Nâng cao chất lượng và năng suất cắt kim loại với Laser Fiber

Chất lượng chùm tia có thể điều chỉnh cho phép cắt tối ưu kim loại mỏng và dày

Thị trường cắt tấm kim loại bị chi phối bởi laser sợi quang vì lợi ích chưa từng có về năng suất, độ chính xác và hiệu quả chi phí. Các sợi quang trong phạm vi 2-6 kW đã trở thành công suất chuẩn cho nhiều cửa hàng chế tạo, cung cấp khả năng cắt kim loại mỏng nhanh và chính xác hơn so với các công nghệ cắt cũ, như carbon dioxide (CO 2) laser và tia plasma. Tuy nhiên, nhiều hệ thống laser sợi được thiết kế để cắt một phạm vi độ dày kim loại hạn chế. Cụ thể, một chùm tia laser nhỏ, tập trung chặt chẽ cung cấp tốc độ cắt nhanh nhất cho các kích thước mỏng, nhưng đối với tấm dày hơn, chùm tia nhỏ này có những hạn chế đáng kể về chất lượng cạnh và độ dày tối đa. Ngoài ra, một chùm lớn hơn có thể cải thiện chất lượng cạnh cho tấm dày vì kerf (độ dày cắt tiêu hao) rộng hơn, nhưng với một lợi thế tốc độ đáng kể để cắt tấm mỏng.

Các xưởng chế tạo lớn có thể mua nhiều loại máy laser sợi quang, trong đó mỗi công cụ được dành riêng để cắt một phạm vi độ dày cụ thể: hệ thống chùm tia nhỏ cho đồng hồ đo ánh sáng và hệ thống chùm tia lớn hơn cho tấm dày hơn. Các cửa hàng chế tạo nhỏ hơn dựa vào một công cụ để cắt toàn bộ kim loại sẽ có năng suất thấp hơn nếu chúng bị giới hạn ở một kích thước điểm, đặc biệt nếu công việc đa dạng. Các xưởng này thường thay đổi ống kính lấy nét trong đầu cắt để tối ưu hóa tốt hơn kích thước điểm laser cho một công việc nhất định. Mỗi thay đổi của ống kính gây ra năng suất bị mất khi laser không cắt, và nó có nguy cơ làm nhiễm bẩn ống kính và đầu cắt, điều này có thể dẫn đến hỏng hóc nghiêm trọng và chi phí sửa chữa và thời gian ngừng hoạt động đáng kể.

Khả năng tự động điều chỉnh tiêu cự laser sẽ giúp mở rộng đáng kể khả năng ứng dụng, năng suất và quy trình xử lý của laser sợi quang. Hầu hết các phương pháp tiếp cận hiện nay đòi hỏi quang học không gian tự do cơ giới. Các ví dụ bao gồm đầu cắt thu phóng, bộ ghép sợi quang hoặc không gian sợi tự do thay đổi điều kiện phóng vào sợi quang hoặc chuyển mạch từ sợi sang sợi với đầu ra 2 đầu 4 được ghép nối với sợi xử lý độc lập. Cách tiếp cận quang học không gian tự do như vậy đòi hỏi chi phí và độ phức tạp đáng kể và có thể làm giảm hiệu suất và độ tin cậy của máy. Chúng rất nhạy cảm với sai lệch, nhiễm bẩn và các điều kiện môi trường (nhiệt độ, độ rung), gây ra sự phụ thuộc công suất (thấu kính nhiệt) và mất quang học, và / hoặc có tốc độ chuyển mạch chậm. Đầu cắt zoom, kết hợp một thấu kính cơ giới trong đầu, lớn hơn và nặng hơn đầu cắt tiêu chuẩn, dẫn đến giảm gia tốc và áp đặt các yêu cầu thiết kế bổ sung cho cổng và động cơ. Các nhà thiết kế công cụ sử dụng các phương pháp này được yêu cầu phải vượt qua gánh nặng chi phí, hiệu suất và độ tin cậy cho khách hàng của họ (người dùng cuối).

