Сканирование луча повышает качество лазерной резки толстолистовых сталей

Грег Блэкман обнаружил, что новая технология управления профилем луча ускоряет и улучшает качество лазерной резки толстого листа.

Станки лазерной резки в настоящее время являются очень мощным оборудованием. Машины для резки более толстых металлов могут достигать 20 кВт или выше, и даже машины, предназначенные главным образом для резки тонкого листового металла, могут граничить с отметкой 10 кВт. «Энергия доступна, и она становится дешевле», — прокомментировал д-р Andreas Wetzig, руководитель подразделения лазерной абляции и резки в Институте материаловедения и лучевой технологии Фраунгофера.

Однако мощность — это еще не все, и в настоящее время продолжается работа по увеличению производительности обработки с помощью других средств, для резки более толстых металлов путем формирования луча и автоматизации станка при резке тонкого листового металла.

Fraunhofer IWS работает над научно-исследовательскими проектами по разработке технологии управления профилем луча с целью повышения эффективности резки и, следовательно, скорости при резке толстых металлических пластин («толстолистовой» в данной статье означает все что превышает 4 мм).

«Цель состоит в том, чтобы максимально использовать доступную мощность лазера для процесса резки», — пояснил Ветциг. «В идеале вы должны использовать 100 процентов доступной мощности лазера; на самом деле вы используете менее 50% без процедуры управления профилем луча ». Согласно идеальным условиям, ученые Fraunhofer IWS наблюдали увеличение скорости до 50% с помощью технологии управления профилем луча, согласно Ветцигу. «Это не значит, что так будет всегда, но в лучшем случае вы можете увеличить до 50%», — пояснил он.

«По нашему мнению, лучше приложить усилия для управления профилем луча, чем увеличивать мощность лазера», — добавил он. Технология управления профилем луча Fraunhofer IWS использует два одиночных сканаторных зеркала для очень быстрого перемещения лазерного луча в пределах ширины реза в направлениях x и y. Лучем можно манипулировать на частотах до 4 кГц.

Fraunhofer IWS сотрудничал с производителем лазерных систем Amada, чтобы внедрить эту технологию в коммерческий лазерный станок, который Amada впервые продемонстрировала на выставке Euroblech 2018. Машина Amada Ventis представляет собой твердотельный лазерный резак мощностью 4 кВт, содержащий режущую головку, которая перемещает луч по различным траекториям, в то время как луч перемещается по детали, которую Amada называет технологией Locus Beam Control (LBC). Оптический блок может создавать бесконечные траектории раскрутки луча, что в зависимости от типа траектории, улучшает скорость и качество резки для различных материалов и толщин.

Система Locus Beam Control от Amada может создавать различные траектории раскрутки луча, что повышает скорость и качество резки для различных материалов и толщин.

«По сравнению со стандартным твердотельным лазером мощностью 4 кВт Ventis работает на 222% быстрее при резке алюминия 8 мм азотом» Официальный запуск Ventis состоится в мае 2019 года в Японии, а затем в Европе во второй половине этого года.

«Настоящей сильной стороной [Ventis] является азотная резка, особенно нержавеющей стали и алюминия, а также мягкой стали», — пояснил Мэтт Вуд, старший менеджер по продукции Amada Europe. «Это также очень хорошо для кислородной резки низкоуглеродистой стали, но наши машины Ensis в любом случае хороши».

По данным тестов, проведенных Amada, по сравнению с обычным твердотельным лазером мощностью 4 кВт Ventis работает на 222% быстрее при резке алюминия толщиной 8 мм азотом. «Это ставит его в диапазон скоростей резания, который был бы достигнут на лазерной машине, эквивалентной 6 кВт — но это всего лишь машина на 4 кВт», — подчеркнул Вуд.

«В случае нержавеющей стали и алюминия скорость резки для 6 кВт смещается в зону 8 кВт», — добавил он. По словам Амады, Ventis также улучшает качество режущей кромки — более чем на 50% для нержавеющей стали толщиной 12 мм. Это приближает его к качеству поверхности реза при резке азотом, достигаемому с помощью CO2-лазера, для которого качество кромки по-прежнему превосходит качество для твердотельного лазера, особенно для нержавеющей стали. ‘У нас было много клиентов, которые смотрели на Euroblech [на поверхность реза], и довольно много комментариев было:« Наконец-то появилась это машина, которая может заменить мой 4 кВт CO2 ».

