قطع صفيحة فولاذية خفيفة بسمك 50 مم باستخدام ليزر Nd: YAG

نبذة مختصرة

قمنا بالإبلاغ عن نتائج التجارب التي تبحث في جدوى قطع صفيحة فولاذية طرية سميكة (> 15 مم) باستخدام ألياف الليزر Nd: YAG المقترنة. تم إجراء التجارب باستخدام موجة مستمرة 2.5 كيلو واط Nd: YAG ليزر تم تسليمها إلى قطعة العمل من خلال ألياف بصرية من السيليكا قطرها 0.6 مم. يتراوح سمك عينات الفولاذ الطري من 10 إلى 50 مم. يتم عرض ومناقشة تأثيرات مجموعة من معلمات التشغيل مثل النقطة البؤرية وموضع فوهة القطع بالنسبة لسطح الفولاذ ، وضغط الغاز المساعد ، والطاقة وسرعة العملية ، على جودة سطح القطع. تظهر النتائج حتى الآن أنه من الممكن قطع صفيحة فولاذية طرية بسماكة 50 مم بسرعات تصل إلى 200 مم / دقيقة بحد أدنى 500 وات من طاقة الليزر Nd: YAG. سطح القطع أملس ولا يوجد خبث. تظهر هذه النتائج واعدة لتطبيق تقنية ليزر Nd: YAG لقطع ألواح الصلب السميكة.

1 المقدمة

يمثل القطع بالليزر حوالي ربع صناعة معالجة المواد بالليزر [1]. منذ أكثر من 30 عامًا منذ أن تم إنتاج أول قطع بالليزر بمساعدة الغاز [2] لم يتغير شيء يذكر في طريقة القطع بالليزر. لقطع الفولاذ الخفيف ، يتم تركيز شعاع الليزر على سطح قطعة العمل أو بالقرب منه ويحيط به تيار محوري مشترك أوسع من غاز الأكسجين المساعد. عادةً ما يتم استخدام طاقة الليزر التي تصل إلى 3 كيلو واط لقطع الفولاذ الخفيف إلى سمك 12-15 مم مع ألواح أكثر سمكًا مقطوعة بشكل أساسي باستخدام أنظمة الوقود أو الأكسجين. على الرغم من أنه من الممكن قطع المعادن باستخدام ليزر ثاني أكسيد الكربون حتى سمك 40 مم ، إلا أن هناك انخفاضًا كبيرًا في جودة القطع وإمكانية التكاثر [3].

أحد الحلول لقطع ألواح الصلب الطري السميك هو زيادة طاقة الليزر. بينما يوجد عدد من المزايا لهذا النهج ، هناك أيضًا تحديات كبيرة. عند استخدام الطاقة الأعلى (3.5 كيلو واط أو أعلى) ، تصبح جودة الحزمة غير مستقرة ، ويقل عمر المكونات البصرية ، وتكون تكاليف المعدات والتشغيل عالية وتتدهور دقة القطع. تم توضيح في [4] أنه بالنسبة لجودة معينة لإنهاء السطح ، على الرغم من أن سمك الشق يظل ثابتًا تقريبًا ، إلا أن سرعة القطع لا تتناقص بشكل متناسب معها ، مما يشير إلى انخفاض كفاءة القطع مع زيادة سمك المادة. يُعزى الانخفاض في كفاءة القطع حيث تصبح المادة أكثر سمكًا إلى انخفاض قدرة الغاز المساعد على قص المصهور. مع قطع المواد السميكة ، يجب زيادة الضغط للسماح بإزالة المواد المنصهرة. ومع ذلك ، عند استخدام غاز الأكسجين المساعد ، فإن الطبيعة الطاردة للحرارة للتفاعل تعني أنه يجب تقليل ضغط الأكسجين مع زيادة السماكة لإيقاف رد الفعل المفرط الذي يحدث داخل الشق. يعد التحكم الدقيق في ضغط الأكسجين أمرًا ضروريًا لمنع الاحتراق بعيدًا عن المنطقة الساخنة. هذا يمثل تناقضًا في متطلبات القطع الناجح للفولاذ الطري السميك. إنه يحد من أقصى سماكة للقطع ، على الرغم من القدرة على إطالة أداء القطع من خلال زيادة طاقة الليزر. للتغلب على هذا القيد ولتوسيع قدرة السماكة لقطع الانصهار التفاعلي ، هناك حاجة إلى طرق بديلة وجديدة.

