+ 86-18052080815 | info@harsle.com
Usted está aquí: Casa » Noticias » Blog » Corte de chapa de acero dulce de 50 mm de espesor con un láser Nd: YAG

Corte de chapa de acero dulce de 50 mm de espesor con un láser Nd: YAG

Número Navegar:55     Autor:Editor del Sitio     publicar Tiempo: 2018-05-09      Origen:motorizado Su mensaje

Instalación de procesamiento láser industrial Instituto de investigación industrial Swinburne (IRIS)

Swinburne University of Technology

CORREOS.Box 218 Hawthorn Melbourne Vic.3122 Australia

Abstracto

  Presentamos los resultados de experimentos que investigan la viabilidad de cortar chapa de acero dulce gruesa (> 15 mm) con un láser Nd: YAG con fibra acoplada.Los experimentos   se realizaron con una onda continua de 2,5 kW Nd: YAG láser entregado a la pieza de trabajo a través de una fibra óptica de núcleo de sílice de 0,6 mm de diámetro.Las muestras de acero dulce varían en grosor de 10 a 50 mm.Se presentan y discuten los efectos de una gama de parámetros operativos, como la posición focal y la posición de la boquilla de corte en relación con la superficie de acero, la presión del gas auxiliar, la potencia y la velocidad del proceso, en la calidad de la superficie de corte.Los resultados hasta la fecha muestran que es posible cortar placas de acero dulce de hasta 50 mm de espesor a velocidades de hasta 200 mm / min con tan solo 500 W de potencia de láser Nd: YAG.La superficie de corte es lisa y no hay escoria.Estos resultados son prometedores para la aplicación de la tecnología láser Nd: YAG para el corte de chapa gruesa de acero.

1.0 Introducción

  El corte por láser representa aproximadamente 1/4 de la industria de procesamiento de materiales láser [1].En más de 30 años desde que se produjo el primer corte láser asistido por gas [2], poco ha cambiado al método de corte por láser.Para cortar aceros suaves, un rayo láser se enfoca en o cerca de la superficie de la pieza de trabajo y rodeado por una corriente coaxial más amplia de gas auxiliar de oxígeno.Por lo general, las potencias de láser de hasta 3 kW se utilizan para cortar aceros suaves de 12 a 15 mm de espesor con placas más gruesas cortadas principalmente con sistemas de plasma o de oxígeno y combustible.Aunque es posible cortar metales con el láser de CO2 de hasta 40 mm de espesor, hay una disminución significativa en la calidad del corte y la reproducibilidad [3].

  Una solución para cortar chapa gruesa de acero dulce es aumentar la potencia del láser.Si bien   hay una serie de ventajas en este enfoque, también existen desafíos importantes.A mayores potencias (3.5 kW y más), la calidad del rayo se vuelve inestable, la vida útil de los componentes ópticos   es   reducida,   equipos   ejecutando   costos   son   altos   y   cortandola precisión se deterioraSe demostró en [4] que para una calidad de acabado superficial dada, aunque el grosor de la ranura permanece aproximadamente constante, la velocidad de corte no se reduce proporcionalmente, lo que indica una reducción en la eficacia del corte con el aumento del grosor del material.La reducción de la eficacia del corte a medida que el material se vuelve más grueso se atribuye a una reducción en la capacidad del gas auxiliar para cortar la masa fundida.Con el corte de materiales más gruesos, la presión debe aumentar para permitir la eliminación del material fundido.Sin embargo, cuando se usa gas de asistencia de oxígeno, la naturaleza exotérmica de la reacción significa que la presión de oxígeno debe reducirse con un grosor creciente para detener una reacción exagerada que tiene lugar dentro de la ranura.El control estricto de la presión de oxígeno es esencial para evitar quemar incontrolablemente el área calentada.Esto representa una contradicción en los requisitos para el corte exitoso de acero dulce grueso.Limita el grosor máximo de corte, a pesar de la capacidad de extender el rendimiento de corte al aumentar la potencia del láser.Para superar esta limitación y ampliar la capacidad de espesor del corte por fusión reactiva, se requieren métodos alternativos y novedosos.

  Se han desarrollado numerosas técnicas para superar la reducción del rendimiento de corte a medida que aumenta el grosor del acero dulce.Incluido en estos son: corte con láser de llama [5], lentes de doble foco [6], serrado de haz con óptica adaptativa [7], corte por láser con una boquilla coaxial (anular) [8], corte con láser de CO2 de doble haz [9], haz láser giratorio [13, 14] y corte de oxígeno asistido por láser (Lasox ©) [10 - 12].

