Učinkovitost laserskega rezanja je odvisna od tega, kako različni materiali absorbirajo in razvajajo energijo. Vzemimo kovine, na primer nevtržno jeklo in aluminij, ki se vedenjujo precej drugače, saj njihove termalne lastnosti niso enake. Nevtržno jeklo ne prevaja toplote zelo dobro, približno 15 W/mK, kar pomeni, da se toplota pogosto nabira na enem mestu. Aluminij ima popolnoma drugačno zgodbo, saj ima precej višjo toplotno prevodnost, okoli 205 W/mK, zato se toplota hitro razširi, kar oteži doseganje enakomernega taljenja. Baker je spet povsem druga zgodba. Pri valovni dolžini 1 mikron baker odbije skoraj vso svetlobo, natančno rečeno 95 %. Ta problem z odsevanjem zahteva resne prilagoditve laserskega curka, če želimo stabilno rezanje. Če pogledamo sodobne laserske vlakna, lahko skoraj vso energijo iz jekla, kar 99 % absorpcije, vendar se s Bakerom pojavijo težave, saj absorpcija pade na le 60–70 %. Zato potrebujejo delavnice, ki obdelujejo baker, pogosto posebne tehnike in opremo, da bi dosegli ustrezne rezultate.
Kar zadeva rezanje nevtrdnih in nizkoogljičnih jekel, vlaknati laserji preprosto prekašajo CO2 sisteme, še posebej pri delu z tankostenskimi cevmi, kjer lahko režejo do 30 % hitreje. Zakaj? Vlaknati laserji delujejo pri veliko krajši valovni dolžini okoli 1,08 mikrona, ki jo kovine, kot je jeklo, bolje absorbirajo, zato je manj izgubljene energije in skupni časi ciklov krajši. V nasprotju pa daljše valovne dolžine CO2 laserjev pri 10,6 mikronih delujejo bolje za določene naloge. Pri rezanju netopnih kovin, kot je mesing, se manj odbijajo, zato se proizvajalci še vedno zanašajo nanje za specifične naloge, kjer je najpomembnejša stabilnost. Če pogledamo najnovejše številke iz leta 2023 iz letalske industrije, so podjetja, ki uporabljajo vlaknate laserje, dosegla znižanje stroškov rezanja nevtrdnega jekla za približno 18,50 USD na meter v primerjavi s tradicionalnimi CO2 sistemi. Večino teh prihrankov so dosegli zaradi manjše potrebe po pomožnem plinu med delovanjem ter boljše električne učinkovitosti v vseh pogledih.
Tri spremenljivke kritično vplivajo na kakovost reza:
Pri ogljikovem jeklu je pomembno ohranjati tlak plina med 1,2–1,5 bar da se prepreči nastajanje šlak in zagotovi enotna kakovost reza.
Nerjaveče jeklo in mehko jeklo predstavljata več kot 65 % industrijskih aplikacij za lasersko rezkanje cevi (IMTS 2023) in sta cenjena zaradi svojega razmerja med trdnostjo, zvarljivostjo in odzivnostjo na lasersko energijo. Te materiale je mogoče obdelati z debelino od 0,5 mm do 25 mm z minimalnimi toplotno vplivnimi območji, kar jih naredi primerna za visokotnočno proizvodnjo.
Nerjaveča jekla, kot sta 304 in 316 iz austenitne družine, se pogosto uporabljajo, ker vsebujejo približno 18 do 20 odstotkov kroma. To zagotavlja odlično zaščito pred korozijo in kemičnimi poškodbami. Pri rezanju teh materialov omogoča današnja vlaknasta laserska tehnologija zelo natančne reze. Gre za širine reza do samo 0,1 milimetra, s toleranco natančnosti ± 0,05 mm, tudi pri ceveh debelih 15 mm. Proizvajalci medicinske opreme in tisti, ki izdelujejo cevi za potrebščine živilske industrije, res potrebujejo takšno natančnost. Njihovi izdelki zahtevajo popolnoma gladke površine brez grobih robov ali žlehtov, kar lahko napredni laserski sistemi dosledno zagotovijo skozi večje serije.
