חיתוך קרן לייזר הוא טכנולוגיה ללא מגע, ייצור גמיש ופרודוקטיביות גבוהה שיכולה לנתח במדויק מגוון רחב של חומרי יריעות. עבור יתרונות אלה ואחרים, עיבוד לייזר מאומץ יותר ויותר על ידי התעשייה. 

מאמר זה בוחן את ההשפעה של סוג החומר, עובי חלק העבודה, מהירות החיתוך ולחץ הגז המסייע על איכות החיתוך, ומשתמש בלייזר CO2 עבור יישומים הקשורים לתעשייה. בחרו בסגסוגת אלומיניום AlMg3, פלדת פחמן נמוכה St37-2 ופלדת אל חלד AISI 304 כחומרים הבוגרים ביותר בתחומים תעשייתיים רבים, ויש להם הבנה מעמיקה של התנהגות הספיגה של תהליכים שונים (כלומר חיתוך היתוך אינרציאלי וחיתוך חמצן ) ואורך גל לייזר CO2. המטרה היא לחזק את ההבנה של מנגנון האינטראקציה בין חיתוך לייזר פרמטרים ופרמטרים של חלקי עבודה לקביעת סטנדרטים כלליים ופרמטרי תהליך אופטימליים כדי להבטיח את איכות החיתוך.

 החוקרים ניתחו את איכות חיתוך הלייזר משלושה היבטים: גיאומטריית תפר חיתוך, חספוס פני השטח ואיכות קצה חיתוך. הניסוי בוצע בשיטת תכנון ניסוי שיטתי המבוססת על תכנון ניסוי, והתוצאות אומתו על ידי ניתוח שונות. הערכת האיכות הוצעה ונדונה. בדיקה חזותית של החלק החתוך מאשרת איכות כללית טובה וקיום מוגבל של פגמים בחיתוך לייזר. מחקרים ניסיוניים הראו שניתן לעבד חומרים שונים בהצלחה בטווח גדול יותר של ערכי בדיקה. בנוסף, החוקרים קבעו עבור כל חומר את תנאי החיתוך הטובים ביותר העומדים בדרישות הקו הישר של תקני האיכות שאומצו.

רקע ניסיוני

חיתוך בלייזר (LBC) הוא כיום התהליך הנפוץ ביותר לחיתוך חומרי יריעות שונים בתעשייה. עיבוד בלייזר יכול לחתוך מגוון רחב מאוד של חומרים, המכסה כמעט את כל הקטגוריות (מתכות, חומרים מרוכבים וקרמיקה). מאפיין זה נובע מהעובדה שהמאפיינים התרמיים של תהליך הלייזר תלויים בהתנהגות התרמית של החומר, ולא בתכונות המכניות שלו. אנרגיית החום מסופקת על ידי קרן הלייזר ומומרת לאנרגיית חום. ניתן למקד את קרן הלייזר בנקודה קטנה מאוד על פני החומר. בשל הקרינה האלקטרומגנטית, היא אינה כרוכה בכוח חיתוך מכני, בלאי כלי ורטט. לכן, LBC מתאים גם לחיתוך חומרים קשים או שבירים.

קרן הלייזר מקיימת אינטראקציה עם האלקטרונים של החומר, וחלק מהאנרגיה נספג, וכתוצאה מכך עליית טמפרטורה מקומית מאוד עד שהיא נמסה, מתאדה או משנה את מצבה הכימי. תופעות פיזיקליות שונות אלו השולטות באינטראקציה של הלייזר-חומר תלויות בעיקר בתכונות הכימיות והפיזיקליות של החומר, כגון כושר הספיגה, מוליכות התרמית ומאפייני הלייזר כגון אורך הגל וצפיפות ההספק של הלייזר. חיתוך נמס הוא ללא ספק שיטת חיתוך המתכת הנפוצה ביותר, בעוד חיתוך אידוי משמש בדרך כלל לחומרים בעלי אנרגיית אידוי נמוכה ולייזרים בעלי קרינה גבוהה. המצב הכימי משתנה ומתנתק כדי להחליף כמה חומרים אורגניים, כאשר עליית הטמפרטורה גורמת לקשרים הכימיים בין המולקולות להישבר. במהלך תהליך ההיתוך והחיתוך, החומר המותך מוסר מהחריץ על ידי סילון הגז בלחץ. בהתאם לחומר הנחתך, גז העזר יכול להיות אינרטי או פעיל. הראשון מגן על פני השטח מפני חמצון, בעוד השני (בדרך כלל חמצן) יוצר תגובה אקסותרמית חזקה, מעלה את הטמפרטורה של אזור החיתוך, ומאפשר חתכים עבים יותר ומהירויות גבוהות יותר.