  Hemos informado anteriormente [14] cortando una placa de acero suave más gruesa usando el rayo láser giratorio Nd: YAG.Aquí se informan los resultados del corte de una placa gruesa de acero dulce (> 15 mm) usando un láser de Nd: YAG entrelazado mediante el movimiento del rayo láser (un método análogo al giro del rayo) y mediante el método de corte láser con oxígeno comoel de corte de Lasox [10, 11, 12].Las pruebas de corte con láser de Nd: YAG dominadas por oxígeno se llevaron a cabo utilizando presiones de gas de asistencia de oxígeno primero bajas y luego altas.

2.1 Wobbling el rayo láser

2.1 Detalles experimentales

  La oscilación del rayo láser se produjo por rotación parcial (oscilación) de una ventana óptica a través de un ángulo, como se muestra en la Figura 1 (a).Esto dio como resultado un desplazamiento de punto focal máximo de 0,45 mm a una frecuencia máxima de 20 Hz.En la Figura 1 (b) se muestra una pista resultante, aquí con una longitud de onda exagerada para mostrar el movimiento oscilatorio.Fue posible variar la amplitud de oscilación de la ventana para efectuar cambios en el ancho de corte para estudiar el efecto de ensanchar la entalladura en el proceso de corte.

Corte de 50 mm de espesor (9)

2.2 Aceros de corte con enfoque asistido por láser asistido por oxígeno

  El método de corte asistido por láser asistido por oxígeno se implementó en placas de acero dulce AS3678 con un espesor de 16 a 50 mm.Las presiones de gas de oxígeno asistido se mantuvieron a menos de 120 kPa (corte de oxígeno a baja presión - LOPOx) oa altas presiones (corte de oxígeno a alta presión - HiPOx).Los resultados de corte se registraron en función de la calidad de corte (estriación de corte, forma de corte, escoria excesiva) y velocidad de corte.

3.0 Resultados

3.1Wobbling el rayo láser.

  Al tambalear la viga en la pieza de trabajo, se aumentó el grosor máximo de corte de 12 mm, que se encontró con el corte convencional, a 16 mm.Un gráfico de velocidad máxima de corte para varios espesores y potencias de láser, que se ve en la Figura 2, indica que aunque el grosor del corte se mejoró con la viga oscilante, la velocidad de corte es similar a la del corte convencional (CW). Esto indica que el corteEl proceso que ocurre dentro de la ranura no cambia durante el corte del rayo oscilante.Velocidades de corte similares también se lograron con el haz giratorio [14].

Corte de 50 mm de espesor (1)

  El mayor grosor del corte se puede atribuir al mayor ancho de corte.Esto se demuestra variando la amplitud del bamboleo como se muestra en la Figura 3. Aquí, como la amplitud del bamboleo se reduce secuencialmente desde una amplitud máxima de 0,45 mm a cero, se reduce el ancho de corte, lo que corresponde a una reducción en la capacidad de despejarel derretimientoEsto demuestra claramente la necesidad de tener un ancho de corte adecuado para permitir que las escorias se despejen.Esta visión también es expresada por otros [12], donde se sugiere que tanto la dinámica de fluidos como la termodinámica están limitadas por estrechas encuadernaciones.

Corte de 50 mm de espesor (2)

3.2Aceros de corte con enfoque asistido por láser asistido por oxígeno

3.2.1 Corte dominado por oxígeno de baja presión - LoPOx

  El proceso de corte LoPOx usa el mismo rayo láser de diámetro más grande y   chorro de oxígeno de imposición estrecha en la parte superior de la pieza de trabajo como se ve en el proceso Lasox, pero con presiones de gas de menos de 120 kPa.Las superficies de corte que se muestran en la Figura 4 con el proceso LoPOx demuestran que las potencias bajas del láser incidente no obstaculizan el corte con láser, siempre y cuando el inicio primario y continuo del corte pueda tener lugar.De hecho, a medida que aumenta la velocidad de corte, la potencia del láser incidente puede contribuir con demasiada energía y, por lo tanto, provocar una estriación excesiva.Esto se demuestra en la figura observando la velocidad de corte de 450 mm / min, donde se generó una mejor superficie con 533 W de potencia láser incidente que la que se logró a 1420.

W. Aquí, la velocidad de reacción exotérmica está determinada por la velocidad de corte.La potencia del láser incidente solo se requiere para calentar la superficie superior a más de 1000 ° C [11] e iniciar el proceso de fusión reactiva.El exceso de potencia del láser incidente reduce la calidad del corte.Esto demuestra que los problemas de interacción oxígeno-hierro, no la potencia del láser incidente, ahora rigen principalmente la calidad del corte.Por lo tanto, este es un proceso de corte por láser dominado por el oxígeno.

