Як лазерні різаки для алюмінію легко справляються з тонкими та товстими листами

Теплопровідність і відбивна здатність: основні перешкоди у Алюміній Лазерне різання

Поєднання високої теплопровідності алюмінію, яка становить близько 235 Вт/м·К, і його схильності відбивати приблизно 95% світла волоконного лазера створює серйозні труднощі для тих, хто намагається різати цей матеріал лазером. Більша частина лазерної енергії просто відбивається, замість того щоб поглинатися, що робить весь процес неефективним і змушує компанії інвестувати в дороге оптичне обладнання, лише для того, щоб підтримувати стабільність під час операцій різання. Деякі дослідження, опубліковані минулого року, показали втрати, що наближаються до 30%, при роботі з алюмінієвими деталями товщиною менше 3 мм, якщо параметри налаштовані неправильно. Саме тому розумні виробники почали застосовувати імпульсні лазерні технології разом із нанесенням спеціальних антирефлексних покриттів безпосередньо на свої різальні головки. Ці корективи значно покращують здатність матеріалу поглинати лазерну енергію, навіть попри те, що ми маємо справу з таким дуже відбивним матеріалом, як алюміній.

Роль товщини матеріалу в стабільності процесу та енергоефективності

Товщина матеріалу має велике значення для управління теплом, визначення необхідної кількості енергії та забезпечення стабільності всього процесу під час операцій різання. Для тонких листів товщиною менше 3 міліметрів потрібно на 15–20 відсотків більше потужності лише для початку різання, оскільки тепло дуже швидко поширюється через них. Навпаки, більш товсті плити завтовшки понад 10 мм стикаються з проблемою плазмового екранування. По суті, розплавлений матеріал має тенденцію знову затвердівати до того, як різ пройде повністю, що призводить до значно більшого споживання енергії, ніж очікувалося. Візьмемо, наприклад, алюміній: різання деталей товщиною 12 мм відбувається з приблизно удвічі нижшою ефективністю порівняно з роботою з листами товщиною 6 мм, згідно з галузевими стандартами. Дивіться діаграму нижче, щоб краще уявити ці відмінності для різних товщин матеріалів та відповідних експлуатаційних вимог.

Поширені дефекти в Алюмінієвий лазерний різ та як вони пов’язані з товщиною листа

Спосіб утворення дефектів дійсно залежить від товщини матеріалу. Коли ми розглядаємо тонкі аркуші товщиною від 1 до 3 мм, приблизно кожна шоста промислова застосовна ситуація закінчується проблемами вигинання через нерівномірне розширення тепла по поверхні. Для більш товстих плит 8 мм і більше виробники часто стикаються з грубими краями та залишками шлаку, оскільки розплавлений метал не повністю виходить під час обробки. Аркуші товщиною 6–10 мм стикаються з цілком іншим викликом. Вони схильні до окисних проблем приблизно на 40% частіше, ніж інші розміри, просто тому, що довше перебувають у контакті з допоміжними газами, особливо коли задіяний кисень. Але є й гарні новини для тонших матеріалів нижче 5 мм. Шляхом точного налаштування параметрів процесу та спеціального застосування азоту під тиском понад 15 бар підприємства можуть значно зменшити утворення шлаку — іноді аж на три чверті порівняно зі стандартними методами.

Волоконний лазер проти CO2-лазера: вибір правильних технологій для алюмінію

Властивості поглинання енергії волоконними лазерами роблять їх особливо ефективними при роботі з алюмінієвими матеріалами. Ці лазери зазвичай працюють у діапазоні 1070 нанометрів, що алюміній поглинає приблизно на 40 відсотків краще, ніж старі CO2-лазери, які працюють на 10,6 мікронах. На практиці це означає, що значно менше потужності втрачається через відбиття, зменшуючи втрати енергії приблизно на 70%. І через менші втрати енергії досягаються значно вищі швидкості обробки. Наприклад, при різанні алюмінієвих листів товщиною 3 міліметри волоконні лазери можуть досягати швидкості близько 25 метрів на хвилину, тоді як традиційні CO2-системи важко досягти навіть 8 метрів на хвилину за подібних умов.

Порівняння продуктивності: волоконний лазер проти CO2-лазера для алюмінію за товщиною

Хоча волоконні лазери домінують у застосунках для тонких аркушів завдяки своїй точності та ефективності, лазери СО2 все ще забезпечують кращу обробку краю на середніх за товщиною алюмінієвих сплавах (6–15 мм), досягаючи на 25% більш гладких поверхонь у порівняльних тестах.

