Taglio di lastre di acciaio dolce di spessore 50 mm con un laser Nd: YAG

Astratto

Riportiamo i risultati di esperimenti che studiano la fattibilità del taglio di lastre di acciaio dolce spesso (> 15 mm) con un laser Nd: YAG accoppiato a fibra. Gli esperimenti sono stati condotti con un laser Nd: YAG a onda continua da 2,5 kW erogato al pezzo attraverso una fibra ottica con silice da 0,6 mm di diametro. I campioni di acciaio dolce hanno uno spessore compreso tra 10 e 50 mm. Vengono presentati e discussi gli effetti di una serie di parametri operativi come il punto focale e la posizione dell'ugello di taglio rispetto alla superficie dell'acciaio, la pressione del gas, la potenza e la velocità del processo, sulla qualità della superficie di taglio. I risultati fino ad oggi mostrano che è possibile tagliare lastre di acciaio dolce fino a 50 mm di spessore a velocità fino a 200 mm / min con una potenza laser Nd: YAG di soli 500 W. La superficie del taglio è liscia e non ci sono scorie. Questi risultati mostrano risultati promettenti per l'applicazione della tecnologia laser Nd: YAG per il taglio di lastre di acciaio spesso.

1. Introduzione

Il taglio laser rappresenta circa un quarto dell'industria di lavorazione dei materiali laser [1]. In oltre 30 anni da quando è stato prodotto il primo taglio laser assistito da gas [2], poco è cambiato nel metodo di taglio laser. Per il taglio di acciai delicati, un raggio laser è focalizzato sulla superficie del pezzo o in prossimità di esso e circondato da un flusso coassiale più ampio di gas di assistenza all'ossigeno. In genere, le potenze laser fino a 3 kW vengono utilizzate per tagliare acciai delicati con uno spessore di 12-15 mm con piastre più spesse tagliate principalmente con sistemi al plasma o ossitaglio. Sebbene sia possibile tagliare i metalli con il laser CO2 fino a 40 mm di spessore, si registra un calo significativo della qualità e della riproducibilità del taglio [3].

Una soluzione per tagliare lastre di acciaio dolce più spesso è aumentare la potenza del laser. Mentre ci sono una serie di vantaggi in questo approccio, ci sono anche sfide significative. A potenze più elevate (3,5 kW e superiori) la qualità del raggio diventa instabile, la durata dei componenti ottici è ridotta, i costi di attrezzature e di funzionamento sono elevati e la precisione di taglio si deteriora. È stato dimostrato in [4] che per una data qualità di finitura superficiale, sebbene lo spessore del taglio rimanga approssimativamente costante, la velocità di taglio non si riduce proporzionalmente ad essa, indicando una riduzione dell'efficienza di taglio all'aumentare dello spessore del materiale. La riduzione dell'efficienza di taglio man mano che il materiale diventa più spesso è attribuita a una riduzione della capacità del gas di assistenza di tagliare il materiale fuso. Con il taglio di materiali più spessi la pressione deve aumentare per consentire la rimozione di materiale fuso. Tuttavia, quando si utilizza il gas di assistenza all'ossigeno, la natura esotermica della reazione significa che la pressione dell'ossigeno deve essere ridotta con l'aumentare dello spessore per evitare che si verifichi una reazione eccessiva all'interno del kerf. Uno stretto controllo della pressione dell'ossigeno è essenziale per prevenire la combustione incontrollata lontano dall'area riscaldata. Ciò rappresenta una contraddizione nei requisiti per il taglio efficace di acciaio dolce spesso. Limita lo spessore di taglio massimo, nonostante la capacità di estendere le prestazioni di taglio aumentando la potenza del laser. Per superare questa limitazione ed estendere la capacità di spessore del taglio a fusione reattiva, sono necessari metodi alternativi e nuovi.

Numerose tecniche sono state sviluppate per superare la riduzione delle prestazioni di taglio all'aumentare dello spessore dell'acciaio dolce. Sono inclusi: taglio laser a fiamma [5], lenti a doppio fuoco [6], taglio del raggio con ottica adattiva [7], taglio laser con un ugello coassiale (anulare) [8], taglio laser CO2 a doppio raggio [ 9], raggio laser rotante [13, 14] e taglio laser dell'ossigeno assistito (Lasox ©) [10 - 12].

Abbiamo riferito in precedenza [14] di tagliare lastre di acciaio dolce più spesso usando il raggio laser Nd: YAG rotante. Qui sono riportati i risultati del taglio di lastre di acciaio dolce spesso (> 15 mm) utilizzando un laser Nd: YAG fornito da fibre oscillando il raggio laser (un metodo analogo alla rotazione del raggio) e con il metodo del taglio laser dominato dall'ossigeno come quello del taglio Lasox [10, 11, 12]. Le prove di taglio laser Nd: YAG dominate dall'ossigeno sono state condotte usando pressioni di gas inizialmente basse e poi alte di ossigeno.