Việc thiếu khả năng điều chỉnh kích thước điểm từ các nguồn laser hiện có, do đó buộc các nhà tích hợp công cụ và xưởng chế tạo phải lựa chọn giữa tính linh hoạt trong hỗn hợp công việc và hiệu suất và độ tin cậy của công cụ. Sự thỏa hiệp này thúc đẩy chi phí và năng suất.

Đột phá laser sợi

nLIGHT đã phát triển một công nghệ hoàn toàn mới, sợi quang (Corona) cho phép điều chỉnh nhanh chóng kích thước điểm laser sợi quang trực tiếp từ sợi quang trong phạm vi hơn 3X mà không có bất kỳ nhược điểm nào của phương pháp tiếp cận không gian tự do. Ngoài ra, laser sợi quang cung cấp hình dạng chùm tia cho thấy chất lượng cắt được cải thiện cho các kim loại khác nhau, bao gồm cả chùm phẳng trên đỉnh và hình khuyên (bánh rán). Laser sợi quang ở mức công suất 4 kW đã mang lại hiệu suất được cải thiện đáng kể so với laser sợi thông thường để cắt kim loại tấm thép nhẹ, thép không gỉ, nhôm và đồng cho độ dày lên đến 26mm, cho phép phát triển các công cụ phổ biến để cắt tối ưu của một loạt các độ dày kim loại.

Chùm đầu ra laser sợi quang Corona có thể điều chỉnh liên tục trong khoảng ~ 100 micromet đến ~ 300 micromet. Để tạo điều kiện tối ưu hóa quy trình, một số cài đặt cố định (Giá trị chỉ mục) được cung cấp. Hình 1 cho thấy đường kính chùm đầu ra, giá trị sản phẩm tham số chùm (BPP) và hình dạng chùm của laser sợi quang với sáu cài đặt Index.

Như đã thấy rõ trong các hình ảnh chùm tia được thể hiện trong HÌNH 1 , sợi quang được chia thành các vùng dẫn hướng chùm tia laser. Nhiều thiết kế sợi Corona khác nhau có thể giải quyết một loạt các ứng dụng. Trong thiết kế thể hiện trong HÌNH 1, sợi cắt đầu tiên bao gồm lõi trung tâm 100 micromet được bao quanh bởi hai vùng dẫn hướng hình khuyên với đường kính 200 và 300 micromet. Đường kính chùm tia và hình dạng chùm tia được điều chỉnh bằng cách thay đổi phân vùng công suất laser giữa ba vùng dẫn hướng này. Đặc điểm quan trọng và chưa từng có của Corona là việc điều chỉnh hình dạng chùm tia này được thực hiện hoàn toàn trong sợi quang và không có quang học không gian tự do, do đó duy trì tất cả các lợi thế về hiệu suất, độ ổn định, hiệu quả và độ tin cậy của laser sợi quang. Công suất laser đầy đủ có sẵn ở mỗi cài đặt Index.

Một lợi thế nữa của Corona là điều chỉnh chùm tia rất nhanh, với thời gian chuyển từ đường kính nhỏ nhất sang đường kính lớn nhất <30 ms. Laser sợi tiếp tục hoạt động hết công suất trong khi thay đổi Chỉ số, không cần tắt (hoặc để trống) laser trong khi thay đổi hình dạng chùm tia. Điều chỉnh nhanh chóng của Corona cho phép sử dụng các đặc tính chùm tia tối ưu cho từng bước của quy trình cắt, không chỉ để cắt các vật liệu hoặc độ dày khác nhau. Ví dụ: các cài đặt Index khác nhau có thể được sử dụng trong chuỗi xỏ so với cắt hoặc trong khi cắt thẳng so với góc.

Hiệu suất cắt kim loại

Thị trường cắt kim loại nói chung, bao gồm cắt laser, bị chi phối bởi tấm thép nhẹ (MS) dày. Laser sợi quang mang lại lợi ích độc đáo về chất lượng cạnh và độ dày tối đa để cắt MS dày so với các hệ thống laser khác. HÌNH 2 cho thấy các bức ảnh của MS được cắt bằng cả laser sợi quang 4 kW tiêu chuẩn với sợi quang 100 100m và laser sợi quang 4 kW. Đầu cắt quang cố định với độ phóng đại 1,5 lần đã được sử dụng cho tất cả các thử nghiệm và khí hỗ trợ là oxy. Hình dạng chùm tia tối ưu được hiển thị cho từng trường hợp và tốc độ cắt và độ nhám bề mặt đo được trình bày trong biểu đồ.

