От кои материали тръбите могат точно да се обработват с лазерни машини за рязане на тръби?

Как се обработват тръбите Машини за лазерно рязане Обработка на различни материали

Основи на взаимодействието между лазер и материал при рязане на тръби

Ефективността на лазерната резка зависи предимно от това как различните материали абсорбират и разпространяват енергията. Вземете например металите – неръждаемата стомана и алуминият се държат доста различно, защото техните топлинни свойства не са еднакви. Неръждаемата стомана не провежда топлината добре – около 15 W/mK, което означава, че топлината се натрупва на едно място. При алуминия историята е различна – благодарение на много по-добрата топлопроводимост, около 205 W/mK, топлината се разпространява бързо, което прави трудно постигането на равномерно стопяване. Медта е съвсем различен случай. При дължина на вълната от 1 микрон, медта отразява почти цялата светлина – точно казано 95%. Този проблем с отражението изисква сериозни корекции на лазерния лъч, ако искаме стабилни резове. Ако разгледаме съвременните влакнени лазери, те почти напълно абсорбират енергията при стомана – около 99% абсорбция, но се сблъскват със значителни трудности при медта, където абсорбцията пада до около 60-70%. Затова предприятията, които работят с мед, често имат нужда от специални техники и оборудване, за да постигнат добри резултати.

Влакно срещу CO₂ лазери: Разлики в производителността при обработка на метали

Когато става въпрос за рязане на неръждаема и обикновена стомана, влакнестите лазери безспорно надвишават CO2 системите, особено когато се работи с тънкостенни тръби, където могат да режат до 30% по-бързо. Причината? Влакнестите лазери работят на много по-къса вълнова дължина – около 1,08 микрона, която се абсорбира по-добре от метали като стоманата, така че загубите на енергия са по-малки, а циклите – по-кратки. От друга страна, CO2 лазерите имат по-дълги вълнови дължини от 10,6 микрона, които всъщност работят по-добре за определени задачи. Те не отразяват толкова много при рязане на неметални метали като месинг, така че производителите все още разчитат на тях за специфични задачи, където стабилността е от решаващо значение. Според данни от авиационния сектор през 2023 г., компании, използващи влакнест лазер, са намалили разходите си за рязане на неръждаема стомана с около 18,50 долара на метър в сравнение с традиционни CO2 системи. Голяма част от тези спестявания идват от по-малкото необходимост от поддържащ газ по време на работа, както и от по-добра електрическа ефективност.

Ключови фактори, влияещи върху съвместимостта на материалите и прецизността на рязането

Три променливи критично влияят на качеството на рязане:

1. Дебелина на материала : Тръби ≥10 mm често изискват многопроходно или импулсно рязане, за да се управлява натрупването на топлина и да се предотврати деформация.
2. Фокусиране на лъча : Фокусно петно от 0,1 mm осигурява висока прецизност при тънка неръждяваща стомана, но може да предизвиква нестабилност при високо проводими материали като алуминий.
3. Помощни газове : Азотът предотвратява оксидацията при неръждяваща стомана, осигурявайки чисти ръбове, докато компресирането на въздуха предлага 40% по-ниски разходи за алуминий, без да компрометира качеството.

При въглеродна стомана поддържането на налягането на газа между 1,2–1,5 бара е от съществено значение, за да се избегне образуването на шлака и да се осигури постоянно качество на рязането.

Неръждаема стомана и мека стомана: основни приложения за машини за лазерно рязане на тръби

Неръждаемата и меката стомана представляват над 65% от приложенията за лазерно рязане на промишлени тръби (IMTS 2023), ценими за баланса между якост, заваряемост и отклик на лазерната енергия. Тези материали могат да се обработват с дебелина от 0,5 мм до 25 мм с минимални зони, засегнати от топлина, което ги прави идеални за високоточна производствена технология.