تم تطوير العديد من التقنيات للتغلب على الانخفاض في أداء القطع مع زيادة سماكة الفولاذ الطري. تشمل هذه: القطع باللهب بالليزر [5] ، العدسات المزدوجة البؤرة [6] ، النشر بالأشعة باستخدام البصريات التكيفية [7] ، القطع بالليزر باستخدام فوهة محورية (حلقية) [8] ، القطع بالليزر ثنائي أكسيد الكربون [ 9] ، شعاع الليزر الدوار [13 ، 14] وقطع الأكسجين بمساعدة الليزر (Lasox ©) [10 - 12].

لقد أبلغنا سابقًا [14] عن قطع لوح فولاذي طري سميك باستخدام شعاع ليزر Nd: YAG الدوار. تم الإبلاغ هنا عن نتائج قطع الصفيحة الفولاذية الطرية السميكة (> 15 مم) باستخدام ليزر Nd: YAG الذي يتم توصيله عن طريق تذبذب شعاع الليزر (طريقة مماثلة لتدوير الحزمة) وبواسطة طريقة القطع بالليزر التي يهيمن عليها الأكسجين مثل تلك قطع اللازوكس [10 ، 11 ، 12]. تم إجراء تجارب القطع بالليزر Nd: YAG التي يهيمن عليها الأكسجين باستخدام ضغوط غاز مساعدة منخفضة أولاً ثم عالية الأكسجين.

2. تذبذب شعاع الليزر

2.1 التفاصيل التجريبية

تم إنتاج تذبذب شعاع الليزر عن طريق الدوران الجزئي (التذبذب) لنافذة بصرية من خلال زاوية كما هو موضح في الشكل 1 (أ). نتج عن ذلك إزاحة نقطة بؤرية قصوى تبلغ 0.45 ملم وبتردد أقصى يبلغ 20 هرتز. يظهر المسار الناتج ، هنا بطول موجة مبالغ فيه لإظهار الحركة المتذبذبة ، في الشكل 1 (ب). كان من الممكن تغيير سعة تذبذب النافذة لإحداث تغييرات في عرض الشق لدراسة تأثير توسيع الشق على عملية القطع.

2.2 قطع الفولاذ باستخدام نهج يسيطر عليه الأكسجين بمساعدة الليزر

تم تنفيذ طريقة القطع بمساعدة الأكسجين بالليزر على ألواح الصلب الطري AS3678 بسماكة 16 إلى 50 مم. تم الاحتفاظ بضغوط غاز مساعد الأكسجين إما عند أقل من 120 كيلو باسكال (قطع الأكسجين بالضغط المنخفض - LoPOx) أو للضغوط العالية (قطع الأكسجين عالي الضغط - HiPOx). تم تسجيل نتائج القطع كدالة لجودة القطع (شق القطع ، شكل الشق ، الخبث المفرط) وسرعة القطع.

3. النتائج

3.1 تذبذب شعاع الليزر.

من خلال تذبذب الحزمة على قطعة العمل ، تمت زيادة الحد الأقصى لسمك القطع من 12 مم ، التي تمت مواجهتها مع القطع التقليدي ، إلى 16 مم. يشير الرسم البياني لسرعة القطع القصوى لمختلف السماكات وقوى الليزر ، كما هو موضح في الشكل 2 ، إلى أنه على الرغم من تحسين سماكة القطع باستخدام الحزمة المتذبذبة ، فإن سرعة القطع مماثلة لسرعة القطع التقليدية (CW) ، وهذا يشير إلى أن القطع تظل العملية التي تحدث داخل الشق دون تغيير أثناء قطع الحزمة المتذبذبة. كما تم تحقيق سرعات قطع مماثلة مع شعاع الغزل [14].

يمكن أن تعزى زيادة سمك القطع إلى زيادة عرض الشق. يتضح هذا من خلال تغيير سعة التذبذب كما هو موضح في الشكل 3. هنا ، حيث يتم تقليل السعة المتذبذبة بالتتابع من السعة القصوى من 0.45 مم إلى الصفر ، يتم تقليل عرض الشق ، بما يتوافق مع انخفاض في القدرة على التنظيف الذوبان. يوضح هذا بوضوح ضرورة وجود عرض كافٍ للشق للسماح بتنظيف الخبث. تم التعبير عن هذا الرأي أيضًا من قبل الآخرين [12] ، حيث يُقترح أن كلا من ديناميكيات السوائل والديناميكا الحرارية مقيدة بشقوق ضيقة.

