Minkä putkimateriaalien tarkkaa leikkaamista putkilaserileikkauskoneet voivat käsitellä?

Miten putkea Laserleikkauskoneet Käsitellä eri materiaaleja

Laserin ja materiaalin vuorovaikutuksen perusteet putkien leikkauksessa

Laserleikkaamisen tehokkuus riippuu paljon siitä, kuinka eri materiaalit ottavat vastaan ja hajauttavat energiaa. Metalleissa esimerkiksi ruostumaton teräs ja alumiini käyttäytyvät aivan eri tavalla, koska niiden lämpöominaisuudet eivät ole samanlaiset. Ruostumaton teräs ei johda lämpöä hyvin – noin 15 W/mK – mikä tarkoittaa, että lämpö päätyy keskittymään yhteen kohtaan. Alumiinin kohdalla tilanne on toisenlainen, sillä sen lämmönjohtavuus on huomattavasti suurempi, noin 205 W/mK, jolloin lämpö leviää nopeasti ja sulatukset vaikeutuvat. Kupari on taas täysin eri asia. Yhden mikrometrin aallonpituudella kupari heijastaa takaisin lähes kaiken valon, tarkasti ottaen 95 %. Tämä heijastavuusongelma vaatii merkittäviä säätöjä laser säteeseen, jotta leikkaus pysyy stabiilina. Katsottaessa modernia kuitulaseria, ne pystyvät absorboimaan lähes kaiken energian teräksestä – lähes 99 %:n absorptio – mutta kuparin kohdalla absorptio laskee vain 60–70 %:iin. Tämän vuoksi kuparin kanssa työskentelevät toimipisteet tarvitsevat usein erityisiä tekniikoita ja laitteita, jotta leikkaus toimii moitteettomasti.

Kuitu- ja CO₂-laserit: suorituskykyeroja metallinkäsittelyssä

Kun on kyse ruostumattoman ja hiiliteräksen leikkaamisesta, kuitulaserit voittavat selkeästi CO2-laserit, erityisesti ohutseinämäisten putkien kanssa työskenneltäessä, jolloin leikkausnopeus voi olla jopa 30 % suurempi. Syy? Kuitulaserit toimivat huomattavasti lyhyemmällä aallonpituudella noin 1,08 mikrometrissä, joka absorboituu paremmin metalleihin kuten teräs, jolloin energianhukka vähenee ja kierroksiaika lyhenee. Toisaalta CO2-laserit toimivat pidemmällä aallonpituudella 10,6 mikrometrissä, jotka taas soveltuvat paremmin tietyntyyppisiin töihin. Ne eivät heijasta yhtä paljon kuin leikattaessa ei-rautametalleja, kuten messinkiä, joten valmistajat luottavat edelleen niihin tietyissä tehtävissä, joissa vakaus on tärkeintä. Tarkasteltaessa vuoden 2023 lentokonealan lukuja, yritykset, jotka käyttivät kuitulaseriä, saivat ruostumattoman teräksen leikkauskustannuksiaan laskettua noin 18,50 dollaria per metri verrattuna perinteisiin CO2-järjestelmiin. Suurin osa tästä säästöstä saavutettiin tarvitsemalla vähemmän apukaasua käytön aikana sekä parantamalla sähköistä tehokkuutta yleisesti.

Keskeiset tekijät jotka vaikuttavat materiaalinyhteensopivuuteen ja leikkauksen tarkkuuteen

Kolme muuttujaa vaikuttavat ratkaisevasti leikkauksen laatuun:

1. Materiaalin paksuus : Putket ≥10 mm vaativat usean läpimenon tai impulssileikkauksen lämmön kerääntymisen hallintaan ja vääntymisen estämiseksi.
2. Suihkun keskittyminen : 0,1 mm polttopisteen koko antaa erittäin tarkan leikkauksen ohuille ruostumattomille teräksille, mutta voi aiheuttaa epästabiilisuutta hyvin johtavissa materiaaleissa, kuten alumiinissa.
3. Apukaasut : Typpi estää hapettumista ruostumattomassa teräksessä ja tuottaa siistit reunat, kun taas paineilma tarjoaa 40 %:n kustannusedun alumiinille laadun kärsimättä.