Это казалось общей темой; особенно для людей, которые хотят более качественную резку », — сказал Вуд. Машина также способна минимизировать образование грата под резом, что снижает вторичную обработку. «Если мы сможем резать алюминий и нержавеющую сталь, а под ними не будет грата, это может сэкономить значительное количество общего времени производства», — добавил Вуд.

По словам Ветцига из Fraunhofer IWS, при резке тонких листов грата достаточно просто избежать, но для резки толстых листов это всегда проблема. «Если вы можете избежать грата, вы можете избежать дорогостоящей последующей обработки», — сказал он. Волоконный лазерный станок Ventis представляет собой однодиодный модуль мощностью 4 кВт. Инженеры Amada разработали диодный модуль 4 кВт специально для Ventis, чтобы избежать потери качества луча при объединении нескольких диодных модулей. Высокое качество луча максимизирует влияние технологии LBC на резку.

Вуд пояснил, что для диапазона средней толщины — от 4 до 10 мм — Ventis дает возможность резать на высокой скорости или резать немного медленнее, но с более высоким качеством. Однако при переходе на нержавеющую сталь 12 мм и 15 мм скорость резки и качество сходятся. 12-миллиметровый испытательный образец Amada из нержавеющей стали, который показал улучшение качества резки более чем на 50 процентов, также обрабатывался при 150 процентах стандартной скорости резки 4 кВт. Кроме того, по данным компании, грат был снижен на 85% по сравнению с обычным твердотельным лазером мощностью 4 кВт.

Более высокая мощность лазера хороша для скорости подачи и качества резки, но недостатком является то, что лазерам с более высокой мощностью требуется больше электроэнергии для работы; они требуют большей охлаждающей способности, а инженеры должны позаботиться о оптике. ‘Для резки используется проходная оптика, и со временем нелегко содержать оптику в чистоте. Легко купить мощный лазер и подключить его к машине, но у вас должна быть обрабатывающая головка, которая способна выдерживать мощность в течение длительного времени без особого технического обслуживания », — пояснил Ветциг.

Сдвиг фокуса в лазерном луче — это то, что может привести к снижению плотности мощности на заготовке. Это вызывается тепловым воздействием на оптические компоненты лазера, и немецкая компания-производитель Messer Cutting Systems решила свести к его минимуму в своих станках для лазерной резки с помощью программного алгоритма, разработанного с использованием измерений с помощью устройства для профилирования луча Ophir BeamWatch. BeamWatch — это бесконтактное устройство, которое измеряет излучение Рэлея, рассеянное от луча, для расчета профиля луча.

Профилировщик может проводить измерения с частотой кадров видео, что позволяет увидеть любое смещение фокуса. Преимущество избытка лазерной энергии состоит в том, что лазерная кислородная резка, которая используется для резки толстой мягкой стали, теперь заменяется лазерной резкой плавлением с использованием азота в качестве вспомогательного газа.

«В долгосрочной перспективе цель состоит в том, чтобы машина работала более или менее автономно в ночную смену или в выходные дни.

Азот используется для удаления расплавленного материала. В прошлом мощность лазера была дорогой, поэтому кислород использовался вместе с менее мощным пучком энергии, чтобы создать достаточно тепла для резки. «В настоящее время, поскольку имеется достаточно мощности лазера, даже мягкую сталь толщиной 15 мм можно резать с помощью процесса резки плавлением с использованием лазера мощностью 10 кВт или более высокой мощности», — сказал Ветциг.

Кислородная резка все еще используется для очень толстого материала толщиной 50 мм. Но, по сравнению с кислородной резкой, резка плавлением с азотом происходит быстрее, а режущая кромка имеет лучшее качество — на ней отсутствует окисление режущей кромки. Одна большая проблема для лазерной резки азотом — потребление газа; азот подается при давлении до 20 бар при резке плавлением.