Za rezanje brez oksidacije se priporoča uporaba dušikovega asistnega plina pri 12–16 barih za nevtrdne jeklene cevi debeline 3–8 mm. Za debelejše profile (10–15 mm) zagotavlja brezhibne rezultate brez odlaganja trosa in z minimalnim toplotnim upogibom delovanje s 4 kW vlaknastim laserjem pri hitrosti 0,8–1,2 m/min. Ti parametri omogočajo visoko ponavljivost v avtomatiziranih proizvodnih okoljih.
Relativno nizka vsebnost ogljika v mehki jeklu (manj kot 0,3 %) pomeni, da se hitro upari, ko se segreje na približno 1500 stopinj Celzija. Ta lastnost naredi mehko jeklo zlasti primerno za uporabo pri rezanju z vlaknastim laserjem. S standardnim laserskim sistemom z močjo 6 kW lahko operaterji prerežejo cevi iz mehkega jekla debelih 20 mm s hitrostmi, ki dosegajo približno 2,5 metra na minuto. Rezi imata skoraj navpični robovi z minimalnim kotnim odstopanjem (približno plus minus pol stopinje), kar je zelo primerno za varilce, ki ne želijo porabiti dodatnega časa za dokončno obdelavo po rezanju. Če pogledamo stroške, tudi tu so prihranki znatni. Podatki iz industrije iz FMA 2023 kažejo, da se stroški obratovanja zmanjšajo za približno 23 %, ko se preklopi s tradicionalnih metod plazemskega rezanja.
Pri debelini cevi iz ogljikovega jekla nad 25 mm pomagajo impulzni laserski načini (1–2 kHz) pri nadzoru toplotnega vnosa in preprečevanju deformacij. Uporaba mešanic pomožnih plinov na osnovi kisika izboljša odstranitev šlak, s čimer se ostanek zmanjša za 40 % pri 30 mm odsekih. To zagotavlja dimenzijsko natančnost konstrukcijskih komponent za gradbeništvo in težko strojništvo.
Dobavitelj avtomobilskih komponent prvega tira je uvedel 3D lasersko rezanje cevi za proizvodnjo 5000 cevi za vbrizg goriva na dan z 99,7 % dimenzijsko natančnostjo. Isto sistem je dosegel ponavljajočnost 0,12 mm na hidravličnih nosilcih iz SS304 za letala, pri čemer je čas obdelave po rezanju zmanjšal za 62 % v primerjavi s konvencionalnimi obdelovalnimi metodami.
Aluminij dejansko zelo dobro odbija svetlobo, okoli 90 % pri tipičnih valovnih dolžinah laserja, s katerimi delujemo, in tudi hitro izgublja toploto. Te lastnosti otežijo dosledno absorpcijo energije s stranjo lasera med procesom. Kaj se nato zgodi? No, raztopljena cona postane nestabilna in reža pride neenakomerna, zlasti pri tankostenskih ceveh, ki so v proizvodnji zelo pogoste. Še en izziv predstavlja toplotna prevodnost, saj aluminij prevaja toploto približno petkrat bolje kot nevtrdna jekla. Zaradi tega morajo operaterji zelo previdno prilagajati svoje parametre, če želijo čiste reže brez nadležnega ostanke, ki se jih nihče ne želi lotiti po procesu.
Uporaba dušika kot pomožnega plina zmanjša oksidacijo do 70 % v primerjavi s kisikom. Če to kombiniramo s pulznimi načini laserskega obdelovanja z visoko frekvenco (≥2000 Hz) in optimiziranimi razdaljami šobe od površine (0,8–1,2 mm), se gladkost roba izboljša za 25 %. Te prilagoditve so ključne za doseganje čistih površin, pripravljenih za varjenje, v visoko vrednostnih aplikacijah.
