Обзор технологий: новая технология лазерной резки означает новую производительность

  1. Большая мощность лазера
  2. Задача автомобильного производства
  3. Пирсинг и обработка

Рисунок 1
Этот волоконный лазер QCW режет автомобильный компонент из углеродистой стали толщиной 10 мм, используя для прошивки и резки новейший процесс Prima Power Laserdyne.

Сочетание передового лазерного управления, нового оборудования для вспомогательного газа и бесконтактного картирования деталей теперь позволяет производителям значительно сократить время цикла при резке трехмерных деталей, изготовленных из высокопрочной низколегированной (HSLA) пластины, как утверждают лазерные эксперты Prima. Мощность Laserdyne.

По словам Prima Power, за счет сокращения времени прошивки стальной пластины толщиной 5-10 мм в деталях, содержащих несколько сотен отверстий, пазов и других форм, производитель сократил время цикла более чем на 30 процентов по сравнению с традиционными лазерными процессами. Президент Laserdyne Терри Вандер.

Волоконные лазеры со средней мощностью 2000 Вт имеются в продаже более 10 лет. Фактически, производители автомобильных компонентов широко применили эту технологию. Волоконные лазеры в этом диапазоне мощностей, большинство из которых имеют непрерывный выходной сигнал (CW), хорошо подходят для резки и сварки металлов. Это может измениться, однако.

Большая мощность лазера

По словам доктора Мохаммеда Наима, старшего менеджера Prima Power Laserdyne по разработке приложений и разработке технологий, квазинепрерывные (QCW) лазеры в импульсном режиме генерируют в 10 раз большую пиковую мощность, чем CW, и открывают новые технологические возможности , (CW-лазеры являются результатом источников энергии, которые непрерывно излучают свет. QCW-лазеры имеют источники питания, которые излучают лазер как непрерывно, так и через определенные промежутки времени.)

«В последнее время были достигнуты значительные улучшения в скорости и качестве лазера QCW как в аэрокосмической, так и в медицинской промышленности. В настоящее время они внедряются в других отраслях, особенно в автомобильном секторе », - сказал Наим.

Для Prima Power Laserdyne инновации в этой области сосредоточены вокруг SmartTechniques ™, набора аппаратных средств, программного обеспечения и технологий управления, которые предназначены для повышения производительности и качества лазерной обработки и предоставляют уникальные возможности для мощной лазерной резки, сварки и бурение с использованием волоконных лазерных систем CW и QCW (см. рисунок 1 ). В частности, SmartPierce ™ и SmartSense ™, а также патентованное сопло для подачи газа, разработанное для использования в аэрокосмической отрасли, имеют большие перспективы для автомобильной промышленности, сказал Вандерверт.

Задача автомобильного производства

Автомобильные приложения обычно отличаются от аэрокосмических приложений в нескольких важных аспектах. Большинство автомобильных деталей изготавливаются из холодного или горячекатаного проката, а не из нержавеющей стали и специальных сплавов, и производственные процессы не такие длительные по сравнению с аэрокосмическими применениями, такими как аэрокосмическая камера сгорания, для которой требуется лазерное бурение тысяч отверстий.

Фактически, из-за количества требуемых компонентов, скорость резки и производительность являются наиболее важными элементами процесса производства автомобилей. В то время как автомобильные детали также требуют качества и точности, они чаще являются вторичными по отношению к скорости обработки. Качество кромки и размер элемента не оказывают такого же влияния на характеристики автомобильного компонента, как на аэрокосмический компонент. Время цикла часто определяет жизнеспособность процесса для автомобильных компонентов.

Чтобы лазерная обработка считалась приемлемой в автомобильной промышленности, она должна быть быстрой и производить качественные детали. Поэтому, когда Prima Power Laserdyne работала над коммерциализацией этой технологии для автомобильной промышленности, она поставила перед собой агрессивные цели для профилей из низкоуглеродистой стали толщиной от 5 до 10 мм.

Качество резки требует быстрого прокалывания без брызг. Порезы должны быть без окалины с минимальной конусностью. Такие элементы, как прорези и отверстия, должны были располагаться с требуемой точностью, несмотря на то, что сформированные заготовки могли значительно отличаться от расчетной формы. Частичное / частичное время цикла было основной целью при минимизации стоимости оптики, вспомогательных газов и других коммунальных услуг.

Пирсинг и обработка

Лазерная резка углеродистой стали с толстым сечением традиционно представляет собой процесс с применением газа с использованием либо кислорода, либо инертного газа, такого как азот. Переменные, относящиеся к вспомогательному газу, такие как давление, конструкция сопла и расстояние отклонения, оказывают большое влияние на качество резки. Все они играют важную роль в управлении газовой динамикой и существенно влияют на качество резки и время цикла.