החוקרים חקרו את ההשפעות של סוג החומר, עובי חלק העבודה, מהירות החיתוך ולחץ הגז המסייע על איכות החיתוך בעת חיתוך לייזר תעשייתי של חומרים שונים. כאשר נדרשים דיוק ודיוק גבוהים, איכות החיתוך היא החשובה ביותר. הערכת איכות החיתוך מתבססת בעיקר על הגיאומטריה של החריץ (סטיית רוחב חיתוך וניצב), חספוס פני השטח ואיכות קצה החיתוך. החומרים המשמשים במחקר ניסיוני זה נבחרו לייצג את החומרים הנפוצים ביותר בתחומים תעשייתיים קשורים רבים, במטרה למצוא סטנדרטים משותפים ואת הסט הטוב ביותר של פרמטרי תהליך. סגסוגת אלומיניום AlMg3 ופלדת אל-חלד AISI 304 שימשו לחקר התנהגות הספיגה של אורך גל לייזר CO2, ופלדה מבנית St37-2 שימשה לחקר חיתוך לייזר בעזרת חמצן. התכנון הפקטוריאלי פותח ונבדק על ידי שינוי פרמטרי התהליך. רוחב החריץ, זווית המתח וחספוס פני השטח של הסכין נמדדים ומנתחים. החוקרים השתמשו בשיטת ניתוח השונות (ANOVA) כדי לחקור את ההשפעות המשולבות של חיתוך פרמטרי לייזר ופרמטרים של חלקי עבודה על תפוקת איכות החומר. לבסוף, הם ערכו בדיקה ויזואלית של הגיף כדי למנוע היווצרות של סיגים, אזורים לא חתוכים ואי סדרים על פני החתך.

חומרים ניסיוניים

לאלומיניום ולסגסוגות שלו יחס חוזק למשקל גבוה, עמידות בפני קורוזיה ויכולת ריתוך. בשל הביצועים הניכרים שלה, יריעות סגסוגת אלומיניום משמשות לייצור חלקי מבנה ליישומים תעשייתיים בתעופה, רכב ותחומים טכניים קשורים אחרים. חיתוך סגסוגת אלומיניום משתמש בגז אינרטי, בדרך כלל בחנקן. AlMg3 היא סגסוגת אלומיניום-מגנזיום (סדרת 5xxx), מתאימה ליצירת ריתוך קרה, בעלת עמידות טובה יותר בפני קורוזיה ותכונות מכניות גבוהות יותר מאלומיניום טהור. עבור אלומיניום טהור, ל-AlMg3 מוליכות תרמית גבוהה. העברת חום ממלאת תפקיד חיוני בביצועי חיתוך לייזר. מכיוון שמוליכות תרמית מתייחסת לקצב העברת החום מאזור החיתוך, התנגדות תרמית נמוכה מגבירה את פיזור החום, וכתוצאה מכך אנרגיה זמינה נמוכה יותר לעיבוד שבבי, וכתוצאה מכך צריכת אנרגיה גבוהה יותר ואובדן יעילות. בנוסף, הסרת החום עלולה לגרום לקירור המתכת המותכת על המשטח התחתון של החריץ, להיווצרות קצוות מחודדים וסיגים. בנוסף, מתכות מחזירות אור, כגון סגסוגות אלומיניום, עשויות להפחית את מהירות החיתוך המרבית ולדרוש צפיפות הספק גבוהה יותר כדי להתחיל חיתוך.

