Metallide laserlõikamine toimub tavaliselt nelja etapi kaudu, mis muutub üsna põnevaks, kui seda edasi analüüsida. Kogu protsess algab laserresonaatoriga, mis tekitab võimas kiire, mida seejärel tugevdakse kas CO2 gaasi segu või spetsiaalsete kiuloptiliste kaablite kaudu. Järgnevalt toimub midagi üsna imetlusväärset. Super täpsete läätsede abil kontsentreeritakse see kiir alla inimese juukse paksuseks, umbes 0,1 mm läbimõõduga. Selliste intensiivsusnäitajate juures ulatub võimsustihedus üle 10 miljoni vatti ruutsentimeetri kohta, mis on piisav, et sulatada süsinikteras vähem kui poole millisekundi jooksul, vastavalt hiljutisele uuringule ajakirjas Journal of Manufacturing Processes. Töö lõpuleviimiseks puhutakse sulatunud metall ära abigasid nagu hapnik või lämmastik, võimaldades väga kitsamaid lõike. Tegemist on lõikeribadega, mis võivad olla kuni 0,15 mm isegi 3 mm paksustes roostevabates teraslehtedes.
Viis tuumisüsteemi töötavad täpsuse ja tõhususe tagamiseks koos:
See integreerimine võimaldab lõikamise kiirusi kuni 60 meetrit minutis 1 mm pehmast terasest, säilitades ±0,05 mm tolerantsi – oluline kõrge täpsusega autotööstuse ja lennunduse komponentide jaoks.
Metallitööstus kasutab tänapäeval peamiselt kolme laseritehnoloogiat: CO2-, kiud- ja kristallpõhised süsteemid. CO2-laserid suudavad üsna hästi toime tulla mitteferro metallidega, kuna nad kasutavad ergutamiseks gaasi. Kiudlaserid on võtnud suure osa turust, mis käsitleb õhke ja keskmise paksusega lehtmetalle, kuna need võimendavad dioodvalgust optiliste kiudude kaudu. Viimaste numbrite kohaselt 2024. aasta tööstuslaseri raportist, suudavad kiudlaserid lõigata 3 mm paksust roostevaba terast 2–3 korda kiiremini võrreldes traditsiooniliste CO2 süsteemidega. Kristalllaserid, sealhulgas Nd:YAG mudelid, jäävad siiski väga spetsiifilisse nišši, näiteks tiitaani lõikamisse, kuid nende süsteemide kasv on aeglustunud, peamiselt selleks, et nende hooldus ja üllatus on väga intensiivne.
Kiudlaseritel on selged eelised:
| Tootlikkuse näitaja | Fiber Laser | CO2 laser |
|---|---|---|
| Lõikamise kiirus (1mm teras) | 25 m/min | 8 m/min |
| Energia kulu/kuu* | $1,200 | $3,500 |
| Abi gassi tarbimine | 15% madalam | Standard |
*Arvestatud 500 kW süsteemiga, 24/5 töörežiimiga
Tootjatele, kes töötlevad metalli alla 20 mm, pakuvad kiulaserid 18–24 kuulise tagasimakse perioodi vähendatud kulumaterjalide ja 94% tööaega kaudu (2024. aasta metallitöötlemise majandusuuring). Kuigi CO2 süsteemid on endiselt sobivad seguainetega töötavatele ettevõtetele, mis töötlevad akrüüli või puidu, siis tarbivad nad metalli lõikamiseks 50–70% rohkem energiat.
Laserlõikamine toimib kõige paremini metallidega, mis juhivad soojust ühtlaselt ja neelavad laserenergiat ennustataval määral. Selliste metallide hulka kuuluvad roostevaba teras, alumiinium, pehmeteras, pronks ja vask. Roostevaba teras eristub selle poolest, et see ei korrodeeritu lihtsalt, mistõttu kasutatakse seda palju meditsiiniseadmetes ja toidutöötlemise masinates, kus puhtus on oluline. Alumiiniumi kergekaalusus on teinud sellest populaarse materjaliks lennukite ja autode puhul, kus iga untsi säästmine toob kaasa tõelise toimivuskasvu. Pronsi ja vasku ei kasutata laserlõikamiseks nii sageli, kuid neil on siiski oluline roll elektrisüsteemides, hoolimata peavaludest, mida nad võivad põhjustada. Sellised metallid peegeldavad sageli laserkiirt, mistõttu vajavad operaatorid puhtate lõikamiste tegemiseks ilma ümbritsevate alade kahjustamiseta erialast varustust ja tehnikaid.