  En la Figura 4, a medida que se reduce la potencia para cada velocidad de corte, las primeras indicaciones de potencia incidente mínima es el inicio de corte pobre como se ve en el extremo derecho.Esto demuestra que los requisitos de potencia en el inicio de corte son más altos que los del proceso de corte en curso y la potencia requerida para el establecimiento rápido de un proceso de corte continuo y no la potencia para el proceso en curso es el criterio esencial.

Corte de 50 mm de espesor (3)

  Cuando el corte LoPOx utiliza un diámetro de boquilla coaxial más pequeño para el mismo material de espesor, se obtienen las mismas velocidades de corte pero con un ancho de corte más angosto y, en consecuencia, un flujo de oxígeno reducido.Sin embargo, los cortes de alta calidad no pudieron lograrse con las potencias láser más bajas con el diámetro de boquilla más grande utilizado en la Figura 4. Esto a pesar de una mancha láser más intensa como resultado de pasar a través de una boquilla de menor diámetro.Esto demuestra que el requisito de una ranura suficientemente ancha para permitir que la escoria se aclare se aplica igualmente para el proceso de corte dominado por el oxígeno.

  Los lados del corte son cónicos más que los que se encuentran en el corte convencional (dominado por láser).La naturaleza dominada por el oxígeno del proceso de corte significa que la entalladura está influenciada por la forma del imponente chorro de oxígeno, con la parte superior de la ranura del mismo ancho que la boquilla coaxial utilizada.

  La holgura entre la boquilla y la pieza de trabajo se varió con los resultados típicos de esta variación mostrados en la Figura 5. Para diversos diámetros de boquilla, la calidad de corte se redujo significativamente con holguras superiores al 25% del diámetro de la boquilla.Los aumentos en la holgura- holgura de la pieza de trabajo expusieron más del flujo desde la boquilla a los gases atmosféricos ambientales antes de entrar al corte [8].El cambio en la eliminación se realizó   sin los cambios correspondientes en el diámetro del punto del láser con resultados similares.Esto demuestra además que los cambios para ayudar a la intensidad de la potencia del láser de gas y no incidente fue el factor que afecta la calidad del corte del láser en el rango probado.La figura 5 también muestra el efecto de una holgura demasiado pequeña (0,1 mm) donde el haz convergente aún no excede el diámetro del chorro de gas, por lo que no permite el funcionamiento del proceso de corte por láser dominado por el oxígeno.

Corte de 50 mm de espesor (4)

  Se logró un grosor máximo de corte de 32 mm con el corte Nd: YAG LoPOx.Cortar más allá de este grosor con los diámetros de la boquilla usados ​​causó la formación de escoria excesiva dentro de la ranura y una pérdida de perpendicularidad del corte.Esto demuestra aún más la relación entre el ancho de la ranura y el grosor del corte cuando se utilizan presiones de corte bajas (convencionales).

3.2.2 Corte por láser Nd: YAG dominado por oxígeno de alta presión - HiPOx

  Utilizando presiones de suministro mucho más altas y boquillas de menor diámetro, se encontró que era posible cortar aceros más gruesos que los obtenidos anteriormente con el proceso LoPOx.La capacidad de corte se mostró entre 32 y 50 mm de espesor utilizando una placa de acero AS 3679.Las velocidades de corte típicas con respecto al grosor del material y la potencia del láser se muestran en la Figura

6. La figura muestra una continuación de los procesos de corte de la región de baja presión utilizada para materiales más delgados.

Corte de 50 mm de espesor (5)

  El efecto del uso de altas presiones de suministro significa que el flujo del gas es complejo y puede dar lugar a características de choque interno.La evidencia de la interacción de las estructuras de choque durante el corte se puede ver como "crestas" o marcas menores en la superficie del corte y se ven como líneas que se extienden perpendiculares a la estría.Además, el desplazamiento de estas crestas con la holgura de la pieza de trabajo de la boquilla es el resultado del refuerzo o la anulación de los choques internos del gas auxiliar y el choque característico que aparece al comienzo de la ranura en forma de "X" [15].El trabajo [16, 17] también indica una interacción compleja y, en ocasiones, oscilatoria de los choques con los muros de corte.La evidencia de la naturaleza oscilante del corte está en el "zumbido" constante que se puede escuchar en algunas condiciones de corte.