Все они играют важную роль в управлении газовой динамикой и существенно влияют на качество резки и время цикла

фигура 2
Двойной газовый процесс Prima Power Laserdyne использует сжатый воздух для прокалывания и кислород для резки, чтобы обеспечить стабильное качество резки.

Одним из преимуществ использования вспомогательного кислородного газа вместо воздуха для автомобильных применений является его способность очищать срез расплавленного материала и производить срез без образования окалины. Давление газа важно. При слишком низком давлении расплавленный материал может прилипать к исходному материалу, образуя окалину, а иногда уплотняя и разрушая разрез. Слишком много кислорода может сжечь и значительно ухудшить качество резки. Чтобы избежать сбоев в этих приложениях, производители предпочитают использовать кислородный газ для достижения чистого среза.

Самое важное, что кислородный газ способствует увеличению скорости резания. Кроме того, потребление кислорода в этих приложениях намного ниже, чем потребление сжатого воздуха или азота, что снижает затраты.

Независимо от типа материала и толщины, операция лазерной резки начинается с процесса прошивки, который определяет общее качество резки. Другими словами, если пирсинг чистый, сцена была подготовлена ​​для чистого разреза. Однако, если пробойник плохой или неполный, деталь может иметь плохое качество реза и, в некоторых случаях, откладываться для доработки.

По словам Наима, тесты резки Prima Power Laserdyne с использованием волоконного лазера QCW мощностью 20 кВт и кислородного вспомогательного газа показали, что качество резки стали толщиной 5-10 мм было приемлемым с точки зрения окалины, конусности и скорости резки. Однако прокалывание кислородом оказалось очень трудным и неподходящим для этого применения, поскольку требовалось более быстрое прокалывание и прокалывание без брызг. Повторяющиеся проникновения кислорода были возможны с использованием низкой пиковой мощности. Однако время прокалывания 0,8 с для стальной пластины толщиной 7,5 мм было слишком велико, и разбрызгивание накапливалось при низком давлении газа, что требовало остановки процесса и очистки сопла только после 15 прокалываний.

Наим сказал, что применение процесса SmartPierce, который использовал сжатый воздух для прокалывания и кислород для резки, оптимизировал процесс прокалывания. В качестве источника энергии использовался мощный волоконный лазер QCW. (SmartPierce - это метод, который включает в себя импульсные изменения любой или всей пиковой мощности, ширины импульса и частоты импульсов, пояснил Наим. Прямое управление лазером с помощью управления Laserdyne обеспечивает эту возможность.)

При использовании SmartPierce время цикла для обеспечения постоянных прокалываний в стальной пластине диаметром 7,5 мм с использованием сжатого воздуха было сокращено до 0,4 с.

Конечно, после того, как сжатый воздух используется для прокалывания, необходима продувка сопла, чтобы переключиться на поток кислорода низкого давления для лазерной резки. Минимальное время выдержки 2 секунды требовалось для продувки линий подачи вспомогательного газа для последовательной резки. С модификацией оборудования вспомогательного газа время задержки переключения между двумя вспомогательными газами было уменьшено до 0,7 секунды. Хотя это может не показаться значительной экономией времени, общая экономия времени довольно значительна и может составлять до нескольких часов в день, если умножить ее на сотни функций резки, необходимых для нескольких автомобильных компонентов.

Чтобы достичь поставленных целей путем минимизации времени переключения между двумя вспомогательными газами (сжатым воздухом и кислородом), производитель оборудования разработал и тщательно протестировал свое новое режущее сопло с двойной подачей газа (см. Рисунок 2 ). Сопло предназначено для подачи как коаксиального, так и направленного неосевого вспомогательного газа для прокалывания толстых стальных профилей с последующей быстрой лазерной резкой материала. Направленный неосевой газ действует как вспомогательный газ для прокалывания и одновременно защищает лазерную оптику и сопло во время прокалывания. Коаксиальный газ используется для процесса резки. Когда используются оба газа, прокалывание выполняется быстро и чисто через толстые секции, и устраняется необходимость продувки газов при переходе от прокалывания к резанию.

Вандерверт сказал, что последнее новшество в этом новом лазерном процессе состояло в том, чтобы создать процедуру отображения выбранных поверхностей фактической трехмерной заготовки, чтобы отрегулировать ее несовершенную форму перед прокалыванием и резанием различных элементов. Этот процесс отображения был необходим, чтобы соответствовать допускам местоположения элемента для детали.

SmartSense - лазерный бесконтактный измерительный инструмент, работающий соосно с режущим лазерным лучом. Он собирает и анализирует данные измерений с поверхности. Результаты сопоставления используются для корректировки плоскостей обработки, чтобы отразить реальное расположение и форму детали, чтобы добиться точности обработки деталей с помощью лазера. Этот метод обеспечивает правильное расположение отверстий и других элементов выреза внутри компонента, несмотря на не совсем идеальную форму заготовки.

Prima Power Laserdyne, 763-433-3700, [email protected], www.primapower.com