Точност и ефективност при лазерното рязане на тръби от неръждаема стомана

Неръждаемите стомани като 304 и 316 от аустенитното семейство се използват често, защото съдържат около 18 до 20 процента хром. Това им осигурява добра защита срещу ръжда и химични въздействия. Когато става въпрос за рязане на тези материали, съвременните влакнени лазерни технологии позволяват изключително прецизни резове. Става дума за широчина на реза до 0,1 милиметра, с размерна точност в рамките на плюс или минус 0,05 мм дори при тръби с дебелина 15 мм. Производителите на медицинско оборудване и тези, които изработват тръби за хранителна промишленост, се нуждаят точно от този вид прецизност. Продуктите им изискват напълно гладки повърхности без грапави ръбове или заобления, което само напредналите лазерни системи могат постоянно да осигурят при серийното производство.

Оптимални лазерни настройки и помощни газове за чисти резове на неръждаема стомана

За да се постигнат резове без оксидация, се препоръчва азотен асистентен газ при 12–16 бара за стоманени тръби с дебелина 3–8 мм. За по-дебели сечения (10–15 мм), влакнест лазер с мощност 4 kW, работещ при скорост 0.8–1.2 м/мин, осигурява резове без грапавини и минимални топлинни деформации. Тези параметри гарантират висока повторяемост в автоматизирани производствени среди.

Защо леката стомана е високо съвместима с влакнест лазер за рязане на тръби

Относително ниското съдържание на въглерод в меката стомана (по-малко от 0,3%) означава, че тя се изпарява бързо, когато се загрее до около 1500 градуса по Целзий. Това свойство прави меката стомана особено подходяща за приложения при рязане с влакнест лазер. Със стандартна 6 kW лазерна система, операторите могат да режат през тръби от мека стомана с дебелина 20 мм с впечатляващи скорости, достигащи около 2,5 метра в минута. Рязането осигурява почти вертикални ръбове с минимално ъглово отклонение (около плюс или минус половина градус), което е добре дошло за заварчици, които не искат да губят време за допълнителна обработка след рязането. Гледайки от гледна точка на разходите, тези лазерни системи също предлагат значителни спестявания. Според индустриални данни от FMA 2023, разходите за експлоатация намаляват с около 23%, когато се премине от традиционни методи за рязане с плазма.

Термично управление и качество на рязане при дебели тръби от въглеродна стомана

За стоманени тръби с дебелина над 25 mm, импулсни лазерни режими (1–2 kHz) помагат при контрола на топлинния вход и предотвратяват деформиране. Използването на смеси от асистиращи газове на база кислород подобрява отстраняването на шлака, намалявайки остатъчните отлагания с 40% при сечения от 30 mm. Това гарантира размерна точност за конструктивни компоненти в строителството и тежката машиностроителна индустрия.

Примерен случай: Компоненти от високоточна стомана в авиокосмическата и автомобилната индустрия

Доставчик от Tier 1 в автомобилната индустрия използва 3D лазерна резка на тръби, за да произведе 5 000 тръби за впръскване на гориво дневно с размерна точност от 99,7%. Същата система постига повторяемост от 0,12 mm при хидравлични скоби от SS304 за самолети, като намалява времето за постобработка с 62% в сравнение с конвенционални методи на обработка.

Алуминий и други цветни метали: предизвикателства и постижения

Проблеми с отразяващата способност и топлопроводимостта при рязане на алуминиеви тръби

Алуминият всъщност отразява светлината много добре - около 90% при обичайните дължини на лазерните вълни, с които работим, а също така губи топлина доста бързо. Тези характеристики затрудняват поемането на енергията от лазера по последователен начин по време на обработката. Какво се случва след това? Ами, разтопеното покритие започва да се разпространява навсякъде и процепът изглежда неравномерен, особено когато става въпрос за онези тънкостенни тръби, които са толкова често срещани в производството. Топлопроводимостта е още един предизвикателство тук, тъй като алуминият предава топлината около пет пъти по-добре в сравнение с неръждаемата стомана. Поради това операторите трябва да настройват параметрите си много внимателно, ако искат чисти резове без онази досадна топяща се маса, която никой не иска да се занимава по-късно.

