Kaip aliuminio lazeriniai pjaustyklės lengvai susidoroja su plonais ir storais lakštais

Šiluminė laidumas ir atspindžio geba: pagrindinės kliūtys Aliuminis Lazerinis pjovimas

Aliuminio aukštos šilumos laidumo apie 235 W/m·K ir jo linksmės atspindėti apie 95 % šviesolaidinio lazerio šviesos kombinacija sukelia tikrų galvos skausmų visiems, kurie bando jį pjaustyti lazeriu. Didžioji dalis lazerio energijos tiesiog atsimuša, o ne sugeriamas, dėl ko visas procesas tampa neefektyvus ir verčia įmones investuoti į brangias optines sistemas, kad išlaikytų stabilumą pjaustymo metu. Praeitais metais publikuoti tyrimai parodė, kad dirbant su aliuminio detalėmis, storesnėmis nei 3 mm, nuostoliai be tinkamų nustatymų gali siekti net 30 %. Dėl to protingi gamintojai pradėjo naudoti impulsinius lazerio metodus kartu su specialiomis antirefleksinėmis dangomis, taikomomis tiesiai pjovimo galvutėms. Šios korekcijos ženkliai pagerina medžiagos gebėjimą sugerti lazerio energiją, net jei turime reikalą su tokia atkakliai atspindinčia medžiaga kaip aliuminis.

Medžiagos storio vaidmuo proceso stabilumui ir energijos efektyvumui

Medžiagos storis daro didelį skirtumą, kai reikia valdyti šilumą, apskaičiuoti reikiamą energijos kiekį ir užtikrinti viso pjovimo proceso stabilumą. Plonoms plokštėms, kurios yra storesnės nei 3 milimetrai, pradėti pjauti reikia apie 15–20 procentų daugiau galios, nes šiluma per jas greitai plinta. Kita vertus, storesnėms plokštėms, viršijančioms 10 mm, kyla taip vadinamosios plazmos skydavimo problemos. Pagrindinis dalykas yra tas, kad išlydytos medžiagos linkę vėl sustirti, dar nepasiekus viso pjūvio gylis, dėl ko sunaudojama daug daugiau energijos, nei tikimasi. Paimkime aliuminį kaip pavyzdį: pagal pramonės standartus, 12 mm storio detalių pjovimas veikia maždaug pusę neefektyviau nei 6 mm lakštų pjovimas. Žemiau pateiktoje diagramoje galite aiškiau pamatyti šiuos skirtumus įvairiems medžiagų storiams ir atitinkamoms eksploatacinių sąlygoms.

Bendri defektai Aliuminio lazerinis pjaustymas ir kaip jie susiję su lakšto storiu

Defektų atsiradimas labai priklauso nuo medžiagos storio. Tirpalams, kurių storis nuo 1 iki 3 mm, apie viena šeštoji pramonės taikymo sričių susiduria su lenkimusi dėl to, kad šiluma paviršiuje plinta nevienodai. Storesniems 8 mm ar storesniams lakštams gamintojai dažnai susiduria su šiurkščiais kraštais ir liekanomis (dross), nes lydymosi metu įvykstant apdirbimui, įkaitęs metalas visiškai neišbėga. 6–10 mm matmenų lakštai susiduria su visiškai kita problema. Jie turi apie 40 % daugiau oksidacijos problemų nei kitų dydžių lakštai tiesiog todėl, kad ilgiau lieka sąlytyje su pagalbinėmis dujomis, ypač kai naudojamas deguonis. Tačiau yra gera naujiena plonesnėms medžiagoms, kurios yra storesnės nei 5 mm. Detaliai sureguliavus proceso parametrus ir konkrečiai naudojant azoto dujas slėgiu, viršijančiu 15 bar, įmonės gali žymiai sumažinti dross susidarymą – kartais net iki trijų ketvirčių mažiau, palyginti su standartinėmis metodikomis.