2. Traballare il raggio laser

2.1 Dettagli sperimentali

Traballare il raggio laser è stato prodotto dalla rotazione parziale (oscillazione) di una finestra ottica attraverso un angolo, come mostrato nella Figura 1 (a). Ciò ha comportato un offset massimo del punto focale di 0,45 mm ad una frequenza massima di 20 Hz. Una traccia risultante, qui con una lunghezza d'onda esagerata per mostrare il movimento oscillatorio, è mostrata nella Figura 1 (b). È stato possibile variare l'ampiezza dell'oscillazione della finestra per effettuare cambiamenti nella larghezza del kerf al fine di studiare l'effetto di allargare il kerf sul processo di taglio.

2.2 Taglio di acciai mediante approccio laser dominato dall'ossigeno

Il metodo di taglio laser dominato dall'ossigeno è stato implementato su piastre in acciaio dolce AS3678 di spessore da 16 a 50 mm. Le pressioni del gas di assistenza all'ossigeno sono state mantenute a meno di 120 kPa (taglio dell'ossigeno a bassa pressione –LoPOx) o ad alte pressioni (taglio dell'ossigeno ad alta pressione - HiPOx). I risultati del taglio sono stati registrati in funzione della qualità del taglio (striatura del taglio, forma del taglio, scorie eccessive) e della velocità di taglio.

3. Risultati

3.1 Oscillazione del raggio laser.

Oscillando la trave sul pezzo in lavorazione lo spessore di taglio massimo è stato aumentato da 12 mm, incontrato con il taglio convenzionale, a 16 mm. Un grafico della massima velocità di taglio per vari spessori e potenze laser, mostrato in Figura 2, indica che sebbene lo spessore di taglio sia stato migliorato con il raggio traballante, la velocità di taglio è simile a quella del taglio convenzionale (CW), ciò indica che il taglio il processo che si verifica all'interno del kerf rimane invariato durante il taglio del fascio di oscillazione. Simili velocità di taglio sono state raggiunte anche con il raggio rotante [14].

L'aumento dello spessore di taglio può essere attribuito alla maggiore larghezza del taglio. Ciò è dimostrato variando l'ampiezza dell'oscillazione come mostrato nella Figura 3. Qui, poiché l'ampiezza dell'oscillazione viene ridotta sequenzialmente da un'ampiezza massima di 0,45 mm a zero, la larghezza del taglio viene ridotta, corrispondente a una riduzione della capacità di compensazione lo scioglimento. Ciò dimostra chiaramente la necessità di avere un'adeguata larghezza del kerf per consentire la pulizia delle scorie. Questo punto di vista è espresso anche da altri [12], dove si suggerisce che sia la fluidodinamica che la termodinamica siano vincolate da stretti kerf.

3.2 Taglio di acciai mediante approccio laser dominato dall'ossigeno

3.2.1 Taglio a bassa pressione con ossigeno in pressione - LoPOx

Il processo di taglio LoPOx utilizza lo stesso raggio laser di diametro maggiore e un getto di ossigeno imponente stretto nella parte superiore del pezzo visto nel processo Lasox, tuttavia con pressioni del gas di assistenza inferiori a 120 kPa. Le superfici di taglio mostrate in Figura 4 usando il processo LoPOx dimostrano che le potenze laser a basso incidente non ostacolano il taglio laser fintanto che è possibile effettuare l'avvio primario e continuo del taglio. Infatti, all'aumentare della velocità di taglio, la potenza del laser incidente può contribuire con troppa energia e quindi causare striature eccessive. Ciò è dimostrato nella figura osservando la velocità di taglio di 450 mm / min, in cui una potenza laser incidente di 533 W ha generato una superficie migliore rispetto a quella raggiunta a 1420

W. Qui, la velocità della reazione esotermica è determinata dalla velocità di taglio. La potenza del laser incidente è richiesta solo per riscaldare la superficie superiore a più di 1000 ° C [11] e iniziare il processo di fusione reattiva. L'eccessiva potenza del laser incidente riduce la qualità del taglio. Ciò dimostra che i problemi di interazione ossigeno - ferro, non della potenza del laser incidente, ora governano principalmente la qualità del taglio. Quindi questo è un processo di taglio laser dominato dall'ossigeno.

Nella Figura 4, poiché la potenza viene ridotta per ogni velocità di taglio, le prime indicazioni della minima potenza di incidente sono il cattivo inizio del taglio, come si vede all'estremità destra. Ciò dimostra che i requisiti di alimentazione all'avvio del taglio sono superiori a quelli del processo di taglio in corso e la potenza richiesta per stabilire rapidamente un processo di taglio costante e non la potenza per il processo in corso sono i criteri essenziali.

