem CO2-Laser bis zu einer Dicke von 40 mm zu schneiden, nimmt die Schnittqualität und Reproduzierbarkeit erheblich ab [3].

Eine Lösung zum Schneiden von dickeren Weichstahlplatten besteht darin, die Laserleistung zu erhöhen. Dieser Ansatz bietet eine Reihe von Vorteilen, aber auch erhebliche Herausforderungen. Bei höheren Leistungen (3,5 kW und höher) wird die Strahlqualität instabil, die Lebensdauer der optischen Komponenten wird verringert, die Geräte- und Betriebskosten sind hoch und die Schnittgenauigkeit verschlechtert sich. In [4] wurde gezeigt, dass bei einer gegebenen Qualität der Oberflächenbeschaffenheit die Schnittgeschwindigkeit nicht proportional dazu abnimmt, obwohl die Dicke der Schnittfuge annähernd konstant bleibt, was auf eine Verringerung der Schnitteffizienz mit zunehmender Materialdicke hinweist. Eine Verringerung der Schnitteffizienz, wenn das Material dicker wird, wird auf eine Verringerung der Fähigkeit des Hilfsgases zurückgeführt, die Schmelze zu scheren. Beim Schneiden dickerer Materialien muss der Druck erhöht werden, damit geschmolzenes Material entfernt werden kann. Bei Verwendung von Sauerstoffunterstützungsgas bedeutet die exotherme Natur der Reaktion jedoch, dass der Sauerstoffdruck mit zunehmender Dicke verringert werden muss, um eine Überreaktion innerhalb der Schnittfuge zu verhindern. Eine genaue Kontrolle des Sauerstoffdrucks ist wichtig, um ein unkontrolliertes Verbrennen außerhalb des beheizten Bereichs zu verhindern. Dies stellt einen Widerspruch in den Anforderungen für ein erfolgreiches Schneiden von dickem Weichstahl dar. Es begrenzt die maximale Schnittdicke, obwohl die Schnittleistung durch Erhöhen der Laserleistung erweitert werden kann. Um diese Einschränkung zu überwinden und die Dickenfähigkeit des reaktiven Schmelzschneidens zu erweitern, sind alternative und neuartige Verfahren erforderlich.

Es wurden zahlreiche Techniken entwickelt, um die Verringerung der Schneidleistung mit zunehmender Dicke des Weichstahls zu überwinden. Dazu gehören: Laserflammenschneiden [5], Doppelfokuslinsen [6], Strahlsägen mit adaptiver Optik [7], Laserschneiden mit einer koaxialen (ringförmigen) Düse [8], Zweistrahl-CO2-Laserschneiden [ 9], rotierender Laserstrahl [13, 14] und laserunterstütztes Sauerstoffschneiden (Lasox ©) [10 - 12].

Wir haben bereits berichtet [14], dass dickere Weichstahlplatten mit dem sich drehenden Nd: YAG-Laserstrahl geschnitten wurden. Hier sind die Ergebnisse des Schneidens einer dicken Weichstahlplatte (> 15 mm) unter Verwendung eines fasergelieferten Nd: YAG-Lasers durch Wackeln des Laserstrahls (ein Verfahren analog zum Drehen des Strahls) und durch das Verfahren des sauerstoffdominierten Laserschneidens wie dieses angegeben des Lasox-Schneidens [10, 11, 12]. Sauerstoffdominierte Nd: YAG-Laserschneidversuche wurden unter Verwendung zuerst niedriger und dann hoher Sauerstoffunterstützungsgasdrücke durchgeführt.

2. Wackeln des Laserstrahls

2.1 Experimentelle Details

Das Wackeln des Laserstrahls wurde durch partielle Drehung (Oszillation) eines optischen Fensters um einen Winkel erzeugt, wie in Fig. 1 (a) gezeigt. Dies führte zu einem maximalen Brennfleckversatz von 0,45 mm bei einer maximalen Frequenz von 20 Hz. Eine resultierende Spur, hier mit einer übertriebenen Wellenlänge, um eine Oszillationsbewegung zu zeigen, ist in 1 (b) gezeigt. Es war möglich, die Schwingungsamplitude des Fensters zu variieren, um Änderungen der Schnittbreite zu bewirken, um den Effekt der Verbreiterung der Schnittfuge auf den Schneidprozess zu untersuchen.

