Những cải tiến về công suất và chất lượng tia của Laser Fiber khi cắt kim loại tấm

Máy cắt kim loại tấm bằng laser là một trong những phương pháp sản xuất được lắp đặt với hàng ngàn hệ thống đang hoạt động trên thế giới. Trong 10 năm qua, các laser kết hợp sợi quang - trạng thái rắn như hệ thống laser fiber và disk laser được ưu tiên sử dụng thay thế cho nguồn laser CO2. Cả 2 trường hợp này máy cắt đều có cơ chế hoạt động giống nhau là sử dụng đầu cắt có chùm tia laser (một vòi hình nón) để cắt kim loại bởi sự trợ khí (Nitơ, O2, Argon) có áp lực cao, đồng trục với chùm tia laser.

Máy cắt laser fiber kim loại tấm Nam Sơn

Máy cắt laser fiber xử lý kim loại tấm Nam Sơn

Hiện nay, các nguồn laser đã sử dụng chất lượng chùm tia cố định và công suất cắt điển hình với công suất đầu ra rộng nhằm xác định phạm vi kích thước của tiêu điểm để tạo ra chất lượng cắt tốt. Việc lựa chọn kích thước tiêu điểm cụ thể cho một hệ thống cắt laser nhất định có thể được thực hiện bằng cách sử dụng phương pháp tiếp cận “One Spot Size Fits All”, trong đó sự kết hợp này có thể xử lý tất cả các loại kim loại và độ dày. Đối với một chiếc máy không quá phức tạp và chi phí thấp thì đây là lựa chọn thích hợp.

Mẫu cắt laser fiber kim loại tấm

Mẫu cắt laser fiber kim loại tấm

Cắt thép tấm dày 4mm

Cắt thép tấm dày 4mm

Tuy nhiên, phương pháp này cần điều chỉnh để xử lý được các kim loại khác nhau. Máy cắt fusion thường sử dụng khí nitơ hỗ trợ cắt inox và yêu cầu tiêu điểm nhỏ hơn với độ phân kỳ thấp.

Mặt khác, máy cắt laser sử dụng khí oxy được sử dụng để cắt loại thép mỏng đòi hỏi một tiêu điểm lớn với độ phân kỳ cao. Điều này ít nhiều gây khó khăn để tối ưu hóa phương pháp tiếp cận “One Spot Size Fits All”.

Một tùy chọn có sẵn tùy theo nhu cầu là có thể sử dụng đầu cắt có khả năng cao hơn nhờ một động cơ phóng chuẩn trực và bộ giãn nở chùm biến thiên cho phép thay đổi kích thước tiêu điểm. Tuy nhiên ở hình 1 thì điều này không chính xác giữa kích thước điểm và độ phân kỳ bên cạnh chất lượng chùm tia laser được cố định vì một tiêu điểm nhỏ sẽ luôn có độ phân kỳ cao hơn so với tiêu điểm lớn hơn. Để cải thiện quá trình cắt fusion và reactive thì chất lượng chùm tia laser cần phải thay đổi.

Cắt kim loại tấm bằng nguồn laser fiber SPI

SPI Lasers đã phát triển một tùy chọn mới dành cho các nguồn laser công suất cao, cho phép tăng thêm chất lượng chùm tia, được gọi là variMODE. Kết quả này có được là nhờ kiểm soát sự phân kỳ chùm đầu ra và do đó tăng chất lượng chùm tia.

Tất cả điều này được thực hiện bên trong tia laser mà không cần bất kỳ quang học bên ngoài nào. Ban đầu, laser ở mức Ø100µm và chất lượng chùm tia có thể được chuyển từ 3,2 mm.mrad (M2 9,5) sang 5,8 mm.mrad (M2 17) như trong bảng 1. Chất lượng chùm tia thấp hơn 5,8 mm.mrad thích hợp với các đầu cắt tiêu chuẩn NA có sẵn trên thị trường nhằm đảm bảo rằng tất cả công suất laser được cung cấp cho kim loại tấm và việc cắt chùm không xảy ra trong đầu cắt. Thời gian chuyển đổi chất lượng chùm tia từ thấp đến cao thường là 30ms, đủ nhanh để thay đổi giữa xuyên qua và cắt.

Ứng dụng Laser cắt inox

Các thử nghiệm cắt được thực hiện với nguồn laser 3kW, so sánh hiệu suất variMODE với chất lượng chùm tia (4,5 mm.mrad) trong phạm vi cho phép của sản phẩm. Laser variMODE được điều chỉnh ở chất lượng chùm tia cao (3,2 mm.mrad) và độ phân kỳ thấp hơn, có kích thước tiêu điểm giống hệt nhau trong cả hai trường hợp do sử dụng cùng một quang học đầu cắt.