Skaidmeninis lazeris vs. CO2 lazeris: tinkamos technologijos pasirinkimas aliuminiui

Skaidmeninių lazerių energijos sugeriamumo savybės daro juos ypač veiksmingus dirbant su aliuminio medžiagomis. Šie lazeriai paprastai veikia apie 1070 nanometrų diapazone, kurį aliuminis sugeria apie 40 procentais geriau nei senieji CO2 lazeriai, veikiantys 10,6 mikronų bangos ilgiu. Praktiškai tai reiškia, kad dėl atspindžio prarandama žymiai mažiau energijos – apie 70 % mažiau švaistomos energijos. Dėl to taip pat pasiekiamas daug didesnis apdorojimo greitis. Pavyzdžiui, pjovus 3 milimetrų storio aliuminio lakštus, skaidmeniniai lazeriai gali pasiekti apie 25 metrus per minutę, tuo tarpu tradiciniai CO2 įrenginiai panašiomis sąlygomis vargiai pasiekia net 8 metrus per minutę.

Našumo palyginimas: skaidmeninis lazeris vs. CO2 lazeris aliuminiui pagal storį

Kai skaidmenų lazeriai dominuoja plonų lakštų apdorojime dėl jų tikslumo ir efektyvumo, CO2 lazeriai vis dar užtikrina geresnį briaunos apdorojimą vidutinio storio aliuminyje (6–15 mm), palyginamose bandymuose pasiekiant iki 25 % lygesnes paviršiaus kokybes.

Kada CO2 lazeriai vis dar turi prasmės naudojant labai storiems aliuminio lakštams
Aliuminiui, kurio storis viršija 15 mm, CO2 lazeriai išlieka aktualūs, nes siūlo:

• 30 % greitesnį pradinį pervertimą esant 2,5 kW galiai
• Mažesnį lydalio purslų kiekį daugiapraėjimo operacijų metu
• Veiksmingą susiejimą su deguonies pagalbos dujomis, kad būtų pasiektas gilesnis šiluminis prasiskverbimas

Įžvalgos tiesiai iš vienos pirmaujančios Kinijos gamybos įmonės darbo aikštelės atskleidžia įdomių rezultatų. Testuojant skirtingas lazerinio pjovimo sistemas 10 mm storio aliuminio lakštams, paaiškėjo, kad 6 kW šviesolaidžio lazeris pasiekė pjovimo greitį apie 1,2 metro per minutę su gražiais, švariais stačiais kampais. Tuo tarpu senesnė 4 kW CO2 sistema iš tikrųjų pjovė greičiau – apie 1,5 metro per minutę, tačiau paliko nelygius kraštus, reikalaujančius papildomo apdorojimo po pjovimo. Storis čia turi didelės reikšmės, nes jis veikia ne tik medžiagų apdorojimo greitį, bet ir tolesnio apdailos lygio poreikius. Gamintojai turi atidžiai sverti šiuos veiksnius, renkantis tarp skirtingų lazerinių technologijų savo gamybos linijoms.

Plonų aliuminio lakštų tikslusis pjovimas: parametrai ir geriausios praktikos

Plonų aliuminio lakštų pjaunant keliamos kritinės tikslumo reikalavimai

Plonų aliuminio lakštų (<3 mm) pjaustymas reikalauja mikronų tikslumo, kad būtų išvengta deformacijos ir kraštų iškraipymo. Dėl aliuminio aukštos šilumos laidumo net menki lazerio galios svyravimai gali sukelti nevienodą lydymąsi. Netinkami nustatymai aukšto tikslumo srityse, tokiuose kaip aviacija, padidina atliekų kiekį iki 22 %.

Lazerio galios, greičio ir fokusavimo optimizavimas aliuminiui iki 3 mm

0,5–3 mm storio lakštams 1–2 kW pluoštiniai lazeriai geriausiai veikia 10–25 m/min greičiu. Mažesnė galia gresia nepilnu pjaustymu; per didelė galia pablogina pjūvio kokybę. Tyrimai rodo, kad 0,8–1,2 mm židinio nuotolis maksimaliai padidina spindulio tankį, užtikrindamas švarius ir siaurus pjūvius.

Pagalbinės dujos: azotas arba deguonis – švarūs, be išsiliejimų kraštai

Azotas yra pageidautinas baigtiems gaminiams, kuriems nereikia antrinių apdorojimų, o deguonis tinka greitam prototipavimui, kai leistinas papildomas apdorojimas.

