Технические трудности и решения лазерной резки толстых пластин
Благодаря постоянному развитию технологий промышленного производства лазерная резка широко используется в области обработки металлов благодаря своим преимуществам, заключающимся в высокой точности, высокой эффективности и бесконтактной обработке. Однако технология лазерной резки сталкивается со многими проблемами при резке более толстых листов. Целью данного исследования является систематический анализ технических трудностей, возникающих в процессе лазерной резки толстых листов, и предложение соответствующих решений для обеспечения теоретического руководства и технической справки для промышленной практики.
Технология лазерной резки постоянно развивалась от низкой мощности к высокой мощности и от тонкой пластины к толстой пластине. В настоящее время лазерная резка широко используется в автомобилестроении, аэрокосмической, судостроительной и других областях. Однако с увеличением толщины материала все более заметными становятся проблемы качества резки, эффективности и стоимости, которые срочно требуют глубокого изучения и решения.
1.Основные технические трудности лазерной резки толстого листа.
Основной проблемой, с которой сталкиваются в процессе лазерной резки толстых листов, является значительное ухудшение качества луча с увеличением глубины резки. Так как при проникновении лазера в более толстые материалы будет происходить многократное отражение и рассеяние, это приводит к неравномерному распределению плотности энергии, что, в свою очередь, влияет на качество резки. Исследования показали, что при толщине реза более 20 мм характеристики фокусировки лазерного луча существенно ухудшаются, что приводит к образованию широкого выреза на дне узких клин-дефектов.
Во-вторых, не следует игнорировать зону-термического воздействия, образующуюся в процессе резки толстого листа. Из-за плохой теплопроводности толстой пластины энергия лазера накапливается внутри материала, что приводит к расширению зоны термического-воздействия, что может спровоцировать изменение микроструктуры материала и увеличение остаточных напряжений. Экспериментальные данные показывают, что при резке углеродистой стали толщиной 30 мм ширина зоны термического воздействия-может в 3-5 раз превышать ширину зоны термического влияния при резке тонких пластин, что серьезно влияет на механические свойства материала.
Еще одной важной технической проблемой является налипание шлака и увеличение шероховатости поверхности резания. В процессе резки толстых листов расплавленный металл трудно полностью выдуть вспомогательным газом, и в нижней части разреза легко образуется скопление шлака. В то же время из-за нестабильного энерговложения на поверхности резания часто появляются явные полосы и неровности. Статистика показывает, что когда толщина пластины превышает 25 мм, значение Ra шероховатости режущей поверхности может достигать 2-3 раз от резки тонкой пластины.
2.Решение технических трудностей лазерной резки толстого листа.
Для проблем с качеством луча оптимизация параметров лазера является наиболее прямым решением. Увеличивая мощность лазера (обычно требуется более 6 кВт), регулируя частоту импульсов и рабочий цикл, можно улучшить глубину проникновения энергии. В то же время использование системы динамической фокусировки позволяет осуществлять автоматическую регулировку положения фокуса во время процесса резки для поддержания наилучшего распределения плотности энергии. Эксперименты доказали, что использование волоконного лазера мощностью 12 кВт с технологией динамической фокусировки позволяет эффективно разрезать лист нержавеющей стали толщиной 40 мм.
Для контроля зоны термического-воздействия решающее значение имеет разработка новой технологии режущих головок. Использование вибрирующей режущей головки или технологии колебаний балки может рассеивать тепловложение и уменьшать локальный перегрев. Кроме того, точный контроль вспомогательных газов (например, с помощью азота под высоким-давлением или специальных газовых смесей) позволяет эффективно охлаждать зону резки. Исследования показали, что сочетание газового охлаждения и прерывистой резки может уменьшить зону термического воздействия более чем на 40 % для алюминиевых сплавов толщиной 30 мм.
Для решения проблемы шлака ключевым моментом является улучшение системы вспомогательного газа. Использование конструкции с двумя газовыми форсунками (внутренний газ высокого-давления для удаления шлака и внешний защитный газ для предотвращения окисления) может значительно улучшить качество резки. В то же время оптимизированное планирование траектории резки и внедрение систем мониторинга в реальном времени-(например, визуальных датчиков или акустического мониторинга) позволяют своевременно обнаруживать накопление шлака и устранять его. Практика показывает, что данные мероприятия позволяют снизить шлакоотходы при резке толстых листов более чем на 60%.