Най-добри практики за намаляване на оксидацията и подобряване на качеството на рязане

Използването на азот като помощен газ намалява оксидацията с до 70% в сравнение с кислород. Комбинирането на това с високочестотни импулсни лазерни режими (≥2000 Hz) и оптимизирани разстояния между соплата (0,8–1,2 mm) подобрява гладкостта на ръба с 25%. Тези настройки са от съществено значение за постигане на чисти повърхности, готови за заварка, в приложения с висока стойност.

Пример за изследване: Компоненти на алуминиеви рамки за електрически превозни средства

Производител е извършил някои тестове през 2023 г., при които е постигнал точност от около плюс или минус 0,05 милиметра при изработката на кутии за батерии за електромобили с помощта на 6 киловатна влакнеста лазерна инсталация. Забелязали са също нещо интересно при рязането на тези алуминиеви тръби от серия 6xxx – като следели температурните промени по време на процеса, те рязко са намалили отпадъчния материал, като го сведоха от около 12 процента до малко над 3 процента. Според скорошни проучвания, публикувани в списания като Journal of Materials Processing Technology, определено се наблюдава преход към използването на все повече алуминий при производството на по-леки автомобили. Производителите на електромобили сега заменят около четиридесет процента от онова, което преди е било стоманени части, с точно нарязани алуминиеви компоненти.

Растеж на прилагането на влакнести лазери за алуминий в индустриални приложения

Влакнените лазери доминират процеса на рязане на алуминиеви тръби, като представляват 68% от инсталациите по света. Вълновата им дължина от 1,08 μm осигурява по-добра абсорбция в сравнение с CO₂ лазерите, което позволява скорости на рязане от 1,2–1,8 m/мин на 8 mm алуминий с безпровесен резултат. Тази производителност стимулира внедряването им в секторите на отоплението, транспорта и възобновяемите енергийни източници.

Месинг и мед: Натискане на границите на технологията за лазерно рязане на тръби

Предизвикателства при обработката на медни и месингени тръби с висока отразяваща способност

При работа с медни и латуни материали, те имат тенденция да отразяват около 95% от лазерната енергия при тези инфрачервени дължини на вълната според някои нови проучвания от Института за лазерна обработка през 2023 г. Това отражение създава реални проблеми за оптичните компоненти и прави поддържането на стабилни условия на обработка доста предизвикателно. Латунта добавя още един сложен етап, защото при рязането компонентът цинк има тенденция да се изпарява, което води до несъответстващи резове с неравни ръбове и понякога дори микроскопични дупки, които се образуват в материала. За да се преодолеят тези проблеми, повечето специалисти разчитат на импулсни лазерни настройки, комбинирани с помощта на азотен газ. Импулсите помагат за по-добро контролиране на топенето, докато азотът предотвратява оксидацията, което прави целия процес на рязане много по-предсказуем и надежден за производителите, които работят с тези трудни метали.

Могат ли влакнестите лазери надеждно да режат чиста медь? Технически анализ

Влакнените лазери днес могат да режат чисти медни листове с дебелина до 3 мм, когато работят с мощност от 1 kW или повече, осигурявайки точност от около 0,1 мм благодарение на по-добрата технология за контрол на лъча. Но има една важна особеност: тези режещи операции отнемат около 30 до 40 процента повече време в сравнение с работата със стоманени материали, защото медта провежда топлината много ефективно. Възможността за това осигурява дължината на вълната на лазера – 1,08 микрометра, която се абсорбира от медта приблизително на 22%, което я прави почти три пъти по-добра в сравнение с традиционните CO2 лазери. Това подобрение отваря възможности за производството на деликатни компоненти като електрически канали с тънки стени и специализирани системи за топлообмен, където прецизността е от решаващо значение.

Стратегии за намаляване на риска от отражения и подобряване на последователността на рязането

Три доказани подхода подобряват обработката на мед и месинг:

• Обработки на повърхността : Антиотражни покрития увеличават абсорбцията с 18–25%
• Формиране на лъча : Правоъгълни модели на петната намаляват загубите от отражение
• Хибридни техники : Предварително загрят с ниска мощност, последван от импулсно рязане, стабилизира разтопената вана

Тези методи намаляват образуването на шлака с 62% и поддържат скорости на рязане до 20 м/мин на медни тръби с дебелина 2 мм.