2.2 Schneiden von Stählen mit einem laserunterstützten sauerstoffdominierten Ansatz

Das Verfahren des laserunterstützten sauerstoffdominierten Schneidens wurde auf Weichstahlplatten AS3678 mit einer Dicke von 16 bis 50 mm implementiert. Die Sauerstoffunterstützungsgasdrücke wurden entweder auf weniger als 120 kPa (Niederdrucksauerstoffschneiden - LoPOx) oder auf hohe Drücke (Hochdrucksauerstoffschneiden - HiPOx) gehalten. Die Schnittergebnisse wurden als Funktion der Schnittqualität (Schnittstreifenbildung, Schnittfugenform, übermäßige Krätze) und der Schnittgeschwindigkeit aufgezeichnet.

3. Ergebnisse

3.1Wobbeln des Laserstrahls.

Durch Wackeln des Trägers auf dem Werkstück wurde die maximale Schnittdicke von 12 mm beim herkömmlichen Schneiden auf 16 mm erhöht. Ein Diagramm der maximalen Schnittgeschwindigkeit für verschiedene Dicken und Laserleistungen (siehe Abbildung 2) zeigt, dass die Schnittdicke zwar mit dem Wackelbalken verbessert wurde, die Schnittgeschwindigkeit jedoch der des herkömmlichen Schneidens (CW) ähnelt. Dies zeigt an, dass der Schnitt erfolgt Der Prozess innerhalb der Schnittfuge bleibt während des Wackelstrahlschneidens unverändert. Ähnliche Schnittgeschwindigkeiten wurden auch mit dem Spinnbalken erreicht [14].

Die erhöhte Schnittdicke ist auf die erhöhte Schnittbreite zurückzuführen. Dies wird durch Variieren der Amplitude des Wobbels gezeigt, wie in 3 gezeigt. Hier wird, wenn die Wobbelamplitude nacheinander von einer maximalen Amplitude von 0,45 mm auf Null verringert wird, die Schnittbreite verringert, was einer Verringerung der Fähigkeit zum Löschen entspricht die Schmelze. Dies zeigt deutlich die Notwendigkeit einer ausreichenden Schnittbreite, damit sich die Krätze entfernen kann. Diese Ansicht wird auch von anderen [12] geäußert, wo vermutet wird, dass sowohl die Fluiddynamik als auch die Thermodynamik durch enge Schnittstellen eingeschränkt werden.

3.2Schneiden von Stählen mit einem laserunterstützten sauerstoffdominierten Ansatz

3.2.1 Sauerstoffdominiertes Schneiden mit niedrigem Druck - LoPOx

Das LoPOx-Schneidverfahren verwendet den gleichen Laserstrahl mit größerem Durchmesser und einen schmalen Sauerstoffstrahl am oberen Ende des Werkstücks wie beim Lasox-Verfahren, jedoch mit Unterstützungsgasdrücken unter 120 kPa. Die in Abbildung 4 gezeigten Schnittflächen mit dem LoPOx-Verfahren zeigen, dass geringe einfallende Laserleistungen das Laserschneiden nicht behindern, solange der primäre und fortlaufende Beginn des Schnitts stattfinden kann. In der Tat kann die einfallende Laserleistung mit zunehmender Schnittgeschwindigkeit zu viel Energie beitragen und daher zu einer übermäßigen Streifenbildung führen. Dies wird in der Figur durch Beobachtung der Schnittgeschwindigkeit von 450 mm / min gezeigt, bei der durch einfallende Laserleistung von 533 W eine bessere Oberfläche erzeugt wurde als bei 1420

Hier wird die Geschwindigkeit der exothermen Reaktion durch die Schnittgeschwindigkeit bestimmt. Einfallende Laserleistung ist nur erforderlich, um die Oberfläche auf mehr als 1000 ° C zu erwärmen [11] und den reaktiven Fusionsprozess einzuleiten. Übermäßige einfallende Laserleistung verringert die Schnittqualität. Dies zeigt, dass Probleme der Sauerstoff-Eisen-Wechselwirkung, nicht die einfallende Laserleistung, jetzt hauptsächlich die Schnittqualität bestimmen. Daher ist dies ein sauerstoffdominierter Laserschneidprozess.