| Metallitüüp | Tavaline paksusvahemik | Peamised rakendusvaldkonnad |
|---|---|---|
| Roosteeta teras | 0,5–25 mm | Meditsiiniseadmed, toidutöötlemise varustus |
| Alumiinium | 0,5–20 mm | Autotööstuse paneelid, soojusjuhtivad komponendid |
| Kupar | 0,5–8 mm | Trükkplaadid, soojusvahetid |
Vask- ja pronksmaterjalidega töötamisel on suur probleem, kuna need peegeldavad tagasi üle 90 protsendi infrapunali energiast. Kui seda ei hoita õigesti, võib see peegeldus kahjustada laaserit ise. Just seetõttu tulevad kõikuvad kiudlaserid mängu. Need toimivad paremini, kuna töötavad lühema lainepikkusega umbes 1060 nanomeetris ja neil on midagi, mida nimetatakse kohanduvaks võimsusmodulatsiooniks, mis aitab asju kontrollida. Võtke näiteks 2 mm paksuste vaskplaatide lõikamine. Protsessi jaoks on vaja pulsikiirust, mis on kõrgem kui 500 Hz, pluss lämmastikuga abi, et takistada hapniku teket lõikamise ajal. Kuigi kõik need lisasammud tähendavad, et kulub umbes 15 kuni 20 protsenti rohkem energiat kui terase lõikamisel, leiavad enamik tootjad, et see tasub ära kompromissi, et säilitada täpsustasemeid ja kaitsta oma kallite seadmete investeeringuid.
Töödeldava materjali paksusel on suur mõju sellele, kui kiiresti seda saab lõigata ja kui palju energiat protsessis kulub. Näiteks 5 mm pehmeterase puhul sobivad hästi kiirused umbes 8 meetrit minutis. Kuid kui on tegemist paksema 20 mm terasega, peavad operaatorid märgatavalt aeglustama kuni umbes 1,2 m/min, lihtsalt et vältida neid ärritavaid servade kõveraid. Mida inimesed aga sageli alahindavad, on pindvalmistus. Roostepigemd või ebaühtsad katoodkatted tõidtavad laserkiirt tegelikult kuni poole millimeetri võrra, mis hiljem viib kõigi tüüpi mõõtprobleemideni. Pindade puhastamine enne töö alustamist muudab tõesti palju. Tööstusandmed näitavad, et see lihtne samm suurendab lõikamise ühtsust umbes 30 protsenti, samuti vähendab see tüütut kõdu tekkimist, mis keerutab järeltöötlemist.
Kiulaserid võivad lõigata materjale umbes kolm korda suurema kiirusega kui traditsioonilised CO2 süsteemid, säilitades samal ajal tolerantsi umbes 0,1 mm piires raskest materjalist nagu roostevaba teras ja alumiiniumlehed. Neid lasereid toetav staatilise oleku konstruktsioon tähendab, et need töötavad energiakasutuselt umbes 30 protsenti tõhusamalt. See tõhusus võimaldab puhtamaid lõike, kus materjal lihtsalt sulab ära, mitte kui see põleb, lisaks mõjutab ümbritsevaid alasid palju vähem soojus. Võttes arvestusse reaalseid andmeid tootmisplatsidelt üle riigi, teatavad ettevõtted 18 kuni 22 sendi säästu metallidest osade kohta, mille paksus on väiksem kui 25 mm. Ei ole ime, et paljud lehtmetallitöökojad vahetavad oma hulgitootmise vajadusteks tänapäeval üle kiulaseritehnoloogiale.
Autosidetööstuse üks suur nimi vähendas oma kerekomponentide tootmisaja peaaegu pooleks, kui nad siirdusid 6 kW kiudlaserite kasutusele 2 kuni 8 mm paksuste süsinikteraslehtede töötlemisel. Erakordselt muljetavaldav on see, kuidas need uued süsteemid kõrvaldasid peaaegu täielikult lisajäätme töötlemise vajaduse, kuna need tagavad puhtad lõiked ilma kõdu kogunemiseta. Pind ütleb välja umbes Ra 3,2 mikronit, mis on üsna sile asi. Tootjatele, kes püüavad järgida pingelisi ajakavasid, muudab see täpsust kõik, eriti kuna autotootjad pingutavad tugevalt elektriautode nõudlike spetsifikatsioonide täitmiseks, kus iga gramm loeb ja tolerantsid on peenikesed.