Những quan sát chính là:

• • Đối với mẫu mỏng nhất (0,25 in.), Đường kính chùm tia tối ưu là 100 Laum. Tốc độ cắt và chất lượng cạnh tương tự nhau đối với hai laser sợi quang, như mong đợi vì các laser có kích thước điểm và BPP tương tự ở cài đặt Corona này.

• • Đối với các mẫu dày hơn, laser sợi quang cung cấp chất lượng cạnh tốt hơn đáng kể, với độ nhám giảm tới 3 lần. Đường kính chùm tia tối ưu là> 100 Pha cho các mẫu này.

• • Độ dày tối đa cung cấp hiệu suất giảm phù hợp là 0,75 in. Đối với laser sợi quang tiêu chuẩn. Laser sợi quang đáng kể mở rộng phạm vi lên 1 in với chất lượng cạnh vượt trội.

• • Độ nhám của các bộ phận được cắt bằng laser sợi quang có sự phụ thuộc vào độ dày thấp hơn nhiều so với các bộ phận được cắt bằng laser sợi tiêu chuẩn. Độ nhám đo được của 1 in. MS cắt bằng Corona thậm chí còn nhỏ hơn
    0,5 in. MS cắt bằng laser sợi quang tiêu chuẩn. Chất lượng cạnh cao này làm giảm hoặc loại bỏ sự cần thiết của các bước xử lý hậu kỳ tốn kém và mất thời gian.

• • Tốc độ cắt của laser sợi quang là bằng hoặc nhanh hơn một chút (~ 5%) so với laser sợi quang tiêu chuẩn.

HÌNH 3 cho thấy những bức ảnh cận cảnh của 1 in. MS được cắt bằng laser sợi quang tiêu chuẩn và laser sợi quang Corona. Xỉ trên vết cắt kim loại bằng laser sợi tiêu chuẩn ngăn không cho bộ phận rơi ra khỏi bộ xương, trong khi mẫu cắt bằng laser sợi quang thể hiện hiệu suất giảm phù hợp. Sự cải tiến mạnh mẽ này là điều cần thiết để cho phép tự động hóa nhà máy và vận hành tắt đèn, là những xu hướng mới nổi trong nỗ lực giảm chi phí sản xuất. Ngoài việc giảm độ nhám, độ thẳng và cạnh vuông góc tốt hơn được thấy trong HÌNH 3 là rất quan trọng đối với các ứng dụng như hàn.

Điều quan trọng cần lưu ý là các lợi ích chất lượng cạnh và độ dày được cung cấp bởi laser sợi quang Corona không bị phạt tốc độ ( HÌNH 2 ) và công cụ cắt sử dụng đầu cắt quang học cố định tiêu chuẩn. Hiệu suất không thỏa hiệp này là không thể đạt được với bất kỳ công nghệ nào khác và được bắt nguồn từ thiết kế độc đáo, toàn sợi của Corona.

Để chứng minh tính ổn định của quá trình cắt sử dụng laser sợi quang, chúng tôi đã tạo ra các hình dạng đầy thách thức với các tính năng nhỏ. HÌNH 4 cho thấy phần MS 1 in. Với một trang web rất hẹp (rộng 0.110 in). Ngay cả trên đặc điểm hẹp này, độ nhám cạnh và độ vuông góc là tuyệt vời, không có bằng chứng về sự đốt cháy ở phía đối diện. Kích thước và hình dạng chùm tia có thể điều chỉnh của laser sợi quang cho phép sản xuất phù hợp các tính năng tỷ lệ khung hình hẹp, hẹp như vậy, cũng như các lỗ nhỏ và các góc chính xác trên tấm MS dày.