Потребителско търсене спрямо технически ограничения при лазерното рязане на месинг

Потребността от прецизни месингови компоненти се е увеличила почти наполовина според последното проучване Global Industrial Cutting за 2023 г., но все още съществуват значителни технически предпоставки, които трябва да се преодолеят. Получаването на много тесни допуски под 0.2 мм, необходими за елементи като декоративни обшивки, морски фурнитура и медицинско оборудване, не е лесно постижимо с обичайните системи за рязане. Всъщност, 6 kW влакнестите лазери могат да обработват месинг с дебелина 8 мм с точност от около 0.25 градуса, но използването на такива машини струва около 180 долара на час. При такава цена повечето компании ги използват само когато е абсолютно необходимо, най-често в скъпи аерокосмически приложения или специализирани измервателни уреди, където наистина е важна екстремната прецизност.

Ръководство за съвместимост на материали за лазерни машини за рязане на тръби

Таблица за подходящост на лазери: неръждаема стомана, обикновена стомана, алуминий, месинг, мед

Съвременните лазерни машини за рязане на тръби осигуряват различна производителност при основни материали:

Неръждаемата и обикновена стомана остават най-лесните за обработка с лазер, постигайки постоянно допуски под ±0,1 mm. Алуминият изисква скорост на рязане с 30% по-висока в сравнение със стоманата, за да се предотврати образуването на шлака, докато отражението на медта ограничава успеха – само 42% от производителите съобщават за надеждни резултати с чиста мед, според проучванията от 2023 година.

Нови материали: титан и специални сплави в нишови индустрии

Аерокосмическата и медицинската индустрия все по-често използват влакнени лазери за рязане на титанови тръби с дебелина до 10 mm. Ефективната обработка изисква:

• 8–12 kW лазерна мощност
• Смес от защитни газове на база хелий
• Продължителност на импулса под 0,8 ms

Желязо-никелови суперсплави като Inconel изпитват годишен ръст от 19% при използването на лазерно рязане, особено за високотемпературни изпускателни компоненти, които изискват издръжливост до 1 200°C.

Избор на правилния тип лазер и параметри за вашия материал

Четири фактора определят оптималните лазерни настройки:

1. Отразяваща способност на материала : Медта изисква ≥4 kW мощност, докато стоманата може да се реже ефективно при 2 kW
2. Термични свойства : Алуминият се възползва от 3D соплови системи за управление на отвода на топлина
3. Диаметър на тръбата : Ротационните оси поддържат профили до 300 mm
4. Изисквания за повърхностна отделка : Резултати без заравняване при неръждаема стомана изискват 99,995% чисти поддържащи газове

Операторите трябва да извършват пробни резания при работа с нови сплави, тъй като дори 0,5% промяна в състава може да промени скоростта на рязане с 12–15%.

Часто задавани въпроси

• Как лазерите режат различни метали?

  Лазерното рязане зависи от това как материите абсорбират и разпределят енергията. Метали като неръждаема стомана и алуминий имат различни топлинни свойства, които влияят на реакциите им при лазерно рязане.

• Какви са предимствата на влакнестите лазери пред CO2 лазерите при рязане на метали?

  Влакнестите лазери осигуряват по-голяма скорост и ефективност в сравнение с CO2 лазерите, особено при тънкостенни тръби, поради по-късата им вълнова дължина и по-доброто абсорбиране на енергия.

• Могат ли влакнестите лазери да режат мед и месинг надеждно?

  Влакнестите лазери могат да режат мед и месинг с определени настройки като импулсни лазерни режими, но изискват повече мощност и време в сравнение с по-меките метали.

• Какви газове за подпомагане се използват при лазерната рязка?

  Газове за подпомагане като азот и кислород се използват за подобряване на качеството на рязане, предотвратяване на окисляване и повишаване на ефективността в зависимост от материала.

• Подходящи ли са влакнестите лазери за рязане на алуминий?

  Да, влакнестите лазери все по-често се използват за рязане на алуминий поради високата им ефективност, въпреки че са необходими корекции поради отразяващата способност и топлопроводимостта на алуминия.