ציוד מעבדה

הבדיקה הניסיונית משתמשת ב-TRULaser 3040 של TRUMPF, המצויד במקור 5000 W CO2 TruFlow. איור 1 מציג תרשים סכמטי של מכשיר הניסוי המשמש לבדיקה, המציין את הפריטים הרלוונטיים המעורבים בתהליך חיתוך הלייזר. מערכת הלייזר נשלטת על ידי מערכת בקרה מספרית ממוחשבת (CNC). גז העזר נפלט בקואקסיאלית דרך הזרבובית המחודדת של ראש החיתוך. מערכת העדשות ממקדת את קרן הלייזר בנקודה בקוטר של כ-0.3 מ"מ. התפלגות העוצמה של הקרן בנקודת המוקד היא גאוסית בקירוב.

הליך ניסיוני

על מנת להשיג את דיוק הממדים, גימור פני השטח ואיכות הקצה של חומר העבודה, בחירת פרמטרי התהליך חשובה מאוד. לכן, היקף הפרמטרים שיש למדוד נקבע על בסיס ניסויי תכנון ראשוניים ומחקר ספרות. כל חומר משתמש בשיטה המפורסמת ביותר. גז העזר AlMg3 ו- AISI 304 נחתכים בחנקן, ו-St37-2 נחתך בחמצן. גז העזר נפלט בקואקסיאלית דרך הזרבובית המחודדת של ראש החיתוך. התאמת קוטר הזרבובית מייצבת את הלחץ ומונעת מערבולות בהמסה. באופן כללי, בהתאם לחומר ולעובי, קוטר הזרבובית הנפוץ הוא בטווח של 0.8-3 מ"מ. סילון הגז המסייע מספק את הפעולה המכנית הנדרשת כדי למשוך את המתכת המותכת החוצה מהחריץ ויוצר שכבת גבול להעברת חום על פני השטח המותך, ובכך מונע התחממות יתר. בנוסף, בחיתוך בעזרת חמצן, הגז הפעיל מספק תרומה תרמית נוספת למאזן האנרגיה. בנסיבות רגילות, בחיתוך לייזר בעזרת חמצן, בהתאם לעובי, לחץ הזרקת הגז הפעיל לאזור החיתוך הוא כ-0.2-0.6 בר, בעוד שלחץ הזרקת החנקן גבוה בהרבה (כ-16 בר עבור 10 מ"מ צלחת עבה) ).

על פי תוכנית הניסוי, כל דגימה נחתכה בלייזר על ידי שינוי פרמטרי התהליך. בצע חיתוך מקביל דמוי מסרק של המדגם, ובצע ניתוח גיאומטרי והערכת איכות של החתך.

על מנת לקבוע את פרמטרי ה-kerf שיש להם השפעה משמעותית על איכות ה-kerf ולהעריך את הלימות המודל האמפירי של הרגרסיה המפותח, בוצע ניתוח שונות (ANOVA) ברמת ביטחון של 95% (α=0.05). ערך p משמש לקביעת המשמעות של גורמי הבקרה והאינטראקציה ביניהם; לכן, כאשר ערך p קטן מ-0.05, ההשפעה העיקרית והאינטראקציה מסדר ראשון הם משמעותיים.

לבסוף, תחת פעולת סילון הגז המסייע בלחץ גבוה, האינטראקציה ההידרודינמית בין היווצרות נמס והסרת נמס משפיעה על איכות החיתוך. ניתן לצפות בהתכה וחיתוך של חלקים עבים בעזרת חנקן AlMg3 ממצב הזרימה הלמינרית לשכבת הגבול הסוערת לפני גרירה מהחומר החתוך. כאשר לחץ הגז המסייע אינו מספיק כדי לשמור על שכבת הגבול הלמינרית בכל עובי החיתוך. איור 3 מדגיש את נקודות ההפרדה של שכבת הגבול המתאימות לעלייה המשמעותית בחספוס פני השטח.

לסיכום

מאמר זה בוחן בעיקר את ההשפעה של סוג החומר, עובי חלק העבודה, מהירות חיתוך ולחץ אוויר עזר על איכות החיתוך בעת שימוש בלייזר תעשייתי 5000 W CO2 לחיתוך לייזר חומרים הנדסיים שונים כגון סגסוגת אלומיניום AlMg3, St37-2 פלדת פחמן נמוכה, AISI 304 נירוסטה וכו'. הערכת איכות החיתוך מבוססת בעיקר על הגיאומטריה של קצה הקצה (רוחב וזווית החריץ), חספוס פני השטח ואיכות קצה החיתוך. ניתן לסכם את התוצאות העיקריות כך:

הערכת האיכות של חתך החתך (בהתאם לתקן ISO 17658:2015) אישרה שהאיכות הכוללת של חתך הלייזר הייתה טובה, עם פגמים מוגבלים, מכיוון שלא נצפו טיפות נוזלים שהתמצקו, קווי מתאר פנים לא סדירים ושריפת פני השטח. רוחב החתך הכולל, רוחב החתך התחתון וטווח זווית המתח הם 599.90±106.85 מיקרומטר, 562.06±280.01 מיקרומטר ו-0.83±2.48 מעלות, בהתאמה.