Hiiliteräkselle kaasupaineen ylläpitäminen välillä 1,2–1,5 bar on välttämätöntä kuonan muodostumisen välttämiseksi ja leikkauksen laadun varmistamiseksi.

Ruostumaton teräs ja pehmeä teräs: Ydinkäyttökohteet putkien laserleikkuukoneille

Ruostumaton teräs ja hiiliteräs edustavat yli 65 %:a teollisuuden putkien laserleikkaussovelluksista (IMTS 2023), joissa arvostetaan niiden lujuuden, hitsattavuuden ja laserenergialle herkkyyden tasapainoa. Näitä materiaaleja voidaan käsitellä 0,5 mm:stä 25 mm:n paksuudella vähäisellä lämmön vaikutusvyöhykkeellä, mikä tekee niistä ideaalisia korkean tarkkuuden valmistukseen.

Tarkkuus ja tehokkuus ruostumattoman teräsputken laserleikkaamisessa

Ruisputkiperäisen perheen ruostumattomat teräkset, kuten 304 ja 316, ovat paljon käytössä, koska ne sisältävät noin 18–20 prosenttia kromia. Juuri tämä antaa niille erinomaisen suojan ruostumisen ja kemiallisen vaurion varalta. Näiden materiaalien leikkaamisessa nykyaikainen kuitulaseritekniikka mahdollistaa erittäin tarkat leikkaukset. Kyseessä on sauma, jonka leveys voi olla jopa 0,1 millimetriä, ja jossa mitatarkkuus on ±0,05 mm, vaikka putken paksuus olisi 15 mm. Lääkintävarusteiden valmistajat ja elintarviketeollisuuden putkien valmistajat vaativat tämän tyyppistä tarkkuutta. Heidän tuotteidensa pintojen täytyy olla täysin sileitä eikä niissä saa olla minkäänlaisia epäsäännöllisyyksiä tai kiiltoja, jotain mitä vain edistynyt laseritekniikka pystyy johdonmukaisesti tarjoamaan tuotantosarjoissa.

Optimaaliset laserin asetukset ja apukaasut puhtaan ruostumattoman teräksen leikkaamiseksi

Hapettumattomien leikkausten saavuttamiseksi suositellaan typen avustakaasua 12–16 bar paineessa 3–8 mm ruostumattomille teräsputkille. Paksummille osille (10–15 mm) 4 kW:n kuitulaserin käyttö 0,8–1,2 m/min nopeudella takaa roskattomat tulokset samalla kun minimitään lämmönsäädön aiheuttamat väännöt. Näillä parametreilla tuestaan korkeaa toistettavuutta automatisoiduissa tuotantoympäristöissä.

Miksi rakenneteräs on erittäin yhteensopiva kuitulaserin putkileikkausta vastaan

Kohtalaisen matala hiilipitoisuus pehmeässä teräksessä (alle 0,3 %) tarkoittaa, että se höyrystyy nopeasti kun sitä lämmitetään noin 1 500 celsiusasteeseen. Tämä ominaisuus tekee pehmeästä teräksestä erityisen sopivan kuitulaserleikkaussovelluksiin. Standardilla 6 kW:n lasersysteemillä leikkaajat voivat leikata 20 mm paksuisia pehmeiden terästen putkia nopeuksilla, jotka saavuttavat noin 2,5 metriä minuutissa. Leikkaukset tuottavat lähes pystysuorat reunaosat vähäisellä kulmavirheellä (noin plusmiinus puoli astetta), mikä on erinomaista uutisia hitsaajille, jotka eivät tarvitse lisäaikaa leikkauksen jälkikäsittelyyn. Katsottaessa lopullista tulosta, nämä lasersysteemit tarjoavat myös merkittäviä säästöjä. FMA 2023 -teollisuuden tiedot osoittavat, että käyttökustannukset laskevat noin 23 %, kun siirrytään perinteisistä plasmaleikkausmenetelmistä.

Lämpötilan hallinta ja leikkauksen laatu paksuihin hiiliteräsputkiin

Hiiliteräisille putkille, joiden paksuus ylittää 25 mm, pulssilaserimoodit (1–2 kHz) auttavat säätämään lämpötilaa ja estämään vääntymistä. Happipohjaisien apukaasuseosten käyttö parantaa kuonan poistamista, vähentäen jäännöksiä 40 %:lla 30 mm osuuksissa. Tämä takaa tarkat mitat rakennus- ja raskaiden koneiden rakenneteileissä.