«Расход газа может составлять до 10 процентов от эксплуатационных расходов машины. Это действительно важно », — сказал Ветциг. ‘Одной из целей производителей станков для лазерной резки является снижение потребления газа, поскольку вы снижаете затраты. На станках для резки тонких металлических листов обычно достаточно мощности лазера. Поэтому производители машин вкладывают усилия в автоматизацию, чтобы ускорить такие аспекты, как подача материала в машину или удаление отрезанных деталей как можно быстрее. Wood из Amada сказал: «Автоматизация все еще очень важна для лазерной резки в целом.

Поскольку твердотельные станки режут намного быстрее по сравнению с CO2-лазерами — особенно с тонкими материалами, — станок заканчивают работу до того, как оператору удастся достать детали из каркаса и вставить новый лист. Важно подумать об автоматизации, потому что вы получите больше пользы от лазерного станка, — продолжил он. «Какую бы лазерную технологию вы ни решили купить, вам нужно сочетать ее с какой-то автоматизацией, чтобы получить выгоду».

Fraunhofer IWS работает над новой оптикой для формирования луча, например, используя единственное зеркало на карданном приводе вместо двух зеркал с гальваническим приводом , что является более элегантным способом управления лучом в компактной установке. Ученые также экспериментируют с адаптируемым по оси z зеркалом, чтобы перемещать фокус лазера с верхней кромки на нижнюю кромку реза материала с частотой 2 кГц — вверх и вниз, как пила. «Мы еще не видели положительного влияния на скорость и качество резки, но мы ожидаем, что это так», отметил Ветциг.

«Фокусное положение лазерного луча в материале является критическим параметром для лазерной резки. ‘Даже если нет прямого преимущества быстрого перемещения луча в направлении z относительно качества резки, у нас может быть инструмент для управления с обратной связью, чтобы изменить фокусное положение, если оно начинает смещаться со временем. Кроме того, быстрая адаптация фокусного положения также поможет оптимизировать так называемый процесс прошивки, который используется для инициирования процесса резки толстых листов.

«Одним из параметров, который должен оставаться постоянным во времени, является ширина реза, расстояние между двумя срезанными краями. «Важно иметь надежный процесс», — сказал Ветциг. «Это означает отсутствие перерывов в обработке и поддержание постоянного качества резки».

Fraunhofer IWS работает над мониторингом процесса для улучшения качества резки, возможно, с целью обеспечения управления процессом с обратной связью в какой-то момент в будущем.

«Если у вас есть способ обнаружения снижения качества резки, вы можете контролировать процесс — вы можете уменьшить или увеличить мощность, адаптировать положение фокуса лазера, адаптировать скорость подачи или изменить параметры лазерного луча», — Ветциг объяснил. ‘Но прежде всего вам нужно следить за процессом; вам нужна корреляция между наблюдаемым процессом и качеством реза.

Это может включать информацию о том, есть ли на обратной стороне пластины остатки грата; информация о том, насколько гладкий край реза; и некоторая информация о ширине реза.

Один из методов мониторинга состоит в том, чтобы измерить интенсивность излучения, испускаемого во время процесса — от ультрафиолетовых до инфракрасных волн, — и сравнить эти показания с качеством резки. По словам Ветцига, существует некоторая корреляция между этими переменными. Более перспективным является использование тепловой камеры для изображения расплавленного материала, которая будет предоставлять локализованную информацию о температурном поле в пределах ширины реза. Fraunhofer IWS работает над этим.

Есть и другие методы — например, камера в видимом спектре предоставит некоторую информацию о ширине реза. Существует много причин, по которым качество резки может со временем ухудшаться, например, пыль на оптике или материал, ограничивающий поток газа.

Цель состоит в том, чтобы машина работала более или менее автономно в течение ночи или выходных. «Одна из наших целей — связать мониторинг процесса с управлением профилем луча», — сказал Ветциг. «Мы еще не сделали этого, но мы сделаем это. В настоящее время мы работаем отдельно по обоим вопросам, а затем объединяем их».

Фото: Образцы лазерной резки нержавеющей стали толщиной 12 мм из на станке Amada Ventis, без системы сканирования Locus Beam Control (слева) и с включенным LBC (справа).

Источник: https:// www.lasersystemseurope.com/feature/cut-above-thick-plate-processing; http://лазер.рф/2019/06/13/13328/ 13/06/2019 4