Paslanmaz Çeliği Disk ve CO2 Lazerlerle Kesme

Kesme, çeliklerin kesilmesinde CO₂ gaz lazerlerinin kullanımının hakim olduğu, lazerleri işlemek için önemli bir uygulamadır. CO₂ lazerlerinin dünya çapındaki satışlarının 2008 yılında 1.000 milyon doları geçmesi bekleniyordu, bu pazarın çoğunluğu düz levha kesmek için kullanılan lazerlerdi. Bu pazardan en büyük uygulama, düşük alaşımlı çeliklerin kesilmesidir. CO₂ lazerler düz plakada yüksek hızlı ve kaliteli kesimler üretmek için çok uygun olsa da, CO₂ lazerlerle kullanılan hareketli ayna ışın manipülasyon sistemleri 3D şekilleri kesmek için daha karmaşık hale gelir. CO₂ lazer ışığı, cam optikler veya optik fiberler tarafından iletilemeyecek kadar uzun olan 10,6 μm dalga boyuna sahiptir, bu nedenle altın kaplamalı aynalar ve potasyum klorür veya çinko selenidden yapılmış lensler ışın manipülasyonu ve odaklama için kullanılır. Çıkış dalga boyu 1μm olan lazerler, ışınlarının optik fiberden kolayca ve verimli bir şekilde iletilebilmesi avantajına sahiptir. Bunun bir avantajı, CO₂ lazer kesim sistemlerinde gerekli olan hareketli ayna manipülasyon sistemlerine olan ihtiyacı ortadan kaldırmasıdır. Fiber iletimli lazer teknolojisindeki son iki gelişme, disk lazer ve Yb: fiber lazer, önceki Nd: YAG katı hal lazerlerinde görülen ışın kalitesi ve verimliliği sorunlarının üstesinden geldi. Disk lazerler, lazer ortamı olarak iterbiyum katkılı katı disk şeklinde bir itriyum alüminyum granat kristali kullanır ve bu, diyot lazerler kullanılarak uyarılır. Bu, bir optik fiber aracılığıyla iletilebilen 1.03μm dalga boyuna sahip lazer ışığı üretir. Disk lazerler, Nd: YAG lazerlere göre çok iyi ışın kalitesine ve daha yüksek elektrik verimliliğine (% 10-20) sahiptir. Yb: fiber lazer, düşük seviyede iterbiyum ile katkılanmış bir optik fiberin lazerleme ortamı olduğu bir katı hal lazeridir. Bir dizi düşük güçlü tek modlu lazeri birleştiren bu teknoloji, lazer gücünün birkaç yüz watt'tan 30kW'a (şu anda kullanımda) ve potansiyel olarak 50kW ve üstüne ölçeklenmesini sağlar. Üretilen dalga boyu 1.07 mm olup yine optik fiber ile iletilebilir. Elektrik verimliliği %20-30'dur ve ışın kalitesi çok iyidir. Lazer kesim için kullanılan lazer güçlerinde, bu disk ve fiber lazerler o kadar iyi ışın kalitesine sahiptir ki, CO₂ lazerlerle oluşturulanlar kadar küçük noktalar oluşturmaya odaklanabilirler.

Önerilen Makale: Çelik profil malzemeler ve uygulamaları hakkında detaylı bilgi almak için yuvarlak çelik çubuk sayfamızı ziyaret etmenizi tavsiye ederiz.

Fiber lazerlerle gerçekleştirilen ve kesme potansiyellerini araştıran erken çalışmaların sonuçları, CO₂ lazerleri kullanılarak elde edilebilenlerle karşılaştırıldığında elde edilen kesim kalitesinde önemli farklılıklar gösterdi. Örneğin, fiber lazer kullanılarak inert yardımcı gaz ile paslanmaz çelikten yapılan kesik kenarların yüzey görünümü, CO₂ lazer ile yapılan numunelerdeki kadar düzenli değildi. Bununla birlikte, 1 mm'nin altındaki kalınlıklarda, fiber lazer kullanılarak daha hızlı bir hız elde edilebileceğine dair bazı kanıtlar vardı. O zamandan beri, fiber lazer kullanan diğer işçiler, hem oksijen hem de inert gaz destekli kesim için esasen aynı şeyi bulmuşlardır. O zamandan beri diğer çalışmalar lazerle kesme işleminin ışın parlaklığı terimlerini karşılaştırmaya çalıştı.

Burada bildirilen çalışma, yüksek ışın kalitesine sahip bir disk lazerin kesme kapasitesi ile paslanmaz çeliği (AISI 304 kalite) 0,6 ila 6,0 mm arasında kesmek için modern, ticari olarak mevcut, yüksek kaliteli birCO₂ lazer kesme sisteminin karşılaştırmasına odaklanmıştır. yüksek basınçlı inert gaz kullanarak kalınlık. Lazerle kesilmiş paslanmaz çelik, gıda işleme ekipmanları, medikal ürünler, kriyojenik ekipmanlar, beyaz eşya, mimari yapılar ve sanat eserleri imalatı gibi uygulamalarda birçok endüstri sektöründe kullanılmaktadır. Kalınlık aralığı, 1μm lazer kaynağı kullanılarak ince ve kalın malzemeler üzerinde farklı performans için bazı kanıtlar olduğu göz önüne alındığında, en iyi karşılaştırma verilerini sağlamak için seçilmiştir. Oksijenden elde edilebilen ek ekzotermik enerjiyi ve bunun kesim kalitesi üzerindeki etkilerini içermeyecek şekilde, oksijen destekli gaz kesmenin aksine, atıl yardımcı gaz kesme seçildi.