Atvejo analizė: 1 mm aliuminio aukšto greičio apdorojimas naudojant 1 kW pluoštinį lazerį

Automobilių tiekėjas pasiekė 98 % pirmojo etapo išeigą iš 1 mm 5052 aliuminio lydinio, naudodamas 1 kW pluošto lazerį 18 m/min su azoto pagalba. Ši konfigūracija sumažino energijos suvartojimą vienam detaliui 37 %, palyginti su senesnėmis CO2 sistemomis.

Aukštos galios lazeriniai sprendimai storiems aliuminio lakštams pjauti

Techninės kliūtys, pjauti storius aliuminio lakštus virš 10 mm

Dirbant su aliuminiu, kurio storis viršija 10 mm, kyla tikrų sunkumų dėl to, kaip greitai jis laiduoja šilumą ir atspindi lazerio šviesą (daugiau nei 90 % apie 1 mikrono bangos ilgyje). Metalas linkęs greitai skleisti šilumą ir apdorojimo metu praranda daug energijos, todėl mašinos reikalauja apie 25–40 procentų didesnės galios lyginant su plieno pjaustymu. Yra ir kita problema: kai pjaustymo galvutė harmoningai vibruoja, ji gali fiziškai paslinkti lazerio spindulį ±0,05 milimetro. Tai gali neatrodyti daug, tačiau tiksliajame gamybos procese, kai svarbios tolerancijos, toks poslinkis gali visiškai sugadinti detalių kokybę. Pagal praėjusiais metais paskelbtus naujausius duomenis iš „Fabrication Tech Report“, gamintojai, dirbantys su 14 mm storio aliuminio lakštais, nustatė, kad norėdami išvengti oksidacijos problemų ir vienodai užtikrinti švarų 30 mikrometrų pjaustymo plotį visose detalėse, turi laikytis lazerio impulsų dažnio žemiau 500 hercų.

Lazerio vato derinimas prie aliuminio storio optimaliam prasiskverbimui

Praktiniai duomenys rodo beveik tiesinį ryšį tarp storio ir reikiamo lazerio galingumo:

Šios vertės atsižvelgia į aliuminio savybę nukreipti 30–40 % CO2 lazerio energijos, palyginti su tik 10–15 % pluošdiniuose sistemose. Šiuolaikinės spindulio formavimo technologijos dabar leidžia 8 kW pluošdiniams lazeriams pasiekti 93 % sugerties 15 mm plokštėse – tai 23 % pagerinimas lyginant su ankstesniais modeliais.

Pjovimo kokybės palaikymas mažesniu greičiu pjoviant storus lazerio pjūvius

Kai veikia žemiau nei 1 metro per minutę greičiu, lydymo metalo išliekama vienoje vietoje laikas padidėja nuo 50 % iki 70 %. Šis pailgintas išliekamasis laikas apdorojimo metu daro drosos susidarymą žymiai tikėtinesniu. Laimei, dinamiškai reguliuojant lazerio fokusą ±2 mm lange ir taikant azoto slėgį tarp 18 ir 22 barų, galima kontroliuoti paviršiaus apdorojimą, paprastai išlaikant šiurkštumo matavimus apie 30 mikronų Ra arba geresnius. Tai patvirtina ir pramonės tyrimai. Naujausias medžiagų apdorojimo tyrimas parodė, kaip 4 kW galingumo impulsiniai pluoštiniai lazeriai geba pjauti 12 mm storio 6061-T6 aliuminį 1,5 metro per minutę greičiu. Įspūdingiausia yra tai, kad tokie pjaunant likę perlitiniai sluoksniai buvo tik apie 15 mikronų storio, kas iš tiesų atitinka griežtus reikalavimus, keliamus dalių naudojimui lėktuvų gamyboje.