3.2 قطع الفولاذ باستخدام طريقة الأكسجين بمساعدة الليزر

3.2.1 القطع المنخفض الضغط بالأكسجين - LoPOx

تستخدم عملية القطع LoPOx نفس شعاع الليزر ذو القطر الأكبر ونفث الأكسجين الضيق في الجزء العلوي من قطعة العمل كما هو موضح في عملية Lasox ، ولكن مع ضغوط الغاز المساعدة التي تقل عن 120 كيلو باسكال. توضح الأسطح المقطوعة الموضحة في الشكل 4 باستخدام عملية LoPOx أن طاقة الليزر المنخفضة العارضة لا تعيق القطع بالليزر طالما أن البدء الأساسي والمستمر للقطع يمكن أن يحدث. في الواقع مع زيادة سرعة القطع ، قد تساهم طاقة الليزر الساقط في زيادة الطاقة وبالتالي تسبب حدوث تشققات مفرطة. يتضح هذا في الشكل من خلال ملاحظة سرعة القطع 450 مم / دقيقة ، حيث تم إنشاء سطح أفضل بواسطة طاقة الليزر العارضة 533 واط مما تم تحقيقه في 1420

W. هنا ، يتم تحديد معدل التفاعل الطارد للحرارة بواسطة سرعة القطع. طاقة الليزر الحادثة مطلوبة فقط لتسخين السطح العلوي لأكثر من 1000 درجة مئوية [11] وبدء عملية الاندماج التفاعلي. تقلل طاقة الليزر العارضة الزائدة من جودة القطع. يوضح هذا أن مشكلات تفاعل الأكسجين - الحديد ، وليس طاقة الليزر العارضة ، تحكم الآن بشكل أساسي جودة القطع. ومن ثم فهذه عملية قطع بالليزر يغلب عليها الأكسجين.

في الشكل 4 ، حيث يتم تقليل الطاقة لكل سرعة قطع ، فإن المؤشرات الأولى على الحد الأدنى من قوة الحادث هي البداية الضعيفة للقطع كما يظهر في الطرف الأيمن. يوضح هذا أن متطلبات الطاقة عند بدء القطع أعلى من متطلبات عملية القطع المستمرة وأن الطاقة المطلوبة للتأسيس السريع لعملية قطع ثابتة وليست الطاقة للعملية المستمرة هي المعايير الأساسية.

عند قطع LoPOx باستخدام قطر فوهة محوري مشترك أصغر لنفس مادة السماكة ، يتم الحصول على نفس سرعات القطع ولكن مع عرض شقوق أضيق وبالتالي تقليل تدفق الأكسجين. ومع ذلك ، لم يكن من الممكن تحقيق التخفيضات عالية الجودة في قوى الليزر المنخفضة مع قطر الفوهة الأكبر المستخدم في الشكل 4. هذا على الرغم من وجود بقعة ليزر أكثر كثافة نتيجة المرور عبر فوهة ذات قطر أصغر. يوضح هذا أن متطلبات الشق العريض بدرجة كافية للسماح بتنظيف الخبث ينطبق بالتساوي على عملية القطع التي يهيمن عليها الأكسجين.

جوانب القطع مدببة أكثر من تلك الموجودة في القطع التقليدية (التي يهيمن عليها الليزر). تعني طبيعة عملية القطع التي يهيمن عليها الأكسجين أن الشق يتأثر بشكل نفث الأكسجين المفروض مع كون الجزء العلوي من الشق بنفس عرض الفوهة المحورية المشتركة المستخدمة.

اختلفت الفجوة بين الفوهة وقطعة العمل مع النتائج النموذجية لهذا الاختلاف الموضحة في الشكل 5. بالنسبة لأقطار الفوهة المختلفة ، تم تقليل جودة القطع بشكل كبير مع خلوص أكبر من 25٪ من قطر الفوهة. الزيادات في الفوهة - خلوص قطعة العمل كشفت المزيد من التدفق من الفوهة إلى غازات الغلاف الجوي المحيطة قبل دخول الشق [8]. تم إجراء التغيير في الخلوص دون تغييرات مقابلة في قطر بقعة الليزر بنتائج مماثلة. يوضح هذا أيضًا أن التغييرات التي تم إجراؤها على الغاز المساعد وليس كثافة طاقة الليزر العارضة هي العامل الذي يؤثر على جودة القطع بالليزر على مدى النطاق الذي تم اختباره. يوضح الشكل 5 أيضًا تأثير خلوص صغير جدًا (0.1 مم) حيث لا تتجاوز الحزمة المتقاربة قطر نفاث الغاز وبالتالي لا تسمح لعملية القطع بالليزر التي يهيمن عليها الأكسجين بالعمل.