Proizvajalec je leta 2023 izvedel nekaj testov, kjer je dosegel natančnost okoli plus/minus 0,05 milimetra pri izdelavi vodilnih okvirjev za baterije električnih vozil z 6-kilovatno vlakensko lasersko nastavitvijo. Opazili so tudi nekaj zanimivega pri rezanju cevi aluminijeve zlitine serije 6xxx – z merjenjem temperaturnih sprememb v procesu so znatno zmanjšali odpad, in sicer z okoli 12-odstotnega odpada na malo več kot 3 odstotke. Povsem jasno je, da so se s podatki iz nedavnih študij, objavljenih v revijah, kot je Journal of Materials Processing Technology, potrdile informacije o tem, da se uporablja vedno več aluminija pri izdelavi lažjih vozil. Proizvajalci električnih avtomobilov zdaj nadomeščajo okoli 40 odstotkov kovinskih delov, ki so prej bili iz jekla, z posebej izrezanimi aluminijevimi deli.
Vlaknati laserji zdaj prevladujejo pri rezanju aluminijastih cevi in predstavljajo 68 % vseh namestitev na svetovni ravni. Njihova valovna dolžina 1,08 μm omogoča boljše absorpcijo v primerjavi s CO₂ laserji, kar omogoča hitrosti rezanja 1,2–1,8 m/min na 8 mm aluminiju s čistimi rezultati brez drobcev. To zmogljivost spodbuja uporabo v sektorjih ogrevanja, hlajenja, prevoza in obnovljivih virov energije.
Pri delu z bakrom in mesingastimi materiali se ti po nekaterih raziskavah iz leta 2023, objavljenih v Institute for Laser Processing, odbijeta okoli 95 % laserske energije na teh valovnih dolžinah v infrardečem območju. Ta odboj povzroča resne težave za optične komponente in oteži ohranjanje stabilnih procesnih pogojev. Mesing dodaja še dodatno stopnjo zaplete, saj se pri rezanju železovo komponenta upari, kar vodi do neenakomernih rezov z neenakimi robovi in včasih celo do majhnih lukenj, ki se pojavijo v materialu. Za obvladovanje teh težav se večina strokovnjakov zanaša na impulzne nastavitve lasera v kombinaciji z dušikovo plinasto podporo. Impulzi pomagajo bolje nadzorovati taljevanje, medtem ko dušik preprečuje oksidacijo, s čimer postane celoten proces rezanja za proizvajalce, ki se ukvarjajo s temi zahtevnimi kovinami, napovedljivejši in zanesljivejši.
Vlaknati laserji danes lahko prerežejo čiste bakrene pločevine debeline do 3 mm pri moči 1 kW ali višji in dostavljajo natančnost okoli 0,1 mm zaradi boljše tehnologije krmiljenja žarka. Toda obstaja ena pomembna težava: ti prerezi trajajo približno 30 do 40 % dlje v primerjavi z delom s steklom, saj bakra toploto zelo učinkovito prevaja. To omogoča valovna dolžina 1,08 mikrometra, ki jo bakra absorbira približno v 22 %, kar je skoraj trikrat bolje kot pri tradicionalnih CO2 laserjih. Ta izboljšava je omogočila proizvodnjo prečutljivih komponent, kot so električni vodi z tankimi stenami in specializirani sistemi za izmenjavo toplote, kjer je natančnost najpomembnejša.
Tri dokazano učinkovite metode izboljšata obdelavo bakra in mesinga:
Te metode zmanjšajo nastajanje struge za 62 % in ohranjajo hitrosti rezanja do 20 m/min na bakrenih ceveh debeline 2 mm.
Povpraševanje po natančnih bakrenih delih je po podatkih najnovejše raziskave Global Industrial Cutting Survey iz leta 2023 naraslo za skoraj polovico, vendar še vedno obstajajo precejšnje tehnične ovire, ki jih je treba premagati. Zelo tesne tolerance pod 0,2 mm, ki so potrebne za okrasne profile, ladijsko opremo in medicinske instrumente, ni mogoče enostavno izpolniti z običajnimi sistemi za rezanje. Sistem s 6 kW vlaknastim laserjem sicer obdeluje bakrovo debeline 8 mm z natančnostjo 0,25 stopinje, vendar uporaba takšne naprave stane približno 180 ameriških dolarjev na uro. Zaradi takšne cene večina podjetij uporablja te naprave le v nujnih primerih, pogosto pa so rezervirane za dragocene aplikacije v letalski industriji ali specializirano instrumentacijo, kjer takšna natančnost dejansko pomeni pomembno prednost.