Quando si taglia LoPOx utilizzando un diametro dell'ugello coassiale più piccolo per lo stesso materiale di spessore, si ottengono le stesse velocità di taglio ma con una larghezza del taglio più stretta e di conseguenza una riduzione del flusso di ossigeno. Tuttavia, non è stato possibile ottenere tagli di alta qualità alle potenze laser inferiori con il diametro dell'ugello maggiore utilizzato nella Figura 4. Ciò nonostante un punto laser più intenso a causa del passaggio attraverso un ugello di diametro inferiore. Ciò dimostra che il requisito di un kerf sufficientemente ampio da consentire la pulizia delle scorie vale ugualmente per il processo di taglio dominato dall'ossigeno.

I lati del taglio sono più rastremati rispetto a quelli riscontrati nel taglio convenzionale (laser dominato). La natura dominata dall'ossigeno del processo di taglio significa che il taglio è influenzato dalla forma dell'imponente getto di ossigeno con la parte superiore del taglio avente la stessa larghezza dell'ugello coassiale utilizzato.

La distanza tra ugello e pezzo è stata variata con i risultati tipici di questa variazione mostrata nella Figura 5. Per vari diametri di ugello, la qualità del taglio è stata ridotta in modo significativo con spazi maggiori del 25% del diametro dell'ugello. L'aumento del gioco degli ugelli - pezzo esposto più del flusso dall'ugello ai gas atmosferici ambiente prima di entrare nel fusto [8]. La modifica del gioco è stata effettuata senza corrispondenti variazioni del diametro del punto laser con risultati simili. Ciò dimostra ulteriormente che i cambiamenti per aiutare il gas e non l'intensità della potenza del laser incidente sono stati il ​​fattore che influenza la qualità del taglio laser nell'intervallo testato. La Figura 5 mostra anche l'effetto di un gioco troppo piccolo (0,1 mm) in cui il raggio convergente non sta ancora superando il diametro del getto di gas, pertanto non consente il funzionamento del processo di taglio laser dominato dall'ossigeno.

È stato ottenuto uno spessore di taglio massimo di 32 mm utilizzando il taglio NPO: YAG LoPOx. Il taglio oltre questi spessori con i diametri degli ugelli utilizzati ha causato la formazione di scorie eccessive all'interno del taglio e una perdita di perpendicolarità del taglio. Ciò dimostra ulteriormente la relazione tra la larghezza del taglio e lo spessore del taglio quando vengono utilizzate basse pressioni di taglio (convenzionali).

3.2.2 Taglio laser ad ossigeno ad alta pressione Nd: YAG - HiPOx

Utilizzando una pressione di alimentazione molto più elevata e ugelli di diametro inferiore, è stato possibile tagliare acciai più spessi di quelli precedentemente ottenuti con il processo LoPOx. È stato dimostrato che la capacità di taglio è compresa tra 32 e 50 mm di spessore con piastra in acciaio AS 3679. Le velocità di taglio tipiche rispetto allo spessore del materiale e alla potenza del laser sono mostrate in Figura

6. La figura mostra una continuazione dei processi di taglio dalla regione di bassa pressione utilizzata per materiali più sottili.

L'effetto dell'utilizzo di elevate pressioni di mandata significa che il flusso del gas è complesso e può dare luogo a shock interni. La prova dell'interazione delle strutture d'urto durante il taglio può essere vista come \"creste \" o segni minori nella superficie del taglio e vista come linee perpendicolari alla stria. Inoltre, lo spostamento di queste creste con gioco ugello-pezzo risulta dal rinforzo o dall'annullamento degli shock interni del gas ausiliario e dallo shock caratteristico che appare all'inizio del solco sotto forma di una\"X\" [15]. Il lavoro [16, 17] indica anche un'interazione complessa e talvolta oscillatoria di shock con le pareti del kerf. La prova della natura oscillatoria del taglio sta nel costante\"ronzio\" che può essere ascoltato in alcune condizioni di taglio.

Utilizzando un ugello coassiale di 1,5 mm di diametro, la capacità di taglio è risultata soddisfacente per la piastra da 32 e 40 mm, con risultati del taglio della piastra da 40 mm mostrati nella Figura 7. Il gioco ugello-pezzo è stato significativamente aumentato con le alte pressioni del gas di assistenza e il la forma del kerf era molto meno affusolata rispetto a quella osservata in LoPOx a causa del flusso di gas ad alta velocità meno divergente. Tali kerf sono visibili nella Figura 8.

Il taglio del profilo con la fibra fornita Nd: YAG La tecnica LoPOx è possibile con gli esempi mostrati nella Figura 9. Qui aumenti di temperatura all'interno degli angoli comportano un aumento della rastremazione in questi punti. Questo è visto sul taglio circolare della Figura 9 (a) e sul sottosquadro degli angoli nella Figura 9 (b). La sottoquotazione di spigoli vivi è meglio superata dall'uso di velocità di taglio ridotte, come mostrato in figura.

