Как алуминиевите лазерни резачи лесно се справят с тънки и дебели листове

Топлопроводимост и отразяваща способност: Основни препятствия при Алуминий Лазерно рязане

Комбинацията от високата топлопроводност на алуминия около 235 W/м·K и неговата склонност да отразява около 95% от лазерната светлина във влакно създава истински проблеми за всеки, който се опитва да го реже с лазери. По-голямата част от лазерната енергия просто се отразява, вместо да бъде погълната, което прави целия процес неефективен и принуждава компаниите да инвестират в онези сложни оптични системи, само за да поддържат стабилност по време на операциите по рязане. Някои изследвания, публикувани миналата година, показаха загуби, достигащи до 30%, при работа с алуминиеви парчета с дебелина под 3 мм, ако настройките не са правилно коригирани. Затова умните производители започнаха да прилагат импулсни лазерни техники, като едновременно нанасят специални антиотражателни покрития директно върху своите режещи глави. Тези корекции оказват голямо влияние върху това колко добре материала действително поглъща лазерната енергия, дори когато работим с толкова упорито отразяващ материал като алуминия.

Ролята на дебелината на материала за стабилността на процеса и енергийната ефективност

Дебелината на материала прави голяма разлика, когато става въпрос за топлинния режим, изчисляване на необходимата енергия и осигуряване на стабилност по време на процеса на рязане. За тези тънки листове под 3 милиметра всъщност се изисква около 15 до 20 процента повече мощност само за да започне рязането, защото топлината се разпространява много бързо през тях. От друга страна, по-дебелите плочи над 10 мм срещат така наречените проблеми с плазмено екраниране. По същество разтопеният материал има тенденция да се затвори отново, преди рязането да премине напълно, което изразходва значително повече енергия от очакваното. Вземете алуминия например – рязането на парчета с дебелина 12 мм работи с около половината ефективност спрямо работа с листове от 6 мм според индустриалните стандарти. Вижте диаграмата по-долу за по-ясна представа за тези разлики при различни дебелини на материала и съответните операционни изисквания.

Чести дефекти в Лазерно рязане на алуминий и как се отнасят към дебелината на листа

Начинът, по който се образуват дефектите, наистина зависи от дебелината на материала. Когато разгледаме тънки листове между 1 и 3 мм, приблизително едно от всеки шест промишлени приложения завършва с проблеми с изкривяване, защото топлината не се разширява равномерно по повърхността. При по-дебели плочи с дебелина 8 мм или повече, производителите често срещат неравни ръбове и остатъчен шлак, тъй като разтопеният метал не напуска напълно зоната по време на обработката. Листовете с размери между 6 и 10 мм са изправени пред напълно различен предизвикателство. Те имат тенденция да развиват проблеми с окислението приблизително с 40% повече в сравнение с другите размери, просто защото остават по-дълго в контакт с помощните газове, особено когато е включен кислородът. Но има добри новини за по-тънките материали под 5 мм. Чрез прецизно настройване на параметрите на процеса и специфично прилагане на азотен газ при налягане над 15 бара, цеховете могат значително да намалят образуването на шлак – понякога дори с до три четвърти по-малко в сравнение със стандартните методи.

Влакнест лазер срещу CO2 лазер: Избор на подходящата технология за алуминий

Свойствата на влакнестите лазери по отношение на абсорбцията на енергия ги правят особено ефективни при работа с алуминиеви материали. Тези лазери обикновено работят в диапазона около 1070 нанометра, което алуминият абсорбира приблизително с 40 процента по-добре в сравнение със старите CO2 лазери, работещи на 10,6 микрона. На практика това означава значително по-малко загуба на мощност поради отражения, като се намаляват загубите на енергия с около 70%. И тъй като се губи по-малко енергия, се постигат и много по-високи скорости на обработка. Например, при рязане на алуминиеви листове с дебелина 3 милиметра, влакнестите лазери могат да достигнат скорост от около 25 метра в минута, докато традиционните CO2 системи едва достигат 8 метра в минута при сходни условия.

Сравнение на производителността: Влакнест лазер срещу CO2 лазер за алуминий според дебелина

Докато влакнестите лазери доминират при приложения с тънки листове поради високата им прецизност и ефективност, CO2 лазерите все още осигуряват по-добро качество на ръба при алуминий със средна дебелина (6-15 мм), като постигат до 25% по-гладки повърхности в сравнителни тестове.