Коли лазери СО2 ще мають сенс для дуже товстих алюмінієвих плит
Для алюмінію товще 15 мм лазери СО2 залишаються актуальними, оскільки пропонують:

• на 30% швидше первинне просвердлення на рівні потужності 2,5 кВт
• Зменшення розбризкування розплавленого матеріалу під час багатопрохідних операцій
• Ефективне зв'язування з киснем як допоміжним газом для глибшого теплового проникнення

Дані безпосередньо з виробничих потужностей провідної виробничої компанії в Китаї демонструють цікаві результати. Під час тестування різних лазерних систем на алюмінієвих листах товщиною 10 мм було виявлено, що волоконний лазер потужністю 6 кВт забезпечує швидкість різання близько 1,2 метра на хвилину з чистими й рівними кутами зрізу. У той же час старіша CO₂-система потужністю 4 кВт працювала швидше — приблизно 1,5 метра на хвилину, але залишала грубі краї, які потребували додаткової обробки після різання. Товщина матеріалу має велике значення, оскільки впливає не лише на швидкість обробки матеріалів, але й на тип подальшої оздоблювальної обробки. Виробникам необхідно ретельно зважувати ці фактори при виборі між різними лазерними технологіями для своїх виробничих ліній.

Точне різання тонких алюмінієвих листів: параметри та найкращі практики

Критичні вимоги до точності при різанні тонких алюмінієвих листів

Різання тонкого алюмінію (<3 мм) вимагає точності на рівні мікронів, щоб уникнути деформації та вигину країв. Через високу теплопровідність алюмінію навіть незначні коливання потужності лазера можуть призводити до неоднорідного плавлення. Неправильні налаштування збільшують кількість браку до 22% у галузях із високими допусками, таких як авіаційно-космічна промисловість.

Оптимізація потужності лазера, швидкості та фокусування для алюмінію товщиною менше 3 мм

Для листів товщиною 0,5–3 мм найкращі результати дають волоконні лазери потужністю 1–2 кВт на швидкостях від 10 до 25 м/хв. Занадто низька потужність загрожує неповним розрізанням; надмірна потужність погіршує якість краю. Дослідження показують, що фокусна відстань 0,8–1,2 мм оптимізує щільність променя для чистих і вузьких розрізів.

Вибір допоміжного газу: азот проти кисню для чистих країв без залишків

Азот використовують для готових деталей, які не потребують додаткової обробки, тоді як кисень підходить для швидкого прототипування, де подальша обробка прийнятна.

Практичний приклад: високошвидкісна обробка алюмінію товщиною 1 мм за допомогою волоконного лазера потужністю 1 кВт

Автомобільний постачальник досягнув 98% виходу придатної продукції з першого разу на алюмінієвому сплаві 5052 товщиною 1 мм, використовуючи волоконний лазер потужністю 1 кВт зі швидкістю 18 м/хв та азотним охолодженням. Ця конфігурація зменшила енергоспоживання на один виріб на 37% порівняно з попередніми системами CO2.

Рішення з високопотужних лазерів для різання товстих алюмінієвих плит

Технічні виклики при різанні товстих аркушів алюмінію понад 10 мм

Робота з алюмінієм товщиною понад 10 мм створює реальні труднощі через його високу теплопровідність і відбиття лазерного світла (понад 90% на довжині хвилі близько 1 мікрометра). Метал швидко розсіює тепло, втрачаючи значну кількість енергії під час обробки, що означає необхідність використання приблизно на 25–40 відсотків більшої потужності устаткування порівняно з різанням сталі. Існує ще одна проблема: коли різальна головка вібрує гармонійно, це може змістити лазерний промінь на плюс-мінус 0,05 міліметра. Це може здатися незначним, але в точному виробництві, де важливі допуски, таке відхилення може повністю зіпсувати деталі. Згідно з останніми даними звіту Fabrication Tech Report минулого року, виробники, які працюють з алюмінієвими листами товщиною 14 мм, виявили, що мають підтримувати частоту лазерних імпульсів нижче 500 герц, щоб уникнути окиснення та одночасно забезпечити чисту ширину різання 30 мікрометрів на всіх деталях.

Підбір потужності лазера в залежності від товщини алюмінію для оптимального проникнення

Промислові дані показують майже лінійну залежність між товщиною матеріалу та необхідною потужністю лазера:

Ці значення враховують схильність алюмінію відбивати 30-40% енергії CO2-лазера порівняно з лише 10-15% у волоконних системах. Досягнення у формуванні променя тепер дозволяють 8кВт волоконним лазерам досягати поглинання на рівні 93% у плитах товщиною 15 мм — це покращення на 23% порівняно з попередніми моделями.