Anche il taglio ad ossigeno ad alta pressione con il laser Nd: YAG come quello usato con CO2 [12] si dimostra eccellente per la perforazione con meno di un secondo necessario per perforare la piastra AS3679 da 32 mm. La rimozione delle scorie espulse verso l'alto rimane un problema, con la sua presenza sulla superficie della placca nel percorso di taglio dannosa per la qualità di taglio

4. Discussione

Nonostante i nuovi processi di taglio laser e l'aumento dello spessore di taglio, il processo di taglio stesso rimane invariato. Ciò è dimostrato dalla riduzione della velocità di taglio con spessore di taglio e somiglianza nella velocità di taglio per tagli convenzionali, trave rotanti e travi oscillanti. Di conseguenza, nonostante i cambiamenti di approccio, permangono i fattori fondamentali che regolano il taglio della lamiera d'acciaio spessa mediante fusione reattiva, come le perdite alla conduzione e la limitazione della rimozione del flusso di fusione a causa della viscosità e della tensione superficiale.

Le larghezze di kerf più grandi e variabili prodotte dall'oscillazione del raggio, nonché le varie larghezze di kerf generate utilizzando il taglio laser a dominanza di ossigeno con il laser Nd: YAG dimostrano la necessità di kerf adeguatamente ampi con l'aumentare dello spessore di taglio. Tuttavia a spessori moderati (~ 32 mm) aumentando il taglio oltre quello prodotto dal più grande ugello LoPOx, diventa impraticabile poiché il consumo di ossigeno diventa proibitivo. A tal fine, l'uso di HiPOx si presenta da solo. L'uso di un flusso di gas assistito ad alta pressione e di conseguenza ad alta velocità consente all'ossigeno di essere meno combinato con i gas atmosferici e quindi di essere più facilmente disponibile per la fusione reattiva. Inoltre fornisce forze di taglio significativamente maggiori sulla faccia di fusione per superare la resistenza al suo gioco dal taglio. Una caratteristica aggiuntiva del processo HiPOx sono le grandi distanze tra ugello e pezzo ottenute. Ciò garantisce l'affidabilità degli ugelli ad alta pressione.

I tagli dominati dall'ossigeno si basano solo sulla potenza del laser incidente per iniziare e sostenere il taglio. I risultati mostrano che questi poteri sono molto inferiori a quelli richiesti per un taglio convenzionale equivalente. Tuttavia, sono necessari poteri più elevati per l'avvio di un taglio costante rispetto a quelli necessari per il mantenimento del processo di taglio complessivo. Di conseguenza, una potenza maggiore potrebbe essere utilizzata all'inizio del taglio solo per massimizzare l'efficienza energetica.

È stato dimostrato che il taglio del profilo è possibile con l'inconveniente di tagliare la parte interna degli angoli di taglio. Ciò può essere superato mediante un'adeguata programmazione della velocità di taglio in queste posizioni. Il piercing di una piastra spessa è dimostrato fattibile, ma ci sono problemi di scorie espulse verso l'alto che interferiscono in seguito con l'erogazione del gas di assistenza durante il successivo taglio. Ciò potrebbe essere gestito dalla presenza di un getto d'aria anulare rivolto verso l'esterno che circonda l'ugello o dalla pulizia dell'operatore mediante un comando di attesa CNC dopo che è stato inizialmente eseguito tutto il piercing.

5. Conclusioni

L'uso del taglio laser dominato dall'ossigeno insieme all'utilizzo di kerf con taglio più largo dimostra la fattibilità dell'utilizzo del laser Nd: YAG a fibra moderatamente alimentata per tagliare spesse lastre di acciaio dolce. Questo può essere fatto utilizzando l'erogazione a bassa pressione per lamiere di acciaio dolce fino a 32 mm di spessore. L'erogazione di gas ad alta pressione ha dimostrato che spessori di taglio fino a 50 mm sono facilmente raggiungibili insieme alla capacità di perforare rapidamente il materiale. Sono in corso problemi di qualità del taglio associati a artefatti da shock e anche problemi relativi alla sottoquotazione degli angoli che richiedono un'attenta programmazione CNC. Per forare con successo è necessario rimuovere successivamente le scorie espulse verso l'alto dal percorso di taglio per garantire il mantenimento della qualità di taglio del pezzo sottostante.

6. Ringraziamenti

Gli autori desiderano ringraziare il CRC per Intelligent Manufacturing Systems and Technologies Limited per il finanziamento del progetto Spinning Beam senza il quale la ricerca e i risultati di cui sopra non potrebbero essere riuniti.