Denemeler iki lazer sistemi kullanılarak gerçekleştirildi. CO₂ lazeri, 5kW'lık bir Trumpf TruFlow 5000'di. Disk lazer, bir Trumpf TruDisc 5001 idi. Denemeler boyunca 5kW'lık sabit bir lazer gücü ve nitrojen destek gazı kullanıldı. Laboratuvar ortamında kullanılan disk lazerde ise 50 mm genişliğinde şerit şeritlerden kesitler kesildi. Bir Precitec YK52 kesme kafası kullanılarak dört malzeme kalınlığının her biri üzerinde denemeler gerçekleştirildi. Parametreleri daha da iyileştirmek ve işlem toleranslarını incelemek için lazer odak konumunu değiştirerek ve gaz basıncına yardımcı olarak kesmeler yapıldı. Her koşul için, hareket hızı, deneyler sırasında kesik kenarların görsel incelemesine dayalı olarak, kesilen belirli kalınlık için optimum olduğu görülen hızın üstünde ve altında adımlarla değiştirildi. Kesme memesi çapı ve ayırma, her malzeme kalınlığı için sabit tutulmuştur. Her bir malzeme kalınlığı için "en iyi" sonuçları veren kesme parametreleri Tablo 1'de gösterilmektedir. Bu iş için kullanılan CO₂ lazer, modern, ticari olarak temin edilebilen entegre 2D düz yataklı kesme sisteminin bir parçasıydı. Bu üretim makinesi, çeşitli malzeme ve kalınlık kombinasyonları için önceden programlanmış kesme parametrelerine sahipti, bu nedenle bunlar tüm paslanmaz çelik kesim kalınlıkları için kullanıldı.

İki lazer ışınının mevcut teknik verilerinden, minimum spot boyutunu ve Rayleigh uzunluğunu (burada R olarak tanımlanmıştır) tahmin etmek mümkün olmuştur. Disk lazer için tahmini minimum nokta boyutu 0.1 mm çap ve buna karşılık gelen R 6 mm idi. CO₂ lazer için tahmini minimum nokta boyutu 0.2 mm idi ve buna karşılık gelen R 3 mm idi.

Her numune seti, Avrupa standardı EN ISO 9013 (2002) ile uyumlu olarak Rz ve karelik ölçümü ile kenar kalitesi açısından değerlendirildi. Bunun artık sadece kesme kenarının yarısında tek bir ölçüm gerektirdiğini unutmayın. Ayrıca kesim kalitesinin görsel bir değerlendirmesi de yapıldı. Bu, ilgilenilen tüm kesik kenarların fotoğraflanmasıyla yapıldı. Bazı durumlarda, görsel yöntem kullanıldığında "en iyi" kesim, kaydedilen en düşük pürüzlülükle kesim olmak zorunda değildir. Bu görsel analizdeki 'en iyi' kesim, kalite ve hızın en iyi kombinasyonuna sahip olan olması olarak tanımlandı. Ticari lazer kesim dünyasında, bu Avrupa (veya diğer) standardına neredeyse hiç atıfta bulunulmadığına ve çoğu kesim kalitesinin görsel incelemeyle değerlendirildiğine dikkat edilmelidir. Lazer kesim ile ilgili birçok yayınlanmış çalışmada, örneklerin fotoğrafları (özellikle ışıklandırma) asla aynı olmadığından ve çok farklı görünen kesim kalitesine neden olabileceğinden, bir okuyucu için resim kenar kalitesi karşılaştırmalarını yorumlamak zordur. Bu nedenle burada bildirilen çalışmada, üretilen tüm numuneler aynı aydınlatma koşullarında aynı anda fotoğraflandı, böylece görsel kenar kalitesi karşılaştırmaları bir dereceye kadar güvenle yapılabilir.
 

Yukarıda tanımlanan en iyi görsel sonuçları veren kesme koşullarında ölçülen Rz değeri ile çeşitli malzeme kalınlıkları için kesme hızı arasındaki bir karşılaştırmayı göstermektedir. Bu analizde, CO₂ lazer ile kesim yaparken Rz'nin değişen malzeme kalınlığıyla nispeten sabit kaldığını, oysa disk lazerde, özellikle daha kalın bölümlerde kalınlığa sahip Rz'de büyük bir fark gözlendiğini göstermektedir. 0,6 mm kalınlıktaki malzeme dışındaki tüm durumlarda, CO₂ lazer ile "en iyi" sonuçlar, makine kontrol ünitesi tarafından otomatik olarak seçilen hızlardan biraz daha düşük kesme hızlarında kaydedildi. Bir daire ile çevrelenen sonuçlar, bu numuneler için hem pürüzlülük hem de karelik değerlerinin ISO standardının "Aralık 1" (en iyisi) dahilinde olduğunu göstermektedir. En ince iki malzeme için disk lazerle kesme hızının muhtemelen daha yüksek olabileceği, ancak kullanılan kesme tablasındaki mevcut hızlarla sınırlı olduğu da belirtilmelidir.

Bu pürüzlülük sonuçları (standarda göre) sadece tek bir pozisyonda, kesimin ortasına kadar ölçüldü. Kesim kalitesinin grafiksel analizini görsel olanla karşılaştırmak faydalıdır. Her malzeme kalınlığında "en iyi" disk lazer kesiminin kenar kalitesini gösterir ve bunu CO₂ lazer kullanılarak elde edilen "en iyi" kenar kalitesiyle karşılaştırır. Ayrıca CO₂ lazerin disk lazerin en iyi kesimi ile aynı hızdaki performansı da sunulmaktadır. Bu görüntülerde CO₂ lazer kesimleri, kesinlikle 1,2 mm'nin üzerindeki tüm kalınlıklar için disk lazer kesimlerinden daha iyi görünüyor.