Tekniset vaikeudet ja ratkaisut paksujen levyjen laserleikkaukseen

Teollisen valmistustekniikan jatkuvan kehityksen myötä laserleikkausta on käytetty laajalti metallinkäsittelyssä sen etujen, korkean tarkkuuden, korkean tehokkuuden ja kontaktittoman käsittelyn ansiosta. Laserleikkausteknologialla on kuitenkin monia haasteita paksumpien levyjen leikkaamisessa. Tässä tutkimuksessa pyritään systemaattisesti analysoimaan paksujen levyjen laserleikkauksessa kohdattuja teknisiä vaikeuksia ja ehdottamaan vastaavia ratkaisuja teoreettisen opastuksen ja teknisen referenssin saamiseksi teolliseen käytäntöön.

Laserleikkaustekniikka on kokenut jatkuvan kehityksen matalatehoisesta suureen tehoon ja ohuesta levystä paksuksi levyksi. Tällä hetkellä laserleikkausta on käytetty laajalti autojen valmistuksessa, ilmailussa, laivojen rakentamisessa ja muilla aloilla. Kuitenkin materiaalin paksuuden kasvaessa leikkauslaatuun, tehokkuuteen ja kustannuksiin liittyvät ongelmat nousevat yhä selvemmin esiin, joita on kiireellisesti tutkittava ja ratkaistava perusteellisesti.

1. Tärkeimmät tekniset vaikeudet paksun levyn laserleikkauksessa

Ensisijainen ongelma paksun levyn laserleikkauksessa on säteen laadun merkittävä heikkeneminen leikkaussyvyyden kasvaessa. Koska laser tunkeutuu paksumpiin materiaaleihin, tapahtuu monta kertaa, kun heijastus ja sironta, mikä johtaa energiatiheyden epätasaiseen jakautumiseen, mikä puolestaan ​​vaikuttaa leikkauslaatuun. Tutkimukset ovat osoittaneet, että kun leikkauspaksuus ylittää 20 mm, lasersäteen tarkennusominaisuudet heikkenevät merkittävästi, mikä johtaa leveään leikkaukseen kapeiden kiilan muotoisten virheiden pohjassa.

Toiseksi paksun levyn leikkausprosessissa syntyvää lämpö{0}}vyöhykettä ei pidä jättää huomiotta. Paksun levyn huonosta lämmönjohtavuudesta johtuen laserenergia kerääntyy materiaalin sisään, mikä johtaa lämpö-vaikutusvyöhykkeen laajenemiseen, mikä voi laukaista muutoksia materiaalin mikrorakenteessa ja lisätä jäännösjännitystä. Kokeelliset tiedot osoittavat, että 30 mm paksua hiiliterästä leikattaessa lämpö{5}}vyöhykkeen leveys voi olla jopa 3-5 kertaa ohutlevyleikkauksen leveys, mikä vaikuttaa vakavasti materiaalin mekaanisiin ominaisuuksiin.

Toinen tärkeä tekninen ongelma on kuonan tarttuminen ja leikkauspinnan karheuden lisääntyminen. Paksulevyleikkausprosessissa apukaasulla on vaikea puhaltaa sulaa metallia kokonaan pois, ja leikkauksen pohjalle on helppo muodostaa kuonakertymää. Samaan aikaan epävakaan energiansyötön vuoksi leikkauspinnassa näkyy usein ilmeisiä raitoja ja epätasaisuuksia. Tilastot osoittavat, että kun levyn paksuus ylittää 25 mm, leikkuupinnan karheus Ra voi olla 2-3 kertaa ohuen levyn leikkaus.

2. Ratkaisu paksun levyn laserleikkauksen teknisiin vaikeuksiin

Säteen laatuongelmiin laserparametrien optimointi on suorin ratkaisu. Lisäämällä lasertehoa (tarvitaan yleensä yli 6 kW), säädä pulssitaajuutta ja käyttösuhdetta, voit parantaa energian tunkeutumissyvyyttä. Samaan aikaan dynaamisen tarkennusjärjestelmän käyttö voi toteuttaa automaattisen tarkennusasennon säädön leikkausprosessin aikana parhaan energiatiheyden jakautumisen ylläpitämiseksi. Kokeet ovat osoittaneet, että dynaamisella tarkennustekniikalla varustetun 12 kW:n kuitulaserin käyttö voi leikata tehokkaasti 40 mm paksua ruostumatonta teräslevyä.

Lämmön{0}}vaikutusalueen hallinnassa uuden leikkuupääteknologian kehittäminen on ratkaisevan tärkeää. Värähtelevän leikkauspään tai säteen värähtelytekniikan käyttö voi hajottaa lämmöntuonnin ja vähentää paikallista ylikuumenemista. Lisäksi apukaasujen tarkka ohjaus (esim. käyttämällä korkeapaineista typpeä- tai erityisiä kaasuseoksia) voi jäähdyttää leikkausvyöhykettä tehokkaasti. Tutkimukset ovat osoittaneet, että kaasujäähdytyksen ja ajoittaisen leikkausstrategioiden yhdistäminen voi vähentää lämpö{7}}vyöhykettä yli 40 % 30 mm paksuilla alumiiniseoksilla.

Kuonaongelman ratkaisemiseksi apukaasujärjestelmän parantaminen on avainasemassa. Kaksoiskaasusuuttimen ottaminen käyttöön (sisäinen korkeapainekaasu poistaa kuonan ja ulompi suojakaasu hapettumisen estämiseksi) voi parantaa merkittävästi leikkauslaatua. Samaan aikaan optimoitu leikkuupolun suunnittelu ja reaaliaikaisten valvontajärjestelmien (esim. visuaaliset anturit tai akustinen valvonta) käyttöönotto voivat havaita ja käsitellä kuonan kertymistä ajoissa. Käytäntö osoittaa, että nämä toimenpiteet voivat vähentää kuonan jäännösmäärää paksun levyn leikkaamisessa yli 60 %.