Tapaus: Tarkkatoleranssiset teräskomponentit ilmailu- ja autoteollisuudessa

Tier 1 -autoteollisuuden toimittaja otti käyttöön 3D-putkileikkausjärjestelmän, jolla valmistetaan 5 000 polttoainesuulaketta päivässä 99,7 %:n mittatarkkuudella. Sama järjestelmä saavutti 0,12 mm toistotarkkuuden SS304 lentokoneiden hydraulikiinnikkeissä, vähentäen jälkikäsittelyaikaa 62 %:lla verrattuna perinteisiin koneistusmenetelmiin.

Alumiini ja muut ei-rautametallit: haasteet ja edistysaskelet

Alumiiniputkien leikkaamisessa esiintyvät heijastavuus- ja lämmönjohtavuusongelmat

Alumiini heijastaa valoa erittäin hyvin, noin 90 %:sti tyypillisillä laserin aallonpituuksilla, joilla työskentelemme, ja se myös menettää lämpöä melko nopeasti. Näiden ominaisuuksien vuoksi on vaikeaa saavuttaa laserin energian tasainen absorboituminen työstön aikana. Mitä tapahtuu seuraavaksi? No, sulakuppi alkaa levitä kaikkialle, ja leikkausaukko lopulta näyttää epätasaiselta, erityisesti ohuiden putkien käsittelyssä, joita käytetään yleisesti valmistuksessa. Lämpöjohtavuus on myös yksi haaste, koska alumiini johtaa lämpöä noin viisi kertaa tehokkaammin kuin ruostumaton teräs. Tämän vuoksi työntekijöiden täytyy säätää työstöparametreja erittäin huolellisesti, jos halutaan saavuttaa puhdas leikkaus ilman ärsyttävää pohjapalaa, josta syntyy lisätyötä myöhemmin.

Parhaat käytännöt hapettumisen minimoimiseksi ja leikkauksen laadun parantamiseksi

Typpikaasun käyttö apukaasuna vähentää hapettumista jopa 70 % verrattuna happiin. Tämän yhdistämällä korkeataajuiseen pulssilaserimoodiin (≥2 000 Hz) ja optimoituun suutinkatkoon (0,8–1,2 mm) parannetaan reunojen tasaisuutta 25 %. Näillä säädöillä on ratkaiseva merkitys saavuttaa siistit, hitsausta varten valmiit pinnat korkealaatuisissa sovelluksissa.

Tapaus: Alumiinikotelo komponentit sähköajoneuvoihin

Valmistaja teki joitakin testejä vuonna 2023, joiden kautta he saavuttivat noin plusmiinus 0,05 millimetrin tarkkuuden valmistettaessa sähköautojen akkolaatikoita 6 kilowatin kuitulaseriasetelmalla. He huomasivat myös jotain mielenkiintoista leikatessa 6xxx-sarjan alumiiniputkia – säilyttämällä lämpötilanmuutokset prosessin aikana, he pystyivät vähentämään jätteen määrää huomattavasti, laskien noin 12 prosentista päästöjä vain yli kolmeen prosettiin. Viimeaikaiset tutkimukset, jotka on julkaistu esimerkiksi Journal of Materials Processing Technology -lehdessä, ovat osoittaneet selkeää siirtymistä teräksen sijaan kevyempiin autoihin käytettävään alumiiniin. Sähköautojen valmistajat ovat nyt korvaamassa noin 40 prosenttia aiemmista teräsosista erityisesti leikatuilla alumiiniosilla.

Kuitulaserien käytön lisääntyminen alumiinin käsittelyssä teollisissa sovelluksissa

Kuitulaserit hallitsevat nykyisin alumiiniputkien leikkausta, niillä on 68 % maailmanlaajuisista asennuksista. Niiden 1,08 μm aallonpituus tarjoaa paremman absorboitumisen kuin CO₂-laserit, mikä mahdollistaa leikkausnopeudet 1,2–1,8 m/min 8 mm alumiinilla ilman roskautumista. Tämä suorituskyky edistää hyväksymistä ilmanvaihto-, liikenne- ja uusiutuvan energian sektoreilla.

