Фибер лазерите са невероятна иновация в индустрията на лазерното рязане, не само заради високата си скорост, но и заради дължината на вълната на лазерния лъч. Лазерният лъч на CO2 лазерите е 10.6 микрона и дълго време това е бил отличен начин за рязане на феритни метали. Но когато става въпрос за цветни метали, възниква сериозен проблем – тяхната оптична отражателна способност. Рязането на мед и месинг с CO2 лазер е рядкост, но някои решителни производители успяват да го постигнат.
А рязането на алуминий с CO2 лазер въобще не е рядкост. Но типичната дължина на вълната от 10.6 микрона е далеч от идеална. Това не прави процеса невъзможен, а по-скоро много, много труден.
Фибер лазерите имат дължина на вълната от 1 микрон. Най-често използваните метали поглъщат по-голяма част от вълната с дължина от 1 микрон, в сравнение с вълна с дължина 10.6 микрона. Това значително улеснява рязането на алуминий, мед и месинг.
Но дължината на вълната не е всичко. Когато искаме да режем цветни метали, трябва да имаме предвид и други фактори – плътност на лъча, фокус на лъча, широчина на среза, както и вида и потока на помощния газ. Когато тези фактори са в правилни пропорции, резултатът е изключително висока скорост на рязане и чисти срезове.
Историческа перспектива
Ако се каже, че нещо в лазерното рязане е невъзможно или непрактично, то най-вероятно някой някъде е успял да го постигне. При това практично. Ако например искаме да изрежем детайл от медна сплав с дебелина 3 мм, използвайки 2.5 kW CO2 лазер, можем да го постигнем, движейки режещата глава бавно, като периодично спираме машината, за да може детайлът да изстива. Това не е идеален, но все пак е възможен вариант.
Рязането на цветни метали винаги е било съпътствано с редица проблеми. Този процес не е особено ефикасен, заради ниската степен на абсорбция на тези материали. Също така – рязането на рефлективни материали създава опасност лазерният лъч да бъде отразен обратно в оптичната система, да стигне до резонатора и да го повреди.
Вискозитет
Нашите инженери и техници, които разработват машините за лазерно рязане, взимат предвид нивата на абсорбция и оптична отражателна способност на различните материали, тяхната точка на топене, вискозитет на разтопения материал, термопродуктивност, както и състоянието на повърхността или покритието на материалите.
Оптичната отражателна способност на металите, при стайна температура (26°C) варира при различна вължина на вълната на лазерния лъч. Източник: Laser Cutting Guide for Manufacturing от Charles Caristan.
Основният проблем при рязането на алуминий е да се постигне чист срез с минимално количество шлака. С подходящия помощен газ и правилния му поток, можем да доведем до минимум образуването на отпадъчен материал.
Тук вискозитетът играе важна роля. Всеки метал има определен вискозитет при температура на топене, но той се променя с увеличаване на температурата. Лазерът увеличава температурата на алуминия далеч над температурата му на топене (650°C). Вискозитетът на алуминия намалява повече от двойно, когато достигне 720°C. А когато този материал започне да се охлажда, вискозитетът му се увеличава повече от двойно, приближавайки се до момента си на втвърдяване, и отвеждането му от детайла се превръща в трудна задача.
Ниският вискозитет се явява основна причина за натрупването на шлака, особено при по-ниски температури, които са типични за алуминия.
Слоят алуминиев оксид
Множество трудности при лазерното рязане на алуминий са свързани с температурата на топене, особено при слоя алуминиев оксид (Al2O3), които се образува, когато материалът е изложен на атмосферни влияния. Този слой предотвратява по-нататъчна корозия, но и затруднява лазерното рязане.
Алуминият се топи при приблизително 650°C; алуминиевият оксид се топи при приблизително 1700°C. Стопеният слой алуминиев оксид, има способността бързо да се втвърдява около все още разтопената капка алуминий, затова е много важно да се отведе колкото може по-бързо от спомагателния газ, преди това да се случи. Ако не бъде отведен достатъчно бързо, материалът образува сталактити по долния ръб на детайла, познати също като шлака. Добрата новина е, че в сравнение с други метали шлаката на алуминия е мека и често може да бъде почистена дори с пръст.
