Kuidas alumiiniumi laserlõikurid lihtsalt toimetavad nii õhukeste kui ka paksemate lehtmetallidega

Soojusjuhtivus ja peegeldavus: peamised takistused Alumiinium Laseriga lõikamine

Alumiiniumi kõrge soojusjuhtivuse (umbes 235 W/m·K) ja selle kalduvus peegeldada umbes 95% kiudlaseri valgusest tekitab tõelisi probleeme kõigile, kes püüavad seda materjali laseriga lõigata. Suur osa laserenergiast lihtsalt peegeldub tagasi, asemel et neelduda, mis muudab kogu protsessi ebaefektiivseks ja sunnib ettevõtteid investeerima nendesse kallitesse optilistesse süsteemidesse, et säilitada stabiilsust lõikamise ajal. Mõni eelmisel aastal avaldatud uuring näitas, et õigesti seadistamata tingimustel võivad kaotused jõuda ligi 30%-ni, kui töödeldakse alumiiniumi tükkidega, mis on õhemad kui 3 mm. Seetõttu on targad tootjad hakkama kasutama pulsilaseritehnoloogiat koos eriliste valgusepeegelduse vähendavate pinnakatetega lõikeläätidele. Need kohandused mõjutavad suuresti, kui hästi materjal tegelikult laserenergiat neelab, isegi siis, kui tegemist on nii tugevalt peegeldava materjaliga nagu alumiinium.

Materjali paksuse roll protsessistabiilsuses ja energiatõhususes

Sellest, kui paks materjal on, sõltub kogu soojuse haldamine, vajaliku energia hulga arvutamine ja protsessi stabiilsus lõikeoperatsioonide ajal. Nende õhukeste lehtmetallide puhul, mis on alla 3 millimeetri, kulub lõikamise alustamiseks tegelikult umbes 15–20 protsenti rohkem energiat, kuna soojus levib nendes väga kiiresti. Teisalt tekivad paksema, üle 10 mm paksuse plaatide puhul probleemid tuntud kui plasma ekraaniefekt. Tegelikult sulanud materjal kipub enne, kui lõige läbi jõuab, uuesti tahkeda, mis tarbib palju rohkem energiat, kui oodatakse. Võtke alumiinium – tööstusstandardite kohaselt toimub 12 mm paksuste tükkide lõikamine umbes poole võrra väiksema tõhususega kui 6 mm lehtmetalliga töötamine. Vaadake allpool olevat tabelit, et saada selgem ülevaade nende erinevuste kohta erinevate materjalide paksuste ja vastavate operatsiooninõuete vahel.

Levinumad defektid Alumiiniumi laserlõikamine ja nende seos lehepaksusega

Sellest, kuidas defektid tekivad, sõltub suuresti materjali paksusest. Kui vaadata õhukesed 1 kuni 3 mm lehti, siis umbes iga kuuenda tööstusliku rakenduse puhul tekib venitusprobleeme, kuna soojus ei leviku pinnal ühtlaselt. Paksema, 8 mm või rohkema paksusega plaatide puhul on tootjatel tavaline näha ebaregulaarseid servasi ja sulametähte, kuna sulanud metall ei jõua töötlemise ajal täielikult välja. 6 kuni 10 mm mõõduga lehed seisavad silmitsi hoopis teistsuguse probleemiga. Neil tekivad oksüdatsiooniprobleemid ligikaudu 40% rohkem kui muude suuruste puhul lihtsalt seepärast, et need on pikemalt kokkupuutes abigaste gaasidega, eriti siis, kui kaasneb hapnik. Kuid õhemate materjalide puhul alla 5 mm on hea uudis. Tööparameetrite hoolikas seadistamine ja eriti lämmastikgassi kasutamine rõhul, mis ületab 15 bar, võimaldab tehastel sulametäite teket drastiliselt vähendada, mõnikord kuni kolmveerandit vähem võrreldes tavapäraste meetoditega.