In 4 ist, wenn die Leistung für jede Schnittgeschwindigkeit verringert wird, der erste Hinweis auf eine minimale einfallende Leistung der schlechte Beginn des Schnitts, wie am rechten Ende zu sehen ist. Dies zeigt, dass der Leistungsbedarf zu Beginn des Schnitts höher ist als der des laufenden Schneidprozesses, und dass der Strom, der für die schnelle Einrichtung eines stetigen Schnittprozesses erforderlich ist, und nicht der Strom für den laufenden Prozess das wesentliche Kriterium ist.

Beim LoPOx-Schneiden mit einem kleineren koaxialen Düsendurchmesser bei gleicher Materialstärke werden die gleichen Schnittgeschwindigkeiten erzielt, jedoch mit einer schmaleren Schnittbreite und folglich einem verringerten Sauerstofffluss. Die qualitativ hochwertigen Schnitte konnten jedoch bei den niedrigeren Laserleistungen mit dem in 4 verwendeten größeren Düsendurchmesser nicht erzielt werden. Dies trotz eines intensiveren Laserflecks infolge des Durchgangs durch eine Düse mit kleinerem Durchmesser. Dies zeigt, dass das Erfordernis einer ausreichend breiten Schnittfuge zum Klären der Krätze für den sauerstoffdominierten Schneidprozess gleichermaßen gilt.

Die Seiten des Schnitts verjüngen sich stärker als beim herkömmlichen (laserdominierten) Schneiden. Die sauerstoffdominierte Natur des Schneidprozesses bedeutet, dass die Schnittfuge durch die Form des imposanten Sauerstoffstrahls beeinflusst wird, wobei die Oberseite der Schnittfuge die gleiche Breite wie die verwendete koaxiale Düse hat.

Der Abstand zwischen der Düse und dem Werkstück wurde mit den typischen Ergebnissen dieser in 5 gezeigten Variation variiert. Bei verschiedenen Düsendurchmessern wurde die Schnittqualität bei Abständen von mehr als 25% des Düsendurchmessers signifikant verringert. Durch eine Vergrößerung des Düsen-Werkstück-Spiels wird ein größerer Teil der Strömung von der Düse den atmosphärischen Umgebungsgasen ausgesetzt, bevor sie in die Schnittfuge gelangt [8]. Die Änderung des Abstandes wurde ohne entsprechende Änderungen des Laserpunktdurchmessers mit ähnlichen Ergebnissen durchgeführt. Dies zeigt weiter, dass Änderungen zur Unterstützung des Gases und der nicht einfallenden Laserleistungsintensität der Faktor waren, der die Laserschnittqualität über den getesteten Bereich beeinflusste. Fig. 5 zeigt auch den Effekt eines zu kleinen Abstands (0,1 mm), bei dem der konvergierende Strahl den Gasstrahldurchmesser noch nicht überschreitet, wodurch der sauerstoffdominierte Laserschneidprozess nicht funktionieren kann.

Mit dem Nd: YAG LoPOx-Schneiden wurde eine maximale Schnittdicke von 32 mm erreicht. Das Schneiden über diese Dicken mit den verwendeten Düsendurchmessern hinaus verursachte die Bildung von übermäßiger Krätze innerhalb der Schnittfuge und einen Verlust der Rechtwinkligkeit des Schnitts. Dies zeigt weiter die Beziehung zwischen Schnittbreite und Schnittdicke, wenn niedrige (herkömmliche) Schnittdrücke verwendet werden.