Топлопроводимост
Алуминият има много по-висока топлопроводимост от въглеродната стомана, което спомага за отвеждането на топлина от среза към детайла. Колкото по-бързо е отвеждането на топлина от среза на детайла, толкова по-неефикасно е лазерното рязане.
Разлики в топлопроводимостта на различни алуминиеви сплави водят до разлики в способността на рязането им, особено при по-дебели материали.
Операторите на CO2 машини за лазерно рязане срещат редица затруднения при рязането на алуминий. От една страна голяма част от лазерния лъч, с дължина 10.6 микрона рефлектира от материала, а от друга – високата топлопроводимост на материала спомага за по-бързото топлоотвеждане. Именно бързото топлоотвеждане принуждава операторите да пишат програмите за рязане така, че да променят и редуват позицията на рязане, за да компенсират ефектите от температурата върху материала.
Плътността на лъча при машините за фибер лазерно рязане и дължината на вълната на лазерния лъч от 1 микрон драстично променят процеса на рязане на цветни метали. Разбира се, характеристиките на алуминият не са се променили, но той поглъща повече и отразява по-малко енергия от лъча с дължина на вълната от 1 микрон. Това в комбинация с по-голяма мощност и по-високи скорости, на които съвременните машини за фибер лазерно рязане са способни подобряват значително качеството на рязане.
Поток на помощния газ и фокус на лазерния лъч
Лазерното рязане на алуминий с помощен газ азот или сгъстен въздух (който може да е подходящ при рязане на тънки детайли) има сходни характеристики като рязането на други сплави с азот като помощен газ. Казано прекалено просто – всичко е във взаимодействието между топлинната енергия на лъча, скоростта на рязане, дебелината на среза и потока на помощния газ, който отвежда шлаката от среза. Правилният баланс на тези елементи води до качествен ръб на отрязания детайл и минимално количество ивици и шлака.
Оптимизирането на фокуса, потока на помощния газ и други параметри свеждато до минимум шлаката. Изображение: Air Liquide
Обикновено алуминият изисква лазерният лъч да бъде фокусиран дълбоко под повърхността на материала, особено при по-дeбел материал. Това помага за по-лесното отвеждане на материала през долната страна на среза.
Материалът се стопява и се отвежда през среза, където лъчът се разклонява и енергията му намалява квадратично. Следователно по-малко енергия е налична в долната част на среза и разтопеният метал се втвърдява на шлака.
Ако нагласим фокусната точка дълбоко под повърхността на материала, ситуацията с мощността на лъча се променя. Когато разтопеният метал от повърхността на детайла протича надолу по среза, преминава през най-ярката точка на лазерния лъч, което помага да остане течен, докато бъде отведен отдолу.
Но балансирането не приключва с това. Фактор е и скоростта на рязане. Ако режем прекалено бързо, ще образуваме шлака. Такава ще се формира и ако режем прекалено бавно.
Скоростта на рязане се отразява и на широчината на среза. По-бавната скорост на рязане създава по-широк срез, а по-бързата – по-тесен. Колкото по-тесен е срезът, толкова по-трудно е за помощния газ да отвежда шлаката.
Ивиците по ръба на среза също се променят с промяната на скоростта и на други променливи. Ако режем алуминий (и не само) прекалено бавно, ще образуваме дълбоки ивици. Те са показател за поток от газ, който избутва и отвежда разтопен метал.
Свръхзвуков ефект, отстъп и центриране на дюзата
Всички тези фактори взаимодействат с още една променлива, която често не се взема предвид: скоростта на газа, който излиза от дюзата. Тя е свръхзвукова и като всичко, което се движи по-бързо от звука – създава малки ударни вълни. Тези ударни вълни могат да променят потока на помощния газ, като това ще се отрази на количеството газ, който искаме да преминава през среза.
Когато ударните вълни се отклоняват над среза, формират частична преграда, която пречи на потока помощен газ и затрудняват ефективното отвеждане на разтопен метал, което пък води до некачествен срез. Вероятността това да се случи расте с намаляването на ширината на среза.
Операторите не могат да елиминират ударните вълни, защото потокът на газ се движи със свръхзвукова скорост. С правилно зададено разстояние на дюзата от детайла този проблем може да бъде сведен до минимум. Това разстояние обикновено е равно или по-малко от диаметъра на отвора на дюзата.