Збереження якості різання на нижчих швидкостях при лазерному розрізанні товстих перерізів

Під час роботи зі швидкістю нижче 1 метра на хвилину час перебування розплавленого металу в одному місці збільшується на 50–70%. Цей подовжений час витримки значно підвищує ймовірність утворення шлаку під час обробки. На щастя, динамічне регулювання фокуса лазера в межах ±2 мм разом із застосуванням тиску азоту від 18 до 22 бар дозволяє контролювати якість поверхні, зазвичай забезпечуючи шорсткість поверхні близько 30 мкм Ra або краще. Це підтверджують і промислові випробування. Останнє дослідження обробки матеріалів показало, що імпульсні волоконні лазери потужністю 4 кВт можуть різати алюміній 6061-T6 товщиною 12 мм зі швидкістю 1,5 метра на хвилину. Вражає те, що такий розріз залишає шар переутвореного матеріалу товщиною лише близько 15 мкм, що відповідає суворим вимогам, необхідним для деталей, які використовуються в авіаційному виробництві.

Однопрохідні та багатопрохідні методи: компроміси між ефективністю та якістю

Щодо різання листів товщиною 15 мм, методи одинарного проходу можуть досягати приблизно 95% ефективності використання матеріалу, хоча для цього потрібні досить потужні лазери — щонайменше 12 кВт, щоб утримувати показник у межах жорсткого допуску 0,1 мм на метр. Альтернативний підхід передбачає багатопрохідні методи з використанням обладнання потужністю 6 кВт, що фактично забезпечує кращі кути зрізу — відхилення менше ніж на пів градуса, — але це коштує дорожче, оскільки споживання газу зростає приблизно на 40%. Згідно з останніми даними галузі зі «Щорічника промислових лазерів 2023 року», цікаві тенденції спостерігаються також і для більш товстих матеріалів. Для тих, хто працює з плитами товщиною 18 мм, використання двопрохідного різання зі швидкістю близько 0,7 метра на хвилину дозволяє завершувати роботи на 37% швидше порівняно зі стандартними методами одинарного проходу, які працюють на швидкості 0,5 м/хв, і при цьому все ще досягається необхідна точність ±0,1 мм, яка потрібна для більшості застосувань.

Адаптивне налаштування обладнання для безперервних переходів між різною товщиною алюмінію

Сучасні лазерні верстати для різання можуть працювати з усіма видами товщин алюмінію завдяки інтелектуальним функціям автоматизації. Системи запам'ятовують спеціальні налаштування для кожної товщини матеріалу. Візьмемо, наприклад, волоконний лазер потужністю 1 кВт: при різанні тонких листів товщиною 1 мм він працює з потужністю близько 70% зі швидкістю 12 метрів на хвилину, але збільшує потужність до приблизно 95% і уповільнюється до 3 метрів на хвилину для товстіших плит товщиною 10 мм. Такі автоматичні зміни значно спрощують процес налаштування. Згідно з дослідженням «Ефективність лазерної обробки», опублікованим у 2023 році, така автоматизація скорочує кількість помилок під час налаштування приблизно на 82% у порівнянні з тим, коли оператори виконують усі налаштування вручну.

Динамічне керування фокусом забезпечує точність променя шляхом регулювання фокусної позиції в межах ±0,05 мм, щоб враховувати деформовані або нерівні матеріали. Актуатори висоти сопла підтримують постійну відстань 0,8–1,2 мм, що є особливо важливим під час переходу між дзеркальними фольгами та текстурованими товстими плитами.

Ці інтегровані системи значно зменшують час простою. Тоді як раніше заміна інструментів та газу вручну займає 15-25 хвилин, сучасні верстати виконують повний перехід за менше ніж 90 секунд. Як наслідок, виробництво матеріалів різної товщини стає економічно вигідним, а виробники повідомляють про зростання продуктивності на 37% для партій малої кількості.

ЧаП

Чому важко різати алюміній лазером?

Алюміній важко різати лазером через його високу теплопровідність і відбивну здатність, через що більша частина лазерної енергії відбивається, а не поглинається.

Який тип лазера краще підходить для різання тонких аркушів алюмінію?

Для різання тонких аркушів алюмінію краще підходять волоконні лазери, оскільки вони ефективніше поглинають енергію та забезпечують вищу швидкість обробки порівняно з CO2-лазерами.

Як товщина матеріалу впливає на лазерне різання алюмінію?

Товщина матеріалу значно впливає на лазерне різання алюмінію. Тонші листи вимагають більшої потужності через швидке розповсюдження тепла, тоді як товстіші листи можуть мати проблеми з екрануванням плазмою, що вимагає більше енергії для завершення різання.

Який допоміжний газ вважається найкращим для лазерного різання алюмінію?

Азот використовують для отримання країв без окислення у готових деталях, тоді як кисень дозволяє швидше різати, але вимагає очищення після різання.

Чи корисна автоматизація та динамічний контроль фокусу при лазерному різанні алюмінію?

Так, автоматизація та динамічний контроль фокусу значно підвищують точність і скорочують час на налагодження та кількість помилок під час переходу між різними товщинами алюмінію.