Vieno pėdsako ir kelių pėdsakų technikos: efektyvumo ir kokybės kompromisai

Kai kalbama apie 15 mm lakštų pjaustymą, vieno pjūvio technikos gali pasiekti apie 95 % medžiagos efektyvumą, tačiau tam reikia gana galingų lazerių – bent 12 kW arba daugiau, kad išlaikyti tiesumą ribose 0,1 mm vienam metrui. Alternatyvus metodas naudoja daugiapjūvį būdą su 6 kW įranga, kuris iš tikrųjų suteikia geresnius kraštų kampus – nukrypimą mažesnį nei pusė laipsnio, – tačiau tai kainuoja brangiau, nes dujų sunaudojimas padidėja apie 40 %. Remiantis naujausiais pramonės duomenimis iš 2023 m. „Industrial Laser Review“, stebima kažkas įdomaus ir storesnėms medžiagoms. Tiems, kurie dirba su 18 mm plokštėmis, dvigubas pjovimas esant apie 0,7 metrų per minutę leidžia užbaigti darbus 37 % greičiau, lyginant su standartiniais vieno pjūvio metodais, veikiančiais 0,5 m/min greičiu, vis dar išlaikant svarbiausią ±0,1 mm tikslumo lygį, reikalaujamą daugumai taikymų.

Adaptyvi mašinų konfigūracija sklandiems pereinamiesiems tarp aliuminio storio

Dabartinės lazerinio pjaustymo mašinos gali dirbti su visais aliuminio storio tipais dėka jų protingų automatizacijos funkcijų. Sistemos atsimena specialius nustatymus kiekvienam medžiagos storiui. Paimkime 1 kW švarpos lazerį kaip pavyzdį – jis veikia apie 70 % galios, judėdamas 12 metrų per minutę, pjaudamas ploną 1 mm lakštą, tačiau padidina galia iki apie 95 % ir sulėtėja iki 3 metrų per minutę storesniems 10 mm plokštėms. Šie automatiniai pakeitimai žymiai palengvina diegimą. Pagal 2023 m. paskelbtą tyrimą „Lazerinio apdorojimo efektyvumo analizė“, tokia automatizacija sumažina diegimo klaidas maždaug 82 %, palyginti su atveju, kai operatoriai viską derina rankiniu būdu.

Dinaminis židinio valdymas užtikrina spindulio tikslumą, reguliuodamas židinio padėtį ±0,05 mm ribose, kad kompensuotų išlinkusias arba nelygias medžiagas. Antgalio aukščio aktuatoriai palaiko nuolatinį 0,8–1,2 mm atstumą, kuris yra būtinas perėjant nuo veidrodinio blizgesio folijų prie reljefinių storų plokščių.

Šie integruoti sprendimai radikaliai sumažina prastovas. Ten, kur anksčiau rankinis įrankių keitimas ir dujų pakeitimas užtrukdavo 15–25 minutes, šiuolaikiniai įrenginiai visus pereinamąsias operacijas atlieka per mažiau nei 90 sekundžių. Dėl to mišrių storio gamybos ciklai tampa ekonomiškai našūs, o gamintojai praneša apie 37 % didesnį našumą mažų partijų užsakymams.

DUK

Kodėl aliuminį sunku pjauti lazeriu?

Aluminiumį sunku pjauti lazeriu dėl jo aukštos šiluminės laidumo ir atspindžio savybių, dėl kurių didžioji dalis lazerio energijos atsispindi, o ne sugeria.

Koks lazerio tipas tinkamesnis plonų aliuminio lakštų pjaustymui?

Plonų aliuminio lakštų pjaustymui tinkamesni skaiduliniai lazeriai, nes jie efektyviau sugeria energiją ir siūlo greitesnius apdorojimo greičius lyginant su CO2 lazeriais.

Kaip medžiagos storis veikia aliuminio pjaustymą lazeriu?

Medžiagos storis žymiai veikia aliuminio lazerinį pjaustymą. Plonesnėms lakštams reikia daugiau galios dėl greito šilumos plitimo, o storesniems gali kilti plazmos skydavimo problemų, todėl reikia daugiau energijos pjovimui užbaigti.

Koks pagalbinis dujų tipas yra pageidautinas aliuminio lazeriniam pjaustymui?

Azotas yra pageidautinas, kad būtų išvengta oksidacijos kraštuose apdirbtuose detalių paviršiuose, o deguonis leidžia greitesnį pjaustymą, tačiau reikalauja valymo po pjaustymo.

Ar automatizacija ir dinaminis židinio valdymas naudingi aliuminiui lazeriu pjaustyti?

Taip, automatizacija ir dinaminis židinio valdymas žymiai padidina tikslumą, sumažina paruošimo laiką ir klaidas keičiant įvairius aliuminio storius.