Ở bảng 2, kết quả sử dụng chất lượng chùm tia cao hơn, nhanh hơn đáng kể so với tiêu chuẩn - đối với inox dày 2 mm, tốc độ cắt nhanh hơn 45% và khi inox dày 4mm thì tốc độ nhanh hơn 25%. Đây là kết quả thử nghiệm dựa trên việc sử dụng cùng một công suất đầu ra laser.

Lưu ý, tất cả các tốc độ cắt này là tốc độ sản xuất, có băng thông với khả năng chịu được những thay đổi ở vị trí lấy nét và chiều cao của đầu phun.

Cắt inox dày 2mm

Ứng dụng Laser cắt thép dày

Khi cắt thép mỏng sử dụng khí oxy hỗ trợ thì không có sự khác biệt lớn về tốc độ cắt trong phạm vi chất lượng chùm tia có sẵn, tuy nhiên có sự thay đổi đáng kể về chất lượng. Khi sử dụng chất lượng chùm tia thấp hơn (5,8 mm.mrad), chất lượng vết cắt được cải thiện và giao diện làm việc tăng lên, đặc biệt với các mẫu dày (20 mm) thì độ nhám trung bình (Rz) <30. Khi sử dụng chất lượng chùm tia cao hơn thì đường cắt cứng hơn, không ổn định.

Các thử nghiệm đã chỉ ra rằng các vết cắt được thực hiện với chất lượng chùm tia thấp nhanh mát hơn so với việc sử dụng chất lượng chùm tia cao hơn. Ví dụ, khi sử dụng chất lượng chùm tia cao (3,2 mm.mrad) để cắt thép dày 20 mm bằng laser 3kW, mẫu đạt 190 ° C nhưng với chất lượng chùm tia thấp hơn (5,8 mm.mrad) và có cấu hình cắt tương tự, tất cả các thông số khác giữ nguyên thì mẫu chỉ đạt 110 ° C. Điều này cho thấy nó có khả năng tạo ra một vết cắt mát hơn và độ nhám cạnh cắt thấp hơn.

Bên cạnh chất lượng cạnh cắt được cải thiện còn gia tăng tỷ lệ khung hình cao hơn khi cắt ra từ thép nhẹ dày. Ví dụ tại hình 2, hình dạng liên kết rộng 2,5mm được cắt bằng thép dày 20 mm sử dụng laser variMODE 3kW hoạt động với 5,8 mm.mrad có tốc độ cắt 0,7 m / phút.

Máy cắt laser fiber kim loại tấm dày 12mm

Ngoài ra, việc sử dụng laser variMODE còn giúp mang đến chất lượng chùm tia khác nhau được sử dụng để khoan và cắt.

Đục lỗ bao gồm khoan một lỗ được mài nhẵn xuyên qua tấm kim loại trước khi bắt đầu cắt, đặc biệt là cắt oxy. Khi xuyên qua thép có độ dày sẽ mất nhiều thời gian vì nó cần phát xung laser để cải thiện chất lượng xuyên, nhưng nếu chất lượng chùm tia cao hơn được sử dụng thì thời gian đâm thủng sẽ giảm đáng kể.

Hình 3, với laser variMODE, nó có thể xuyên qua với chất lượng chùm tia cao để đục lỗ nhanh hơn, chất lượng cao hơn và sau đó chuyển sang chất lượng chùm tia thấp hơn để cắt.

Tốc độ chuyển đổi chất lượng chùm tia nhanh của laser variMODE còn giúp ngăn chặn việc tạm dừng trong quá trình cắt.

Tóm lại

Khi sử dụng laser chất lượng chùm tia thay đổi để xử lý cắt kim loại tấm sẽ lợi thế hơn so với laser có chất lượng chùm tia cố định. Với cùng công suất laser, laser chất lượng chùm tia thay đổi có thể thực hiện tốt hơn hệ thống chất lượng chùm tia cố định. Khi được đặt ở chất lượng chùm tia cao, tốc độ cắt nhiệt hạch bằng thép không gỉ cao hơn đáng kể. Khi được đặt ở chất lượng chùm tia thấp hơn, tốc độ cắt thép mỏng dày là như nhau nhưng chất lượng cạnh cắt được cải thiện và có thể cắt tốt hơn do nhiệt độ của chi tiết gia công thấp hơn.