Technische problemen en oplossingen voor het lasersnijden van dikke platen
Met de voortdurende ontwikkeling van de industriële productietechnologie wordt lasersnijden op grote schaal gebruikt op het gebied van metaalverwerking vanwege de voordelen van hoge precisie, hoge efficiëntie en contactloze verwerking. De lasersnijtechnologie kent echter veel uitdagingen bij het snijden van dikkere platen. Deze studie heeft tot doel de technische problemen die men tegenkomt bij het lasersnijden van dikke platen systematisch te analyseren en overeenkomstige oplossingen voor te stellen als theoretische leidraad en technische referentie voor de industriële praktijk.
Lasersnijtechnologie heeft een voortdurende ontwikkeling doorgemaakt van laag vermogen naar hoog vermogen en van dunne plaat naar dikke plaat. Momenteel wordt lasersnijden op grote schaal gebruikt in de automobielindustrie, de lucht- en ruimtevaart, de scheepsbouw en andere gebieden. Met de toename van de materiaaldikte worden de problemen van snijkwaliteit, efficiëntie en kosten echter steeds prominenter, die dringend diepgaand moeten worden bestudeerd en opgelost.
1. De belangrijkste technische problemen bij het lasersnijden van dikke platen
Het belangrijkste probleem bij het lasersnijden van dikke platen is de aanzienlijke afname van de straalkwaliteit naarmate de snijdiepte toeneemt. Omdat de laser bij het binnendringen van dikkere materialen vele malen zal optreden bij reflectie en verstrooiing, resulteert dit in een ongelijkmatige verdeling van de energiedichtheid, wat op zijn beurt de snijkwaliteit beïnvloedt. Uit onderzoek is gebleken dat wanneer de snijdikte groter wordt dan 20 mm, de focusseringseigenschappen van de laserstraal aanzienlijk zullen verslechteren, wat resulteert in een brede snede aan de onderkant van de smalle wig-vormige defecten.
Ten tweede mag de door hitte-beïnvloede zone die wordt gegenereerd tijdens het snijproces van dikke platen niet worden genegeerd. Vanwege de slechte thermische geleidbaarheid van de dikke plaat hoopt de laserenergie zich op in het materiaal, wat resulteert in de uitzetting van de door warmte-beïnvloede zone, wat veranderingen in de microstructuur van het materiaal en een toename van de restspanning kan veroorzaken. Uit experimentele gegevens blijkt dat bij het snijden van koolstofstaal met een dikte van 30 mm de breedte van de door hitte{5}}beïnvloede zone tot 3-5 maal groter kan zijn dan bij het snijden van dunne platen, waardoor de mechanische eigenschappen van het materiaal ernstig worden aangetast.
De hechting van slak en de toename van de ruwheid van het snijoppervlak zijn andere belangrijke technische problemen. Bij het snijden van dikke platen is het moeilijk om het gesmolten metaal volledig weg te blazen door het hulpgas, en is het gemakkelijk om zich op de bodem van de snede een slakophoping te vormen. Tegelijkertijd vertoont het snijoppervlak vanwege de onstabiele energie-invoer vaak duidelijke strepen en oneffenheden. Statistieken tonen aan dat wanneer de plaatdikte groter is dan 25 mm, de ruwheid Ra-waarde van het snijoppervlak 2-3 keer zo hoog kan zijn als bij het snijden van dunne platen.
2.De oplossing voor de technische problemen bij het lasersnijden van dikke platen
Voor problemen met de straalkwaliteit is het optimaliseren van laserparameters de meest directe oplossing. Door het laservermogen te vergroten (meestal meer dan 6 kW nodig), de pulsfrequentie en de werkcyclus aan te passen, kan de energiepenetratiediepte worden verbeterd. Tegelijkertijd kan het gebruik van een dynamisch focussysteem de automatische aanpassing van de focuspositie tijdens het snijproces realiseren om de beste verdeling van de energiedichtheid te behouden. Experimenten hebben aangetoond dat het gebruik van een 12 kW fiberlaser met dynamische focustechnologie effectief roestvrij stalen platen van 40 mm dik kan snijden.
Bij de controle van door hitte-getroffen zones is de ontwikkeling van nieuwe snijkoptechnologie van cruciaal belang. Het gebruik van een oscillerende snijkop of straaloscillatietechnologie kan de warmte-inbreng verspreiden en plaatselijke oververhitting verminderen. Bovendien kan nauwkeurige controle van hulpgassen (bijvoorbeeld door gebruik te maken van stikstof onder hoge-druk of speciale gasmengsels) de snijzone effectief koelen. Studies hebben aangetoond dat het combineren van gaskoeling en intermitterende snijstrategieën de door hitte beïnvloede zone met meer dan 40% kan verminderen voor aluminiumlegeringen met een dikte van 30 mm.
Om het slakkenprobleem aan te pakken, is het verbeteren van het hulpgassysteem van cruciaal belang. Het gebruik van een dubbel gasmondstuk (binnenste hoge-drukgas om slakken te verwijderen en buitenste beschermgas om oxidatie te voorkomen) kan de snijkwaliteit aanzienlijk verbeteren. Tegelijkertijd kunnen een geoptimaliseerde snijpadplanning en de introductie van real-time monitoringsystemen (bijvoorbeeld visuele sensoren of akoestische monitoring) de opbouw van slak tijdig detecteren en aanpakken. De praktijk leert dat deze maatregelen de hoeveelheid slakresten bij het snijden van dikke platen met meer dan 60% kunnen verminderen.