  Usando una boquilla coaxial de 1,5 mm de diámetro, se demostró que la capacidad de corte era satisfactoria para placas de 32 y 40 mm con los resultados del corte de la placa de 40 mm que se muestra en la Figura 7. La holgura de la boquilla se incrementó significativamente con las altas presiones de gas de asistenciay la forma del corte era mucho menos afilada que la observada en LoPOx como resultado de la corriente de gas de alta velocidad menos divergente.Tales cortes se pueden ver en la Figura 8.

Corte de 50 mm de espesor (6)

Corte de 50 mm de espesor (7)

  Corte de perfiles utilizando la técnica de Nd: YAG LoPOx entregada con fibra, con ejemplos que se muestran en la Figura 9. Aquí los aumentos de temperatura en el interior de las esquinas dan como resultado un ahusamiento incrementado en estos puntos.Esto se ve en el corte circular de la Figura 9 (a) y el corte de las esquinas en la Figura 9 (b).La reducción de las esquinas afiladas se supera mejor mediante el uso de velocidades de corte reducidas, como se muestra en la figura.

Corte de 50 mm de espesor (8)

  El corte dominado por alta presión de oxígeno usando el láser Nd: YAG como el que se usa con el CO2 [12] también muestra ser excelente en la perforación con menos de un segundo requerido para perforar la placa AS3679 de 32 mm.La eliminación de la escoria expulsada hacia arriba sigue siendo un problema, ya que su presencia en la superficie de la placa en la trayectoria del corte perjudica la calidad del corte.

4.0 Discusión

  A pesar de los nuevos procesos de corte por láser y el aumento en el grosor del corte, el proceso de corte en sí mismo no se modifica.Esto se evidencia por la reducción de la velocidad de corte con el grosor del corte y la similitud en la velocidad de corte para el haz de giro convencional y los cortes del haz de oscilación.En consecuencia, a pesar de los cambios en el enfoque, los factores fundamentales que gobiernan el corte de la placa de acero grueso por fusión reactiva, como las pérdidas de conducción y la restricción de la eliminación del flujo de fusión debido a la viscosidad y la tensión superficial aún permanecen.

  Los anchos de corte más grandes y variables producidos al tambalear el haz, así como los diversos anchos de corte generados por el corte con láser de oxígeno dominado con el láser Nd: YAG, demuestran la necesidad de cortes apropiadamente anchos a medida que aumenta el grosor del corte.Sin embargo, a espesores moderados (~ 32 mm), aumentar el corte más allá de lo producido por la boquilla LoPOx más grande, se vuelve impracticable a medida que el consumo de oxígeno se vuelve prohibitivo.Con este fin, el uso de HiPOx tiene sus propios recursos.Al usar alta presión y, en consecuencia, la corriente de gas auxiliar de alta velocidad permite que el oxígeno se combine menos con los gases atmosféricos     así   sea   más   fácil   disponible   para   fusión reactiva    Además   proporciona   fuerzas de cizallamiento significativamente mayores en la cara de la masa fundida para vencer la resistencia a su despeje de la entalladura.Una característica adicional del proceso HiPOx es la gran holgura de la pieza de trabajo obtenida.Esto asegura la confiabilidad de las boquillas de alta presión.

  Los cortes dominados por oxígeno se basan solo en la potencia del láser incidente para iniciar y luego mantener el corte.Los resultados muestran que estos poderes son mucho menores que los requeridos para el corte convencional equivalente.Sin embargo, se requieren mayores poderes para el inicio de un corte constante que los necesarios para el proceso de corte general para mantenerse.En consecuencia, se podría usar una mayor potencia al inicio del corte solo para maximizar la eficiencia energética.

  El corte de perfiles ha demostrado ser factible con la desventaja de recortar el interior de las esquinas cortadas.Esto se puede superar mediante una programación adecuada de la velocidad de corte en estas posiciones.La perforación de la placa gruesa se muestra factible, pero existen problemas de escoria expulsada hacia arriba que más tarde interfieren con el suministro del gas auxiliar durante el corte posterior.Esto podría solucionarse mediante la presencia de un chorro de aire anular orientado hacia el exterior que rodea la boquilla o la limpieza del operador mediante el uso de un comando de espera del CNC después de que se realiza inicialmente la perforación.