3.2.2 Hochdrucksauerstoff-dominiertes Nd: YAG-Laserschneiden - HiPOx

Unter Verwendung eines viel höheren Versorgungsdrucks und Düsen mit kleinerem Durchmesser wurde festgestellt, dass es möglich ist, Stähle zu schneiden, die dicker sind als diejenigen, die zuvor durch das LoPOx-Verfahren erhalten wurden. Bei Verwendung der Stahlplatte AS 3679 wurde eine Schnittkapazität zwischen 32 und 50 mm festgestellt. Typische Schnittgeschwindigkeiten in Bezug auf Materialdicke und Laserleistung sind in Abbildung dargestellt

6. Die Abbildung zeigt eine Fortsetzung der Schnittvorgänge aus dem für dünnere Materialien verwendeten Niederdruckbereich.

Der Effekt der Verwendung hoher Förderdrücke bedeutet, dass der Gasfluss komplex ist und interne Schockmerkmale hervorrufen kann. Hinweise auf die Wechselwirkung von Stoßstrukturen während des Schneidens können als \"Grate\" oder kleinere Markierungen in der Schnittfläche und als Linien gesehen werden, die senkrecht zu den Stria verlaufen. Ferner resultiert die Verschiebung dieser Rippen mit dem Spiel zwischen Düse und Werkstück aus der Verstärkung oder Aufhebung der inneren Stöße des Hilfsgases und dem charakteristischen Stoß, der zu Beginn der Schnittfuge in Form eines \"X\" auftritt [15]. Die Arbeit [16, 17] zeigt auch eine komplexe und manchmal oszillierende Wechselwirkung von Schocks mit den Schnittfugenwänden. Ein Beweis für die Schwingung des Schnitts ist das stetige \"Summen\", das unter bestimmten Schnittbedingungen zu hören ist.

Unter Verwendung einer koaxialen Düse mit einem Durchmesser von 1,5 mm wurde gezeigt, dass die Schnittkapazität für 32- und 40-mm-Platten zufriedenstellend ist, wobei die Ergebnisse des Schneidens der 40-mm-Platte in 7 gezeigt sind. Das Spiel zwischen Düse und Werkstück wurde mit den hohen Hilfsgasdrücken und dem Druck erheblich erhöht Die Form der Schnittfuge war aufgrund des weniger divergierenden Hochgeschwindigkeitsgasstroms weitaus weniger verjüngt als bei LoPOx. Solche Schnittfugen sind in Abbildung 8 zu sehen.

Das Profilschneiden mit der von der Faser gelieferten Nd: YAG LoPOx-Technik ist anhand der in Abbildung 9 gezeigten Beispiele möglich. Hier führen Temperaturerhöhungen an der Innenseite der Ecken zu einer erhöhten Verjüngung an diesen Punkten. Dies ist auf dem kreisförmigen Schnitt von 9 (a) und dem Unterschneiden von Ecken in 9 (b) zu sehen. Das Unterschneiden scharfer Ecken wird am besten durch die Verwendung reduzierter Schnittgeschwindigkeiten überwunden, wie in der Abbildung gezeigt.

Das Hochdrucksauerstoff-dominierte Schneiden mit dem Nd: YAG-Laser wie dem mit CO2 [12] zeigt sich auch beim Einstechen mit weniger als einer Sekunde zum Durchstechen der 32-mm-AS3679-Platte hervorragend. Das Entfernen von nach oben ausgestoßener Krätze bleibt ein Problem, da das Vorhandensein auf der Plattenoberfläche im Schnittweg die Schnittqualität beeinträchtigt

4. Diskussion

Trotz der neuartigen Laserschneidverfahren und der Zunahme der Schnittdicke bleibt der Schneidprozess selbst unverändert. Dies wird durch die Verringerung der Schnittgeschwindigkeit mit der Schnittdicke und die Ähnlichkeit der Schnittgeschwindigkeit für herkömmliche Schnitte mit Spinnbalken und Wackelbalken belegt. Folglich bleiben trotz der Änderungen im Ansatz die grundlegenden Faktoren, die das Schneiden von dicken Stahlplatten durch reaktives Schmelzen bestimmen, wie Leitungsverluste und Einschränkung der Entfernung des Schmelzflusses aufgrund von Viskosität und Oberflächenspannung, bestehen.