Kiulaser vs. CO2-laser: õige tehnoloogia valimine alumiiniumile

Kiulaserite energiakadestusomadused muudavad need eriti tõhusaks töötamisel alumiiniummaterjalidega. Need laserid toimivad tavaliselt umbes 1070 nanomeetri piirkonnas, mille alumiinium neelab ligikaudu 40 protsenti paremini kui vanemaid CO2-lasereid, mis töötavad 10,6 mikroni juures. Praktikas tähendab see oluliselt vähemat võimsuse kadu peegeldumisest, vähendades raiskunud energiat umbes 70%. Ja kuna raiskub vähem energiat, on ka töötlusajad palju kiiremad. Näiteks 3 millimeetrise paksuste alumiiniumlehtede lõikamisel saavutavad kiulaserid kiiruse umbes 25 meetrit minutis, samas kui traditsioonilised CO2-süsteemid ei suuda sarnastes tingimustes isegi 8 meetrit minutis täita.

Toimevõime võrdlus: Kiulaser vs. CO2-laser alumiiniumi puhul paksuse järgi

Kuigi kiudlaserid domineerivad õhukeste lehtmetallide töötlemisel täpsuse ja tõhususe tõttu, tagavad siiski CO2-laserid parema serva lõpptoimetuse keskmise paksusega alumiiniumile (6–15 mm), saavutades võrdluskatsetes kuni 25% siledama pinnase.

Millal on CO2-laserite kasutamine mõistlik väga pakaste alumiiniumplaatide puhul
Üle 15 mm paksude alumiiniumplaatide puhul jäävad CO2-laserid asjakohaseks, kuna need pakuvad:

• 30% kiiremat algset läbitorumist 2,5 kW võimsusel
• Sulametalli pritsimise vähendamist mitmikläbimurretöötluse ajal
• Tõhusat sidet hapniku abigasiga sügavama soojuspüsimuse saavutamiseks

Ühe esmase Hiina tootmisfirma töökoja sisust saadud teabe kohaselt andsid erinevate laserisüsteemide testimisel 10 mm paksuste alumiiniumlehtede puhul huvitavaid tulemusi. 6 kW kiudlaseriga õnnestus saavutada lõikekiirus umbes 1,2 meetrit minutis ilusa puhta täisnurkse servaga. Samas lõikas vanem 4 kW CO2-süsteem tegelikult kiiremini, umbes 1,5 meetrit minutis, kuid jäi peale lõikamist rohke serv, mis nõudis lisatööd. Paksus on siin oluline, sest see mõjutab mitte ainult materjalide töötlemise kiirust, vaid ka seda, millised lõpptoimingud pärast lõikamist on vajalikud. Tootjatel tuleb hoolikalt kaaluda neid tegureid, kui nad valivad erinevaid laseritehnoloogiaid oma tootmismoodulitesse.

Pehmete alumiiniumlehtede täpsuslik lõikamine: parameetrid ja parimad tavased

Pehmete alumiiniumlehtede lõikamise kriitilised täpsusnõuded

Pehme alumiiniumi (<3 mm) lõikamine nõuab mikroni täpsust, et vältida kujumuutusi ja äärede deformatsiooni. Kuna alumiiniumil on kõrge soojusjuhtivus, võib isegi väikesed laserenergia kõikumised põhjustada ebajärjekindlat sulamist. Sobimatud seaded suurendavad jäätmete hulka kuni 22% kõrge tolerantsiga sektorites, nagu õhuruumitehnika.

Laserenergia, kiirus ja fookuse optimeerimine alla 3 mm paksuste alumiiniumlehtede jaoks

0,5–3 mm lehtmetallide puhul toimivad 1–2 kW kiudlaserid parimalt kiirustel 10–25 m/min. Liiga madal energiatase võib tekitada ebapiisavaid lõike; liiga kõrge energia halvendab äärete kvaliteeti. Uuringud näitavad, et 0,8–1,2 mm fookuskaugus optimeerib kiire tihedust puhtate ja kitsaste lõikeade saavutamiseks.

Abigase valik: lämmastik vs hapnik puhtate, praksvaba äärtega lõikamiseks

Lämmastikku eelistatakse selliste detailide puhul, mis ei vaja sekundaartöötlemist, samas kui hapnik sobib paremini kiire prototüüpimise juures, kus järeltöötlus on lubatud.