במונחים של גיאומטריה של המפרץ, רוחב המפתח העליון מושפע בעיקר מעובי חומר העבודה. להיפך, רוחב החתך מושפע מאוד מסוג החומר, עובי ולחץ הגז. הפחתת מהירות החיתוך מגדילה את רוחב החריץ מכיוון שהיא מספקת אנרגיה גבוהה יותר. האחרון פחות בולט בעת חיתוך נירוסטה. מוצע כי בתוך הטווח המספרי שנבחר עבור חיתוך לייזר AISI 304, היכן שניתן, העלייה במהירות החיתוך משפרת את הקרינה של חזית החיתוך, ובכך מגבירה את הטמפרטורה של חזית החיתוך לתחתית. זווית המתח מושפעת בעיקר מסוג החומר.

עבור חספוס החריצים הצדדיים, ל-AlMg3, בעל הספיגה הגרועה ביותר של קרינת לייזר CO2 על ידי חיתוך לייזר, יש את ערך Ra הגבוה ביותר, בעוד ל-AISI 304 יש את ערך Ra הנמוך ביותר. בנוסף, חספוס פני השטח האריתמטי של AlMg3 ו-St37-2 גדל לאורך כיוון קרן הלייזר, בעוד שחספוס פני השטח האריתמטי של AISI 304 אינו משתנה בעצם. תוצאות ניתוח השונות מראות שחספוס פני השטח המחושב מושפע בעיקר מהאינטראקציה של החומר ומהירות החיתוך. בנוסף, ככל שמהירות החיתוך עולה, ה-RSm גדל, במיוחד בעת חיתוך לייזר AISI 304. להיפך, בעת חיתוך לייזר St37-2, RSm עולה ככל שמהירות החיתוך יורדת; בנוסף, המחקר מצא גם ש-RSm יורד ככל שהעובי גדל, מה שמצביע על כך שנוכחותם של אלמנטים מתגזרים מובילה להתנהגות פחות צפויה. קיימת אינטראקציה משמעותית בין העובי ללחץ הגז, מה שמעיד שככל שלחץ הגז נמוך יותר, כך פרמטר המרווח קטן יותר בחיתוך שכבות דקות בלייזר.

קישור למאמר זה: טכנולוגיית חיתוך קרן לייזר CO2 החדשה מתאימה יותר לחיתוך חומרים קשים או שבירים!

הצהרת הדפסה חוזרת: אם אין הנחיות מיוחדות, כל המאמרים באתר זה מקוריים. נא לציין את המקור להדפסה חוזרת: https://www.cncmachiningptj.com

PTJ® מספק מגוון רחב של דיוק מותאם אישית עיבוד cnc סין שירותי.מוסמך ISO 9001:2015 &AS-9100.

חנות לעיבוד שבבי מתמחה בשירותי ייצור לענפי בנייה ותחבורה. היכולות כוללות חיתוך פלזמה וחיתוך דלק חמצן, עיבוד בהתאמה אישית, MIG ו מתאם אלומיניום ריתוך כרסום דיוק אלומיניום בהתאמה אישית, יצירת גלילים, הרכבה, מכונת עיבוד של מחרטה נירוסטה cnc פיר, גזירה ו שירותי עיבוד שבבי CNC Swiss. החומרים המטופלים כוללים פחמן ו חלקי לוחות כיסוי לעיבוד נירוסטה פסיבציה.

ספר לנו קצת על תקציב הפרויקט שלך וזמן האספקה ​​הצפוי. אנו נתכנן איתך אסטרטגיה כדי לספק את השירותים המשתלמים ביותר כדי לעזור לך להגיע ליעד שלך, אתה מוזמן לפנות אלינו ישירות ( sales@pintejin.com ).