Също така лазерният лъч трябва да е центриран спрямо отвора на дюзата.
Лазерният лъч и отстъпа на дюзата
Правилно фокусиран лъч и адекватно разпределение на енергията са сложни теми, но можем лесно да си представим лазерния лъч като два конуса, разположени един върху друг. Фокусът е там, където върховете на конусите се докосват. Колкото е по-късо фокусното разстояние, толкова по-дебели са конусите, точката на фокус е по-малка и концентрацията на енергия в нея е по-голяма.
Размерът на точката на фокус се променя с промяна на дължината на вълната, следователно лъч с по-къса дължина на вълната има повече концентрирана енергия в точката си на фокус. Тази способност за фокусиране, в комбинация с това, колко добре различните метали абсорбират енергията от фибер лазерните източници, е причината фибер лазерите да са толкова ефикасни.
Поради тази причина съществува мнение, че при рязане на някои материали с определена дебелина машините за фибер лазерно рязане са двойно по-ефикасни от такива за CO2 със същата мощност.
При лазерното рязане по-голямата плътност на лъча означава повече топлинна енергия, а количеството енергия зависи от способността на материала да поглъща тази енергия. Но това е само част от уравнението.
Разтопеният метал трябва да бъде отведен. Колкото по-късо е фокусното разстояние, толкова плътността на лъча ще намалява, отдалечавайки се от точката на фокус. Това намалява широчината на среза, а точката на фокус трябва да бъде на правилното място, особено при по-дебели материали. По-тесният срез прави отвеждането на разтопения метал по-трудно.
Лъчът, който излиза от фокусираща оптика с късо фокусно разстояние, се разпръсва бързо след точката си на фокус. Това означава, че докато стигне дъното на детайла, лъчът има по-малка плътност. Затова често срещана практика е фокусната точка да се задава по-дълбоко в детайла, а не на повърхността.
През последните години индустрията постига значителен напредък в това, да намали ефекта на разпръскване на плътността на лъча след точката на фокус. Характеристиките на лазерния лъч не могат да бъдат променени; те винаги ще се събират в точката на фокус и ще се разпръскват отвъд нея. Но други негови специфики могат да бъдат променени, за да се получи по-качествен срез.
Алуминиевата шлака е толкова мека, че може да бъде премахната с пръст.
И тук енергията на лъча е само половината от уравнението – другата половина е помощният газ. Тук технологията на дюзата играе важна роля. Някои дюзи имат компонент, който докосва повърхността на детайла по време на рязането. Това намалява количеството помощен газ, който не успява да влезе в среза, което е значителен проблем при по-тесните срезове, на които са способни машините за фибер лазерно рязане.
При обикновените дюзи помощният газ се разпръсква веднага щом напусне отвора и голяма част от газа не успява да влезе в среза. При дюзите, които докосват повърхността на детайла, количеството изхабен помощен газ е сведено до минимум.
Идеалният срез
Производство, което използва лазер, за да реже мека стомана с кислород, се възползва от химичната реакция между кислорода и желязото. За рязане на алуминий и други цветни метали с азот най-важното е разтопяването и чистото отвеждане на материала.
Идеалната ситуация при фибер лазерното рязане е тази, при която помощният газ се движи в ламинарен поток в среза – такъв, който отвежда материала чисто и без преждевременно „замръзване“ на дъното на детайла (шлака) и без ивици по ръба на детайла. Свръхзвуковите ударни вълни ги има, но те не въпрепятстват потока на газ в среза.
В днешно време мощните лазери режат изключително бързо, без тази скорост да има негативно влияние върху изрязаните детайли. Индустрията вече е съвсем наясно как лазерът реже метал. Колкото повече знаем, толкова по-добри могат да бъдат параметрите на рязане, с което вероятността операторите да получат качествен срез от първия път е значително по-голяма.
Фибер лазерната технология е иновативна и не спира да се усъвършенства за постигане на оптимално качество при рязането на редица материали.
Повече за процеса на фибер лазерно рязане и за различните видове машинни модели можете да прочетете на сайта на фирмата ни – www.nukon.bg