5.0 Conclusiones

  El uso del corte por láser dominado por el oxígeno junto con el uso de trozos de corte más anchos demuestra la viabilidad de utilizar el láser Nd: YAG con alimentación moderada y fibra para cortar la placa de acero suave gruesa.Esto se puede hacer utilizando la entrega de baja presión para placas de acero dulce de hasta 32 mm de espesor.La entrega de gas a alta presión ha demostrado que se pueden lograr fácilmente espesores de corte de hasta 50 mm junto con la capacidad de perforar rápidamente el material.Hay problemas constantes de calidad de corte asociados con artefactos de choque y también problemas relacionados con la socavación de esquinas que requieren una programación CNC cuidadosa.Para perforar con éxito es necesario eliminar la escoria expulsada hacia arriba de la ruta de corte para garantizar que se mantenga la calidad de corte de la pieza de trabajo subyacente.

6.0 Agradecimientos

  Los autores desean agradecer a CRC por Intelligent Manufacturing Systems and Technologies Limited por su financiación del proyecto Spinning Beam sin el cual la investigación y los resultados anteriores no pudieron ensamblarse.

Referencias

1.Belforte D.A."Comienza el cambio" Industrial Laser Solutions Vol 18 no.1, enero de 2003, pp7 - 13.

2.Hilton P. A. "Al principio ....", Actas del Laser Institute of America ICALEO 2002

3.O'Neill, W .;Gabzdyl, J. T. y Steen, W. M. "El comportamiento dinámico de los chorros de gas en el corte por láser", Laser Institute of America.ICALEO, 1992;pp. 449 - 458

4.Powell J., Frass K., Menzies I.A.2.5kW "Corte por láser de aceros;Factores que afectan la calidad del corte en secciones de hasta 20 mm ", Proceedings of SPIE, 1987, vol.801, pp 278 -282.

5.Heidenreich B y Sepold G: "Corte por láser de llama de placas de acero grueso", Industrial Laser Review, mayo de 1993, pp.6 - 7.

6.Powell, J. Tan W. K. Maclennan P. Rudd D. Wykes C. Engstrom H., "Laser de corte de acero inoxidable con lentes de doble foco".Revista de aplicaciones láser, vol.12, número 6 ,.Diciembre 2000, pp 224 -231

7.Gieger M., Shuberth S. y Hutfless J., "Serrado con láser de CO2 de chapa gruesa con óptica adaptativa".Soldadura en el mundo, vol.37 no.1, 1996, pp 5-11.

8.O'Niell W.O.y Gabzdyl J.T., "El comportamiento de transferencia de masa de los chorros de gas en corte por láser".Soldadura en el mundo, vol.35, no.1 1995, pp. 6-11.

9.Molian P.A., "Corte con láser de CO2 de doble haz de materiales metálicos gruesos".Journal of Materials Science, vol.28 no.7, 1993, pp. 1738 - 1748.

10.O'Niell W.O., Gabzdyl J.T.y Stracey R., "Nuevos Desarrollos en el Corte de Oxígeno Asistido por Láser: Lasox", Procedimientos del Instituto Láser de América ICALEO 1998, Orlando USA, pp 88 - 97.

11.O'Niell W.O.y Gabzdyl J.T., "Nuevos desarrollos en el corte con oxígeno asistido por láser", Óptica y Láseres en Ingeniería vol.34, 2000 pp. 355 - 367.

12.Gabzdyl J.T., Penn W., Cahill P. y Koch J. "Corte de piezas de construcción naval de 50 mm con menos de 2kW de potencia de láser de CO2". Procedimientos del Instituto Láser de   América   ICALEO, 2002.

13.Arai T. y Riches S., "Corte de placa gruesa con haz láser giratorio", Procedimientos de Inst. Láser.De América;ICALEO, parte B, 1997, pp. 19 - 26.

14.Harris J y Brandt M., "Corte de una placa de acero gruesa con un haz láser giratorio Nd: YAG" ", Proceedings of Laser Inst.De América;ICALEO 2001.

15. Zefferer H, Petring D. y Beyer E., "Investigaciones del flujo de gas en corte por haz de láser" Proc.3º Int.Conf.Strahltechnik, German Welding Society, 1991, pp. 210 - 214.

16.Landau L.D.y Lifshitz E.M., "Fluid Mechanics" Pergamon Press, 2nd Ed.Oxford 1999.

17.Man H.C., Duan J., Yue T. M. y Dong P., "Diseño de boquillas supersónicas para gas a alta presión".Procedimientos de Laser Institute of America ,.ICALEO 1997; Sección B, pp. 118 - 127.

Comentarios

Get A Quote

Casa

Derechos de autor2020 Nanjing Harsle Machine Tool Co. Ltd. Todos los derechos reservados.