تم تحقيق أقصى سمك للقطع 32 مم باستخدام قطع Nd: YAG LoPOx. تسبب القطع الذي يتجاوز هذه السماكة بأقطار الفوهة المستخدمة في تكوين خبث مفرط داخل الشق وفقدان عمودية القطع. يوضح هذا أيضًا العلاقة بين عرض الشق وسماكة القطع عند استخدام ضغوط قطع منخفضة (تقليدية).

3.2.2 ارتفاع ضغط الأكسجين الذي يهيمن عليه Nd: YAG Laser Cutting - HiPOx

باستخدام ضغوط إمداد أعلى بكثير وفوهات ذات قطر أصغر ، وجد أنه من الممكن قطع الفولاذ الأكثر سمكًا من تلك التي تم الحصول عليها سابقًا بواسطة عملية LoPOx. تم عرض سعة القطع بين 32 و 50 مم باستخدام لوح فولاذي AS 3679. يوضح الشكل سرعات القطع النموذجية فيما يتعلق بسماكة المادة وطاقة الليزر

6. يوضح الشكل استمرار عمليات القطع من منطقة الضغط المنخفض المستخدمة للمواد الرقيقة.

يعني تأثير استخدام ضغوط توصيل عالية أن تدفق الغاز معقد ويمكن أن يؤدي إلى ظهور سمات صدمة داخلية. يمكن اعتبار الدليل على تفاعل هياكل الصدمات أثناء القطع على أنه \"نتوءات \" أو علامات أقل في السطح المقطوع ويُنظر إليها على أنها خطوط متعامدة مع الخطوط. علاوة على ذلك ، فإن إزاحة هذه الحواف مع خلوص الفوهة - قطعة العمل ناتج عن تعزيز أو إلغاء الصدمات الداخلية للغاز المساعد والصدمة المميزة التي تظهر في بداية الشق على شكل \"X \" [15]. يشير العمل [16 ، 17] أيضًا إلى تفاعل معقد وأحيانًا متذبذب للصدمات مع جدران الشق. الدليل على الطبيعة التذبذبية للقطع هو \"الطنين \" الثابت الذي يمكن سماعه في بعض ظروف القطع.

باستخدام فوهة محورية بقطر 1.5 مم ، تبين أن سعة القطع مرضية للوحة 32 و 40 مم مع نتائج قطع اللوح 40 مم الموضحة في الشكل 7. تمت زيادة خلوص الفوهة- قطعة العمل بشكل كبير مع ضغوط الغاز المساعدة العالية و كان شكل الشق أقل مدببًا بكثير من ذلك الذي شوهد في LoPOx نتيجة لتيار الغاز عالي السرعة الأقل تباعدًا. يمكن رؤية هذه الشقوق في الشكل 8.

قطع الملف الشخصي باستخدام الألياف التي يتم تسليمها بتقنية Nd: YAG LoPOx ممكنة مع الأمثلة الموضحة في الشكل 9. هنا تؤدي الزيادات في درجات الحرارة داخل الزوايا إلى زيادة التناقص في هذه النقاط. يظهر هذا في القطع الدائري للشكل 9 (أ) وتقليص الزوايا في الشكل 9 (ب). من الأفضل التغلب على تقويض الزوايا الحادة من خلال استخدام سرعات قطع منخفضة كما هو موضح في الشكل.

يسيطر الأكسجين عالي الضغط على القطع باستخدام ليزر Nd: YAG مثل ذلك المستخدم مع CO2 [12] يظهر أيضًا أنه ممتاز في الثقب بأقل من ثانية واحدة مطلوبة لاختراق لوح AS3679 بحجم 32 مم. لا تزال إزالة الخبث المقذوف لأعلى يمثل مشكلة ، حيث يؤدي وجوده على سطح اللوحة في مسار القطع إلى الإضرار بجودة القطع

4. مناقشة

على الرغم من عمليات القطع الجديدة بالليزر وزيادة سمك القطع ، فإن عملية القطع نفسها تظل دون تغيير. يتضح هذا من خلال تقليل سرعة القطع بسمك القطع والتشابه في سرعة القطع للتقطيعات التقليدية وشعاع الغزل والحزمة المتذبذبة. وبالتالي ، على الرغم من التغييرات في النهج ، فإن العوامل الأساسية التي تحكم قطع الصفيحة الفولاذية السميكة عن طريق الاندماج التفاعلي ، مثل الخسائر في التوصيل وتقييد إزالة تدفق الذوبان بسبب اللزوجة والتوتر السطحي لا تزال قائمة.