Juhtumiuuring: 1 mm alumiiniumi kõrge kiirusega töötlemine 1 kW kiudlaseriga

Autotööstuse tarnija saavutas 98% esmase läbimise tootlikkuse 1 mm paksusel 5052 alumiiniumlegeroost, kasutades 1 kW kiulaserit 18 m/min kiirusel lämmastikku abiga. See seade vähendas detaili kohta kuluvat energiat 37% võrreldes vanema CO2 süsteemiga.

Kõrgvõimsed laserlahendused paksu alumiiniumplaatide lõikamiseks

Tehnilised väljakutsed paksude alumiiniumlehtede lõikamisel üle 10 mm

Alumiiniumiga töötamine paksusega üle 10 mm seab suureks väljakutseks selle soojusjuhtivuse ja laserkiirte peegeldumise tõttu (üle 90% umbes 1 mikromeetri lainepikkusel). Metall hajutab soojust kiiresti ja raiskab palju energiat töötlemise ajal, mistõttu masinatel on vaja umbes 25 kuni isegi 40 protsenti rohkem võimsust võrreldes terase lõikamisega. On veel üks probleem: kui lõiketera vibreerib harmooniliselt, võib see tegelikult nihutada laserkiirt pluss miinus 0,05 millimeetrit. See ei tundu palju, kuid täppisvalmistuses, kus tolerantsid on olulised, võib selline kõrvalekalle osi täielikult rikkuda. Värskeima eelmise aasta Fabrication Tech Reporti andmetel on tootjad, kes töötavad 14 mm paksuste alumiiniumlehtedega, avastanud, et neil tuleb hoida laserimpulsse alla 500 hertsiga, kui nad soovivad vältida oksüdatsiooniprobleeme ja saavutada samas puhta 30 mikromeetri lõike laiuse kõigil detailidel järjepidevalt.

Laseri vattimuse sobitamine alumiiniumi paksusega optimaalse läbitungimuse saavutamiseks

Tööstusandmed näitavad peaaegu lineaarset seost paksuse ja nõutava laserivõimsuse vahel:

Need väärtused arvestavad alumiiniumi kalduvust suunata ümber 30–40% CO2-laseri energiast, samas kui kiulisüsteemides on see vaid 10–15%. Kiirte kuju parandused võimaldavad nüüd 8 kW kiullaseritel saavutada 93% neeldumise 15 mm plaatidel – 23% paranemine varasemate mudelite suhtes.

Lõikekvaliteedi säilitamine madalamatel kiirustel paksu profiili laserlõikamisel

Kui töödeldakse alla 1 meetri minutis kiirusega, suureneb sulatunud metalli ühes kohas viibimise aeg 50–70%. See pikendatud seismisaeg suurendab oluliselt drossi teket töötlemise ajal. Õnneks jääb pinnatöötlus kontrolli alla, kui laserikontsentratsiooni kohandatakse dünaamiliselt ±2 mm vahemikus ja rakendatakse 18 kuni 22 bar rõhuga lämmet. Tavaliselt hoitakse sellisel viisil pindrauhkust umbes 30 mikroni Ra piires või paremini. Seda toetavad ka tööstusharu testid. Hiljutine materjalitöötlusuuring näitas, et 4 kW võimsusega pulsilainedega kiullaser suudab lõigata 12 mm paksu 6061-T6 alumiiniumi 1,5 meetri minutis. Märkimisväärne on, et need lõiked jätsid peale endast uuestikristalliseerunud kihid umbes 15 mikroni paksused, mis vastab isegi rangele nõudele lennukite valmistamisel kasutatavate detailide suhtes.