Kupari ja messinki: Kiihdytetään putkien laserleikkuusteknologian rajoja

Korkean heijastavuuden haasteet kuparin ja messinkiputkien käsittelyssä

Kuparin ja messingin käsittelyn yhteydessä ne heijastavat takaisin noin 95 % laserenergiasta infrapuna-aallonpituudet, kuten on ilmennyt Laser Processing Institutin vuoden 2023 tutkimuksesta. Tämä heijastuminen aiheuttaa todellisia ongelmia optisille osille ja tekee olosuhteiden ylläpidosta stabiileja hyvin haastavaa. Messinki lisää haasteita, sillä sen leikatessa sinkkiosuus pyrkii haihtumaan, mikä johtaa epäjohdonmukaisiin leikkauksiin epätasaisilla reunoilla ja joskus jopa mikrojäyhiin materiaaliin. Näiden ongelmien kiertämiseksi ammattilaiset luottavat yleisesti pulssilaserin asetuksiin yhdistettynä typpikaasuun. Pulssit auttavat sulatuksen hallinnassa, kun taas typen ansiosta estetään hapettumista, mikä tekee leikkausprosessista ennustettavamman ja luotettavamman valmistajille, jotka käsittelevät näitä haastavia metalleja.

Voivatko kuitulaserit leikata luotettavasti puhdasta kuparia? Tekninen analyysi

Fiberlasereilla voidaan nykyisin leikata puhdasta kuparilevyä, jonka paksuus on jopa 3 mm, kun ne toimivat 1 kW:n teholla tai sitä suuremmalla teholla ja niissä on noin 0,1 mm:n tarkkuus paremman säteenohjausteknologian ansiosta. Mutta tässä tapauksessa on otettava huomioon seuraava seikka: kuparin leikkaamiseen kuluu noin 30–40 prosenttia enemmän aikaa verrattuna teräksen leikkaamiseen, koska kupari johtaa lämpöä tehokkaasti. Mahdollistavan tekijänä tässä on laserin 1,08 mikrometrin aallonpituus, jonka kupari absorboi noin 22 prosentin tehokkuudella, mikä on lähes kolminkertainen arvo verrattuna perinteisiin CO2-lasereihin. Tämä kehitys on avannut uusia mahdollisuuksia valmistaa tarkasti tehtäviä komponentteja, kuten ohutseinäisiä sähköputkia ja erikoiskäyttöisiä lämmönvaihtajia, joissa tarkkuus on erityisen tärkeää.

Strategiat heijastavuuden riskien vähentämiseksi ja leikkauksen tasaisuuden parantamiseksi

Kolme todettua menetelmää parantavat kuparin ja messinkin käsittelyä:

• Pinta-käsittelyt : Antiheijastapinnoitteet parantavat absorptiota 18–25 prosenttia
• Säteen muotoilu : Suorakulmaiset valaistusmallit vähentävät heijastushäviöitä
• Hybridimenetelmät : Energian säästöinen esilämmitys yhdistettynä pulssileikkaukseen vakauttaa sulakupin

Nämä menetelmät vähentävät roskamuodostumista 62 % ja pitävät leikkausnopeudet jopa 20 m/min 2 mm: n messingiputkissa.

Markkinoiden kysyntä vs. Tekninen rajoitukset messingleikkauksessa

Tarkan laadun omaavien messinkiosien kysyntä on noussut lähes puoliksi viimeisimmän vuoden 2023 Global Industrial Cutting -kyselyn mukaan, mutta siinä on edelleen melkoisia teknisiä haasteita. Todella tiukkojen toleranssien saavuttaminen alle 0,2 mm: lle, joita tarvitaan esimerkiksi koristeviimeille, meriteollisuuden varusteille ja lääkintälaitteille, ei kuitenkaan onnistu tavallisilla leikkausjärjestelmillä. Kyllä, 6 kW:n kuitulaserit voivat leikata 8 mm messingiä noin 0,25 asteen tarkkuudella, mutta yhden tällaisen koneen käyttö maksaa noin 180 dollaria tunnissa. Tällainen hinta tarkoittaa, että suurin osa yrityksistä käyttää niitä vain tarvittaessa, yleensä kalliille lentokosmisten sovellusten tai erikoistuneen mittauslaitetekniikan tarpeisiin, joissa äärimmäinen tarkkuus on välttämätöntä.