تظهر عروض الشق الأكبر والمتغيرة الناتجة عن تذبذب الحزمة بالإضافة إلى عروض الشق المختلفة الناتجة عن استخدام القطع بالليزر الذي يهيمن عليه الأكسجين باستخدام ليزر Nd: YAG الحاجة إلى شقوق واسعة بشكل مناسب مع زيادة سماكة القطع. ومع ذلك ، عند السماكة المعتدلة (~ 32 مم) ، يصبح زيادة الشق إلى ما بعد ذلك الناتج عن أكبر فوهة LoPOx أمرًا غير عملي نظرًا لأن استهلاك الأكسجين يصبح أمرًا مانعًا. تحقيقًا لهذه الغاية ، يأتي استخدام HiPOx بمفرده. يسمح استخدام تيار الغاز المساعد ذو الضغط العالي وبالتالي السرعة العالية بالاختلاط بشكل أقل مع غازات الغلاف الجوي وبالتالي يكون متاحًا بسهولة أكبر للاندماج التفاعلي. علاوة على ذلك ، فإنه يوفر قوى قص متزايدة بشكل كبير على وجه الذوبان للتغلب على مقاومة خلوصه من الشق. السمة الإضافية لعملية HiPOx هي الفوهة الكبيرة - خلوص الشغل الذي تم الحصول عليه. هذا يضمن موثوقية فوهات الضغط العالي.

تعتمد القطع التي يسيطر عليها الأكسجين فقط على طاقة الليزر الساقط لبدء القطع ثم الحفاظ عليه. تظهر النتائج أن هذه القوى أقل بكثير من تلك المطلوبة للقطع التقليدي المكافئ. ومع ذلك ، هناك حاجة إلى صلاحيات أعلى لبدء خفض ثابت من تلك المطلوبة للحفاظ على عملية القطع الشاملة. وبالتالي ، يمكن استخدام قوة متزايدة في بداية القطع فقط لزيادة كفاءة الطاقة.

لقد ثبت أن قطع الملف الشخصي ممكن مع عيب تقويض الجزء الداخلي من الزوايا المقطوعة. يمكن التغلب على هذا من خلال البرمجة المناسبة لسرعة القطع في هذه المواضع. ثبت أن ثقب الصفيحة السميكة أمر ممكن ولكن هناك مشكلات تتعلق بالخبث المقذوف لأعلى والذي يتداخل لاحقًا مع توصيل الغاز المساعد أثناء القطع اللاحق. يمكن التعامل مع هذا إما من خلال وجود نفاثة هواء حلقي مواجهة للخارج تحيط بالفوهة أو تنظيف المشغل باستخدام أمر انتظار CNC بعد إجراء جميع عمليات الثقب في البداية.

5. الاستنتاجات

يوضح استخدام القطع بالليزر الذي يهيمن عليه الأكسجين جنبًا إلى جنب مع استخدام الشقوق المقطوعة الأوسع مدى جدوى استخدام الليزر Nd: YAG الذي يتم توصيله بشكل معتدل بالألياف لقطع ألواح الصلب الطري السميكة. يمكن القيام بذلك باستخدام توصيل الضغط المنخفض للوح الصلب الطري حتى سمك 32 مم. أظهر توصيل الغاز عالي الضغط أن سمك القطع إلى 50 مم يمكن تحقيقه بسهولة إلى جانب القدرة على اختراق المادة بسرعة. هناك مشكلات مستمرة تتعلق بجودة القطع مرتبطة بأدوات الصدمة وأيضًا مشكلات تتعلق بتقويض الزوايا التي تتطلب برمجة CNC دقيقة. يتطلب الثقب الناجح إزالة الخبث المقذوف لأعلى من مسار القطع لضمان الحفاظ على جودة قطع قطعة العمل الأساسية.

6. شكر وتقدير

يرغب المؤلفون في شكر CRC for Intelligent Manufacturing Systems and Technologies Limited على تمويلهم لمشروع Spinning Beam الذي بدونه لا يمكن تجميع البحوث والنتائج المذكورة أعلاه.