Die größeren und variierenden Schnittbreiten, die durch Wackeln des Strahls erzeugt werden, sowie die verschiedenen Schnittbreiten, die durch Verwendung von sauerstoffdominiertem Laserschneiden mit dem Nd: YAG-Laser erzeugt werden, zeigen die Notwendigkeit entsprechend breiter Schnittfugen mit zunehmender Schnittdicke. Bei mäßigen Dicken (~ 32 mm) wird es jedoch nicht praktikabel, die Schnittfuge über die der größten LoPOx-Düse hinaus zu erhöhen, da der Sauerstoffverbrauch unerschwinglich wird. Zu diesem Zweck kommt die Verwendung von HiPOx voll zur Geltung. Durch die Verwendung von Hochdruck- und folglich Hochgeschwindigkeitsunterstützungsgasstrom kann Sauerstoff weniger mit atmosphärischen Gasen kombiniert werden und ist somit leichter für die reaktive Fusion verfügbar. Ferner stellt es eine signifikant erhöhte Scherkraft auf die Schmelzfläche bereit, um den Widerstand gegen seinen Abstand von der Schnittfuge zu überwinden. Ein zusätzliches Merkmal des HiPOx-Verfahrens sind die großen Düsen-Werkstück-Abstände. Dies gewährleistet die Zuverlässigkeit der Hochdruckdüsen.

Sauerstoffdominierte Schnitte hängen nur von der einfallenden Laserleistung ab, um den Schnitt zu initiieren und dann aufrechtzuerhalten. Die Ergebnisse zeigen, dass diese Leistungen weitaus geringer sind als diejenigen, die für ein gleichwertiges konventionelles Schneiden erforderlich sind. Für die Einleitung eines gleichmäßigen Schnitts sind jedoch höhere Leistungen erforderlich als für die Aufrechterhaltung des gesamten Schnittprozesses. Folglich könnte eine erhöhte Leistung zu Beginn des Schnitts nur verwendet werden, um die Energieeffizienz zu maximieren.

Es hat sich gezeigt, dass das Profilschneiden mit dem Nachteil möglich ist, dass die Innenseite der Schnittecken unterschnitten wird. Dies kann durch geeignete Programmierung der Schnittgeschwindigkeit an diesen Positionen überwunden werden. Das Durchstechen einer dicken Platte hat sich als möglich erwiesen, es gibt jedoch Probleme mit der nach oben ausgestoßenen Krätze, die später die Abgabe des Hilfsgases während des anschließenden Schneidens beeinträchtigen. Dies könnte entweder durch das Vorhandensein eines nach außen gerichteten ringförmigen Luftstrahls, der die Düse umgibt, oder durch die Reinigung des Bedieners durch Verwendung eines CNC-Wartebefehls behoben werden, nachdem das gesamte Durchstechen anfänglich durchgeführt wurde.

5. Schlussfolgerungen

Die Verwendung von sauerstoffdominiertem Laserschneiden zusammen mit der Verwendung von breit geschnittenen Schnittfugen zeigt die Machbarkeit der Verwendung des mäßig angetriebenen, fasergelieferten Nd: YAG-Lasers zum Schneiden von dicken Weichstahlplatten. Dies kann unter Verwendung einer Niederdruckabgabe für Weichstahlplatten mit einer Dicke von bis zu 32 mm erfolgen. Die Hochdruckgaszufuhr hat gezeigt, dass Schnittdicken bis 50 mm leicht erreichbar sind und das Material schnell durchstoßen werden kann. Es gibt anhaltende Probleme mit der Schnittqualität im Zusammenhang mit Stoßartefakten sowie Probleme mit dem Unterschneiden von Ecken, die eine sorgfältige CNC-Programmierung erfordern. Um erfolgreich zu durchstechen, muss anschließend nach oben ausgestoßene Krätze vom Schnittpfad entfernt werden, um sicherzustellen, dass die Schnittqualität des darunter liegenden Werkstücks erhalten bleibt.

6. Danksagung

Die Autoren möchten dem CRC für Intelligent Manufacturing Systems and Technologies Limited für die Finanzierung des Spinning Beam-Projekts danken, ohne das die oben genannten Forschungsergebnisse und Ergebnisse nicht zusammengestellt werden könnten.