Chúng tôi cũng đã khám phá việc cắt bằng nitơ nhẹ bằng thép nhẹ, thép không gỉ, nhôm và đồng bằng cách sử dụng laser sợi quang 4 kW. Trong hầu hết các trường hợp, cài đặt Index nhỏ nhất cung cấp hiệu suất tốt nhất, với tốc độ cắt và chất lượng cạnh tương tự như laser sợi quang 4 kW tiêu chuẩn. Kết quả này được mong đợi vì Index 0 cung cấp mật độ năng lượng cao nhất trên phôi. Tuy nhiên, đối với việc cắt nitơ đối với một số vật liệu dày hơn, cài đặt Index cao hơn cung cấp chất lượng cạnh tốt hơn cho một số ứng dụng có tốc độ phạt vì mật độ năng lượng thấp hơn. Trong những trường hợp này, cài đặt Chỉ mục tối ưu là dành riêng cho ứng dụng và Corona cho phép nhà tích hợp công cụ hoặc người dùng cuối điều chỉnh các đặc điểm cạnh cho ứng dụng.

độ tin cậy

Tất cả các laser sợi quang nLIGHT bao gồm bảo vệ mạnh mẽ, dựa trên phần cứng chống lại sự phản xạ ngược từ phôi, cho phép xử lý liên tục các vật liệu có độ phản xạ cao. Corona vẫn giữ được khả năng phản xạ ngược cao này và laser sợi quang đã được sử dụng để cắt và hàn đồng và các vật liệu phản chiếu khác.

Chúng tôi đã mô tả tuổi thọ của Corona trong các bài kiểm tra cuộc sống tăng tốc. Một laser sợi quang được điều khiển thông qua các cài đặt Index với tốc độ 100 ms ở mỗi cài đặt và đường kính chùm tia được đo định kỳ để tìm kiếm sự trôi hoặc suy giảm hiệu suất. Hơn 13,4 triệu Chỉ số thay đổi, đường kính chùm cho tất cả các cài đặt Chỉ mục nằm trong 4%, không có thay đổi hoặc trôi dạt có hệ thống. Do đó, laser sợi quang cung cấp đặc tính hoạt động lâu dài và không cần bảo trì của laser sợi quang hiệu suất cao.

Laser sợi quang thể hiện một bước tiến lớn so với laser sợi quang tiêu chuẩn và so với các công nghệ trước đây để cung cấp chất lượng chùm tia có thể điều chỉnh, với các ưu điểm bao gồm:

• • Thiết kế sáng tạo, hoàn toàn bằng sợi giúp loại bỏ tất cả các nhược điểm về hiệu suất và độ tin cậy liên quan đến quang học không gian tự do.

• • Laser sợi quang loại bỏ sự cần thiết của các bộ ghép và chuyển mạch từ sợi quang sang sợi quang, quang học cơ giới hoặc đầu quá trình phóng to.

• • Chuyển đổi rất nhanh (<30 ms) và laser có thể vẫn hoạt động hết công suất trong khi thay đổi hình dạng chùm tia.

• • Không cần bảo trì hay hiệu chuẩn, ngay cả sau khi hàng triệu thay đổi Index, duy trì tuổi thọ dài của laser sợi quang.

• • Bổ sung Corona không làm tăng mức tiêu thụ năng lượng, giảm hiệu quả hoặc tăng kích thước, trọng lượng hoặc yêu cầu lắp đặt của laser sợi quang.

• • Nền tảng laser sợi quang có tính tổng quát rộng. Nó được áp dụng cho nhiều kích thước, hình dạng và phân kỳ chùm tia khác và cho các mức năng lượng laser khác.

Chất lượng chùm tia có thể điều chỉnh của Corona hiện cho phép phát triển các công cụ phổ quát để tối ưu hóa việc cắt một loạt các kim loại và độ dày. Cửa hàng công việc hoặc nhà máy không còn bị buộc phải lựa chọn hiệu suất bị tổn hại, mua sắm nhiều công cụ và / hoặc sử dụng các công nghệ quang học không gian tự do phức tạp, đắt tiền và dễ vỡ.

Nguồn: https://www.industrial-lasers.com/cutting/article/16485170/fiber-laser-technology-improves-metal-cutting