Materiaalien yhteensopivuusopas putkien laserleikkaukoneisiin

Laserin sopivuuskaavio: ruostumaton teräs, pehmeä teräs, alumiini, kupari, messingi

Nykyiset putkien laserleikkaukoneet toimivat eri tavoin keskeisillä materiaaleilla:

Ruostumaton ja pehmeä teräs ovat edelleen laserystävällisimpiä, saavuttaen jatkuvasti toleranssit alle ±0,1 mm. Alumiinin leikkauksessa tarvitaan 30 % nopeampi leikkausnopeus kuin teräksellä estääkseen roskan muodostumisen, kun taas kuparin heijastavuus rajoittaa menestystä – vain 42 % valmistajista ilmoittaa luotettavat tulokset puhdella kuparilla, kuten 2023 valmistusmittaukset osoittavat.

Uudet materiaalit: titaani ja erikoisjuotteet erikoiskäytöissä

Ilmailu- ja lääkärisektorit käyttävät yhä enemmän kuitulaseria leikatessa titaaniputkia, joiden paksuus on enintään 10 mm. Tehokas käsittely vaatii:

• 8–12 kW:n laseriteho
• Happipohjaiset suojakaasuseokset
• Pulssin kesto alle 0,8 ms

Nikkeliin perustuvat superjuotteet, kuten Inconel, ovat saaneet 19 %:n vuosittaisen kasvun laserleikkauskäytössä, erityisesti korkean lämpötilan poistoputkien osalta, joiden kestävyyden on oltava jopa 1 200 °C asti.

Oikean laserlaitetyypin ja parametrien valinta materiaalillesi

Neljä tekijää määrittää optimaaliset laserasetukset:

1. Materiaalin heijastavuus : kuparia varten tarvitaan ≥4 kW:n teho, kun taas terästä voidaan leikata tehokkaasti 2 kW:n teholla
2. Lämpöominaisuudet : Alumiini hyötyy 3D-suuttimista, jotka hallinnoivat lämmön hajaantumista
3. Putken halkaisija : Pyöritykselliset akselit tukevat profiileja, joiden koko on enintään 300 mm
4. Pinta-terminaattorivaatimukset : Ruostumattoman teräksen reunoja leikattaessa tarvitaan 99,995 %:n puhtausasteen apukaasuja

Käyttäjien tulisi tehdä testileikkauksia uusilla seoksilla, sillä jo 0,5 %:n muutos koostumuksessa voi muuttaa leikkausnopeutta 12–15 %.

UKK-osio

• Miten laserit leikkaavat eri metalleja?

  Laserleikkaus riippuu siitä, kuinka materiaalit absorboivat ja siirtävät energiaa. Metallit kuten ruostumaton teräs ja alumiini omaavat erilaiset lämpöominaisuudet, jotka vaikuttavat niiden reaktioon laserleikkausta kohtaan.

• Mikä tekee kuitulaserista paremman kuin CO2-laser metallien leikkaamisessa?

  Kuitulaser tarjoaa paremman nopeuden ja tehokkuuden verrattuna CO2-laseriin, erityisesti ohutseinäisiin putkiin, lyhyemmän aallonpituuden ja paremman energian absorboinnin ansiosta.

• Voiko kuitulaserilla leikata kuparia ja messinkiä luotettavasti?

  Kuitulaser voi leikata kuparia ja messinkiä tietyillä säädöillä, kuten pulssiasetuksilla, mutta leikkaus vaatii enemmän tehoa ja aikaa kuin pehmeämpien metallien kanssa.

• Mitä apukaasuja käytetään laserleikatuissa kaasuissa?

  Apukaasuja, kuten typpeä ja happea, käytetään leikkauksen laadun parantamiseksi, hapettumisen estämiseksi ja tehokkuuden lisäämiseksi materiaalista riippuen.

• Soveltuvatko kuitulaserit alumiinin leikkaamiseen?

  Kyllä, kuitulaserit ovat yleistymässä alumiinin leikkauksessa niiden tehokkuuden vuoksi, vaikka alumiinin heijastavuuden ja lämmönjohtavuuden vuoksi tarvitaan säätöjä.