Üha rohkem lennundusettevõtteid on hakanud kasutada alumiiniumi struktuuridetailide, näiteks tiivakarvade ja keelpilli osade (valmistatud 7075-T6 sulandi põhjal) töötlemisel kiulaserit. Miks? Need laserid töötavad umbes 1,070 nm lainepikkusega, mis aitab vähendada materjali peegeldavusega seotud probleeme. See tähendab, et need suudavad lõigata 10 mm paksuseid plaate ühtlaselt kiirusega umbes 15 meetrit minutis, hoides paksuse kõikumisi alla 0,5%. Võttes arvesse viimaseid tendentse, sisaldavad peaaegu 9 iga 10 tänapäeval loodud uue lennuki disaini mingit vormi laseriga lõigatud alumiiniumkomponenti. Seetõttu on pääs headesse kiulaserisüsteemidesse muutunud peaaegu oluliseks, kui tootjad soovivad täita lennundussektoris tavapäraseid AS9100 kvaliteedinõudeid.
Lämmastik toimib kui inertne abigas rõhul 12 kuni 20 bar, mis aitab säilitada materjali vastupidavust korrosiooni vastu. Sellisel juhul takistatakse oksidatsiooni ja tekivad puhtad servad, mis muudab need osad ideaalseks valikuks näiteks meditsiiniseadmete või toidutööstuses kasutatavate komponentide jaoks. Võtame näiteks 6 mm paksu 304 klassi roostevaba terase. 2 kW kiulaseri abil, mis liigub umbes 10 kuni 12 meetrit minutis, tavaliselt tekib soojusmõjutatud tsoon, mis ei ületa 0,1 mm. Hiljuti ilmunud uuringu kohaselt, mis on avaldatud 2024. aasta metallkonstruktsioonide aruandes, võib hapniku põhiste meetodite asendamisel lämmastikuga vähendada lisakulutusi umbes kolmandiku võrra. Mõned olulised parameetrid, millele tuleb tähelepanu pöörata:
Alumiiniumi kõrge peegeldusvõime (85–92% 1µm lainepikkuse korral) nõuab impulsslasermoodi kasutamist kiire kõrvalepõike vältimiseks. 4 kW kiulaser lõikab 8 mm 6061-T6 alumiiniumi 15 m/min kiirusel, kasutades 6–8 bar rõhuga õhku. Sooja juhtivuse kontrollimiseks:
See lähenemine tagab ±0,05 mm täpsuse, mis on ideaalne täppisdetailide jaoks, nagu näiteks autode akuvõrgud.
Hapnikuga abistatud lõikamine on tavapärane süsinikterase puhul, mis on üle 3 mm, kus eksotermiline reaktsioon suurendab lõikamise kiirust kuni 40%. 10 mm S355JR terase puhul 3 kW juures jõuab kiirus 8–10 m/min. Siiski võib liigne hapniku kasutamine tekitada slaggi alapinnale. Tõhusa kontrollimiseks soovitatakse järgmisi meetodeid:
Struktuurkomponentide, nagu näiteks I-traalide puhul aitavad hübridmeetodid, mis ühendavad hapnikuga lõikamist ja lämmastikuga viimise, täita ISO 9013 standardit mõõtmetäpsuse ja serva kvaliteedi suhtes.
Laserlõikamine on täppisprotsess, kus kasutatakse võimas laserikiirt, et sulatada, põletada või aurustada lõikamiseks materjali.
Kiuvoolavad laserid pakuvad suuremat täpsust, paremat energiatõhusust ja madalamaid hoolduskulusid võrreldes CO2-laseritega.
Metallid nagu roostevaba teras, alumiinium, pehmeteras, pronks ja vask on sobivad laserlõikamiseks nende soojusjuhtivuse ja laserenergia neelamise võime tõttu.
Materjali paksus mõjutab lõikamise kiirust ja võimsuskasutust. Paksemate materjalide puhul on sageli vajalikud aeglasemad lõikamiskiirused, et vältida äärmise deformatsiooni.
Hot News
EN