Когато CO2 лазерите все още са целесъобразни за много дебели алуминиеви плочи
За алуминий с дебелина над 15 мм CO2 лазерите остават актуални, защото предлагат:

• 30% по-бързо първоначално пробиване при мощност от 2,5 kW
• Намалена разпръскваща се разтопена маса по време на многопроходни операции
• Ефективно свързване с кислороден подпомагащ газ за по-дълбоко топлинно проникване

Информация директно от производствената площадка на водеща производителна компания в Китай разкрива интересни резултати. При тестване на различни лазерни системи върху алуминиеви листове с дебелина 10 мм, е установено, че 6 kW влаконен лазер постига скорост на рязане около 1,2 метра в минута с чисти и гладки правоъгълни ръбове. В същото време по-старата 4 kW CO2 система реже по-бързо – около 1,5 метра в минута, но оставя грапави ръбове, които изискват допълнителна обработка след рязането. Дебелината има голямо значение, тъй като влияе не само на скоростта на обработката на материала, но и на типа на необходимата последваща довършителна обработка. Производителите трябва внимателно да преценяват тези фактори при избора между различни лазерни технологии за своите производствени линии.

Прецизно рязане на тънки алуминиеви листове: параметри и най-добри практики

Критични изисквания за прецизност при рязане на тънки алуминиеви листове

Рязането на тънък алуминий (<3 мм) изисква точност на ниво микрони, за да се избегне деформация и огъване на ръба. Поради високата топлопроводност на алуминия дори малки колебания в лазерната мощност могат да предизвикат неравномерно стапяне. Неправилните настройки увеличават процента на отпадъци с до 22% в сектори с високи изисквания като аерокосмическата промишленост.

Оптимизация на лазерна мощност, скорост и фокус за алуминий под 3 мм

За листове с дебелина 0,5–3 мм влакнестите лазери с мощност 1–2 kW работят най-добре при скорости между 10–25 м/мин. По-ниска мощност води до непълни резове; прекалено висока мощност влошава качеството на ръба. Проучвания показват, че фокусно разстояние от 0,8–1,2 мм оптимизира плътността на лъча за чисти и тесни резове.

Избор на помощен газ: Азот срещу кислород за чисти ръбове без шлака

Азотът се предпочита за готови части, които не изискват вторична обработка, докато кислородът е подходящ за бързо прототипиране, когато последваща обработка е допустима.

Кейс студи: Високоскоростна обработка на 1 мм алуминий с 1 kW влакнест лазер

Автомобилен доставчик постигна 98% добив при първо преминаване за алуминиев сплав 5052 с дебелина 1 мм, използвайки 1 kW влакнест лазер при скорост 18 м/мин с азотно охлаждане. Тази настройка намали енергопотреблението на детайл с 37% в сравнение със старите CO2 системи.

Решения с високомощни лазери за рязане на дебели алуминиеви плочи

Технически предизвикателства при рязане на дебели алуминиеви листове над 10 мм

Работата с алуминий с дебелина над 10 мм представлява истинско предизвикателство поради бързото му топлопроводство и отразяване на лазерната светлина (над 90% при дължина на вълната около 1 микрометър). Металът има тенденцията бързо да разпределя топлината и губи значително количество енергия по време на обработката, което означава, че машините изискват около 25 до дори 40 процента повече мощност в сравнение с рязането на стомана. Има и друг проблем: когато рязещата глава вибрира хармонично, тя всъщност може да отклони лазерния лъч с плюс или минус 0,05 милиметра. Това може да не звучи много, но в прецизното производство, където допуснатите отклонения имат значение, такова отклонение може напълно да повреди детайлите. Според последни проучвания от Fabrication Tech Report миналата година, производителите, работещи с алуминиеви листове с дебелина 14 мм, установиха, че трябва да поддържат лазерните им импулси под 500 херца, ако искат да избегнат проблеми с оксидацията и при това да постигнат чиста ширина на реза от 30 микрометра, еднаква последователно за всички парчета.

Съвпадение на лазерната мощност с дебелината на алуминия за оптимална проникваемост

Промишлените данни показват почти линейна връзка между дебелината и необходимата лазерна мощност:

Тези стойности отчитат склонността на алуминия да отразява 30-40% от енергията на CO2 лазера, докато при фибровите системи това е само 10-15%. Напредъкът в оформянето на лъча сега позволява на 8kW фиброви лазери да постигнат 93% абсорбция при плочи с дебелина 15 мм — подобрение с 23% спрямо по-ранни модели.