Sodobne strojne naprave za lasersko rezkanje cevi kažejo različne zmogljivosti pri osnovnih materialih:
| Material | Maksimalna debelina (vlakenski laser) | Kakovost reza | Ključne razprave |
|---|---|---|---|
| Nepokvarjeno jeklo | 25 mm | Odlično | Za uporabo potreben dušik kot pomožni plin |
| Mehen ocel | 30 mm | Visoka natančnost | Najboljši rezultat z uporabo kisika kot pomožnega plina |
| Aluminij | 15 mm | Dober | Priporočljivo uporabiti protiodbojne prevleke |
| Med | 6 MM | Umeren | Močnejši laserji (>6 kW) so primerni |
| Iz železa | 12 mm | Soglasen | Prilagajanje frekvence impulzov je kritično |
Nerjaveče in nizkougljične jekla ostajajo najbolj prijazna za laser, saj dosledno dosegajo tolerance pod ±0,1 mm. Aluminij zahteva 30 % višjo hitrost rezanja kot jeklo, da se prepreči nastanek grudic, medtem ko bakrove odsevnosti ni mogoče popolnoma premagati – le 42 % proizvajalcev poroča o zanesljivih rezultatih pri rezanju čistega bakra, kar kažejo raziskave izdelave iz leta 2023.
V letalski in zdravstveni industriji se vse pogosteje uporabljajo vlaknati laserji za rezanje titanovih cevi debelih do 10 mm. Za učinkovito obdelavo so potrebni:
Nikelj temeljne superzlitine, kot je Inconel, beležijo 19 % letni rast pri sprejemanju laserskega rezanja, zlasti za visokotemperaturne izpušne komponente, ki zahtevajo vzdržljivost do 1.200 °C.
Štirje dejavniki določajo optimalne nastavitve lasera:
Operatorji morajo izvajati preskusne reze pri delu z novimi zlitinami, saj že 0,5 % variacija v sestavi lahko spremeni hitrost rezanja za 12–15 %.
Laserjevo rezanje je odvisno od tega, kako materiali absorbirajo in razpršujejo energijo. Kovine, kot sta nehr rustično jeklo in aluminij, imajo različne termalne lastnosti, ki vplivajo na njihovo reakcijo na laserjevo rezanje.
Vlaknasti laserji zagotavljajo odlično hitrost in učinkovitost v primerjavi z CO2 laserji, zlasti za tankostenske cevi, zaradi krajše valovne dolžine in boljše absorpcije energije.
Vlaknati laserji lahko z določenimi prilagoditvami, kot so impulzni laserski nastavitve, režejo baker in mesing, vendar zahtevajo več moči in časa v primerjavi z mehkejšimi kovinami.
Pomožni plini, kot so dušik in kisik, se uporabljajo za izboljšanje kakovosti reza, preprečevanje oksidacije in povečanje učinkovitosti, odvisno od materiala.
Da, vlaknati laserji se zaradi svoje učinkovitosti vedno bolj uporabljajo za rezanje aluminija, čeprav so zaradi odsevnosti in toplotne prevodnosti aluminija potrebne določene prilagoditve.
Tople novice
RT Laser je nacionalno priznano visokotehnološko podjetje, specializirano za raziskave, razvoj, proizvodnjo in prodajo laserske opreme. Naši glavni izdelki vključujejo stroje za lasersko rezanje vlaken, ročne laserske varilne stroje in upogibne stroje.
No.6-8, Binhe industrijski park, Jiyang distrikt, mesto Jinan, Shandong provinca, Kitajska.
Avtorske pravice © 2025 RAYTU LASER Technology Co., Ltd. Politika zasebnosti
EN