Ühe- ja mitmepassiline tehnika: efektiivsuse ja kvaliteedi kompromissid

Kui jõutakse 15 mm lehtede lõikamiseni, saavutavad ühe läbimise meetodid umbes 95% materjaliefektiivsuse, kuid nendele on vaja üsna võimsaid laserite – vähemalt 12 kW, et säilitada sirgus kitsas 0,1 mm meetri kohta tolerantsis. Alternatiivne lähenemine kasutab mitmikläbimise meetodeid 6 kW seadmetega, mis tegelikult annab paremad servanurgad, alla poole kraadi kõrvalekalded, kuid maksab rohkem, kuna gaasi tarbimine tõuseb ligikaudu 40%. Vaadates viimase aasta tööstusandmeid ajakirjast Industrial Laser Review 2023, toimub midagi huvitavat ka paksemate materjalide puhul. Neile, kes töötavad 18 mm plaatidega, osutub kahe läbimisega lõikamine kiirusel umbes 0,7 meetrit minutis oluliselt kiiremaks – 37% kiiremaks võrreldes tavapärase ühe läbimise meetodiga, mille kiirus on 0,5 m/min, ja säilitatakse siiski oluline täpsusnõue +/– 0,1 mm, mida enamik rakendusi nõuab.

Adaptiivne masinaseadistus suumsete üleminekute jaoks erineva alumiiniumi paksuste vahel

Tänapäevased laserlõikurid suudavad oma nutikate automaatikafunktsioonide tõttu töötada kõigi erinevate alumiiniumilehtede paksustega. Süsteemid meelespidavad erilisi seadeid iga materjali paksuse jaoks. Võtke näiteks 1 kW kiudlaser, mis lõigates õhemaid 1 mm lehti töötab umbes 70% võimsusel ja liigub 12 meetrit minutis, kuid paksema 10 mm plaatide puhul tõstetakse võimsust ligikaudu 95%-ni ja aeglaselt liigutakse 3 meetrit minutis. Need automaatsed muudatused teevad seadistamise palju sujuvamaks. Uuringu kohaselt, mis avaldati 2023. aasta Laseritöötluse Tõhususe Uuringus, vähendab selline automaatika seadistusvigade arvu ligikaudu 82% võrreldes juhuga, kus operaatoreid kõik käsitsi reguleerivad.

Dünaamiline fookuse juhtimine tagab kiire täpsuse, reguleerides fookuse asukohta ±0,05 mm piires, et kompenseerida kortsutunud või ebakindlaid materjale. Nozzle'ite kõrgusaktuaatorid hoiavad kindlat 0,8–1,2 mm kaugust, mis on oluline üleminekul peegelpinna foliidilt tekstuursetele paksematele plaatidele.

Need osasüsteemid vähendavad seismisolekut drastiliselt. Seal, kus varasemalt võttis manuaalne tööriistade ja gaasi vahetamine 15–25 minutit, lõpetavad kaasaegsed masinad täieliku ülemineku alla 90 sekundi jooksul. Selle tulemusena muutuvad erineva paksusega tootmissarjad majanduslikult elujõuliseks ning tootjad teatavad 37% suuremast läbilaskevõimest väikepartiide tellimuste puhul.

KKK

Miks on alumiinium laserlõikamisel keeruline?

Alumiinium on laseriga lõikamisel keeruline kõrge soojusjuhtivuse ja peegeldustsiooni tõttu, mille tõttu suur osa laserenergiast peegeldub tagasi, asemel et seda neelduks.

Milline laser on parem õhukeste alumiiniumlehtede lõikamiseks?

Fiber-laserid on paremad õhukeste alumiiniumlehtede lõikamiseks, kuna need neelavad energiat tõhusamalt ja pakuvad kiiremaid töötlemiskiirusi võrreldes CO2-laseritega.

Kuidas mõjutab materjali paksus alumiiniumi laserlõikamist?

Materjali paksus mõjutab alumiiniumi laserlõikamist oluliselt. Õhemad lehed vajavad rohkem võimsust kiire soojuskatkuse tõttu, samas kui paksemad lehed võivad siluda plasmakaitse probleeme ja nõuavad rohkem energiat lõike lõpuleviimiseks.

Millist abigasi eelistatakse alumiiniumi laserlõikamisel?

Lõpptoodete heidutusvaba serva saavutamiseks eelistatakse lämmet, samas kui hapnik võimaldab kiiremat lõikamist, kuid nõuab pärastlõikepuhastust.

Kas automaatika ja dünaamiline fookuse juhtimine on kasulikud alumiiniumi laserlõikamisel?

Jah, automaatika ja dünaamiline fookuse juhtimine suurendavad oluliselt täpsust ning vähendavad seadistusaega ja vigu erinevate alumiiniumilehtede vahel üleminekul.