Поддържане на качеството на рязане при по-ниски скорости при лазерно рязане на дебели сечения

Когато работи със скорост под 1 метър в минута, времето, през което разтопеният метал остава на едно място, нараства с 50% до 70%. Това по-дълго време на престой значително увеличава вероятността от образуване на шлака по време на обработката. За щастие, динамичното регулиране на лазерния фокус в диапазон от +/-2 мм, комбинирано с прилагане на азотно налягане между 18 и 22 бара, позволява да се поддържа контрол върху повърхностната гладкост, като обикновено се постига стойност на шероховатостта около 30 микрона Ra или по-добре. Това се потвърждава и от индустриални тестове. Наскорошно проучване за обработката на материали показа как импулсни влакнести лазери с мощност 4 кВт могат да изрязват алуминий 6061-T6 с дебелина 12 мм със скорост 1,5 метра в минута. Впечатляващо е, че получените резове оставят преотстивни слоеве с дебелина само около 15 микрона, което всъщност отговаря на строгите изисквания за части, използвани в авиационното производство.

Еднопроходни срещу многопрошодни техники: компромис между ефективност и качество

Когато става въпрос за рязане на листове с дебелина 15 мм, методите с единично преминаване могат да постигнат около 95% ефективност на материала, макар че се изискват доста мощните лазери – поне 12 kW или повече, за да се запази праволинейността в рамките на строгия допуск от 0,1 мм на метър. Алтернативният подход използва многопасови методи с 6 kW оборудване, което всъщност осигурява по-добри ъгли на ръба – отклонение под половин градус, но това идва с цена, тъй като консумацията на газ нараства с около 40%. Според данни от индустриалния преглед „Industrial Laser Review 2023“ се наблюдава и нещо интересно при по-дебелите материали. За оператори, работещи с плочи от 18 мм, използването на двупасово рязане при скорост около 0,7 метра в минута довежда до завършване на задачите с 37% по-бързо в сравнение със стандартните методи с единично преминаване при скорости от 0,5 м/мин, като същевременно се постига ключовата точност от ±0,1 мм, необходима за повечето приложения.

Адаптивна настройка на машината за безпроблемен преход между различни дебелини на алуминий

Съвременните лазерни режещи машини могат да работят с всички видове дебелини на алуминий благодарение на възможностите си за умна автоматизация. Системите запомнят специални настройки за всяка дебелина на материала. Вземете например 1kW влакнест лазер – той работи с около 70% мощност и скорост от 12 метра в минута при рязане на тънки листове от 1 мм, но увеличава мощността до около 95% и забавя до 3 метра в минута за по-дебели плочи от 10 мм. Тези автоматични промени значително опростяват настройката. Според изследване, публикувано в Проучването за ефективност на лазерна обработка от 2023 г., този вид автоматизация намалява грешките при настройка с приблизително 82% в сравнение с ръчната настройка от операторите.

Динамичният контрол на фокуса осигурява прецизност на лъча чрез настройване на фокусното положение в рамките на ±0,05 мм, за да се компенсират деформирани или неравни материали. Актуаторите за височина на дюзата поддържат постоянно разстояние между дюзата и повърхността от 0,8–1,2 мм, което е от съществено значение при преминаване между огледални фолиа и текстурирани дебели плочи.

Тези интегрирани системи значително намаляват простоите. Докато ръчното инструменти и смяната на газове някога отнемаха 15-25 минути, съвременните машини извършват пълни преходи за по-малко от 90 секунди. В резултат производството на смесени дебелини става икономически изгодно, като производителите съобщават увеличение на производството с 37% за малки серии.

ЧЗВ

Защо алуминият е труден за рязане с лазер?

Алуминият е труден за рязане с лазер поради високата си топлопроводимост и отразяваща способност, които причиняват повечето лазерна енергия да се отразява, вместо да бъде абсорбирана.

Кой тип лазер е по-подходящ за рязане на тънки алуминиеви листове?

Влакнестите лазери са по-добри за рязане на тънки алуминиеви листове, тъй като абсорбират енергията по-ефективно и осигуряват по-високи скорости на обработка в сравнение с CO2 лазерите.

Как влияе дебелината на материала върху лазерното рязане на алуминий?

Дебелината на материала значително влияе върху лазерната рязка на алуминий. По-тънките листове изискват по-голяма мощност поради бързото разпространение на топлината, докато по-дебелите могат да имат проблеми с плазмено екраниране, което изисква повече енергия за завършване на рязането.

Кой помощен газ е предпочитан за лазерна рязка на алуминий?

Азотът се предпочита за ръбове без окисляване при готовите части, докато кислородът позволява по-бърза рязка, но изисква почистване след рязката.

Полезни ли са автоматизацията и динамичният контрол на фокуса при лазерна рязка на алуминий?

Да, автоматизацията и динамичният контрол на фокуса значително подобряват прецизността и намаляват времето за настройка и грешки при преминаване между различни дебелини на алуминий.