Laser sợi quang đã thay đổi các quy tắc chế tạo kim loại như thế nào
Sử dụng chùm tia laser để cắt thành công nhôm và các vật liệu kim loại màu khác
Laser sợi quang đã thay đổi trò chơi cắt laser, không chỉ vì tốc độ mà còn vì bước sóng của nó. Bước sóng 10,6 micron của chùm tia laser CO 2 đã đạt được nhiều thập kỷ thành công kể từ khi ngành công nghiệp cắt laser ra đời, nhưng khi nói đến vật liệu kim loại màu, hệ số phản xạ quang học đã lộ ra cái đầu xấu xí của nó. Điều này phức tạp cắt laser vật liệu kim loại màu trong một cách lớn. Việc cắt đồng và đồng thau bằng tia laser CO 2 đã (và vẫn còn) hiếm, mặc dù một số nhà chế tạo ngoan cường đã hoàn thành kỳ tích.
Cắt nhôm bằng laser CO 2 tất nhiên là khá phổ biến. Nhưng bước sóng 10,6 micron của CO 2 vẫn chưa phải là lý tưởng, vì vậy quá trình này vẫn hơi giống như ép một chốt tròn nhỏ vào một lỗ vuông lớn hơn. Nó không phải là không thể; cái chốt vẫn vừa với cái lỗ, nhưng việc cố định nó cần một số nỗ lực.
Sau đó, vào đầu thế kỷ này, laser sợi quang bước vào cuộc cạnh tranh với bước sóng 1 micron của nó. Hầu hết các kim loại phổ biến trong cửa hàng fab hấp thụ nhiều hơn và phản xạ ít hơn bước sóng 1 micron đó so với bước sóng 10,6 micron. Trên thực tế, trong lĩnh vực laser sợi quang, nhôm cắt rất tốt, thậm chí cả đồng và đồng thau cũng vậy.
Như Caristan đã giải thích, công thức cắt kim loại màu còn nhiều điều hơn là bước sóng chùm tia. Các thành phần khác bao gồm mật độ công suất, tiêu điểm chùm tia, độ rộng vết cắt, loại khí hỗ trợ và tốc độ dòng chảy. Kết hợp tất cả những thứ này lại với nhau theo đúng cách và bạn sẽ có được tốc độ cắt đáng kinh ngạc và vết cắt sạch sẽ của laser sợi quang, ngay cả trong một loạt các vật liệu kim loại màu từng được coi là quá phản xạ để cắt bằng chùm ánh sáng laser CO 2 .
Lưu ý rằng những gì tiếp theo không bao gồm các thông số cắt cụ thể, mà đối với hầu hết các máy cắt đều do nhà sản xuất thiết bị thiết lập. Một số nhà chế tạo sử dụng các cài đặt gốc này, những người khác điều chỉnh chúng tùy thuộc vào yêu cầu của ứng dụng. Phần tiếp theo mô tả—theo thuật ngữ cơ bản, “không phải nhật ký quang tử”— Tại sao các tham số đó hoạt động theo cách chúng hoạt động.
Quan điểm lịch sử
Nếu ai đó nói rằng điều gì đó trong cắt laser là không thể hoặc không thực tế, thì rất có thể một nhà chế tạo ở đâu đó đã làm cho điều đó trở nên khả thi và thiết thực. Chẳng hạn, Caristan nhớ lại đã đến thăm một nhà chế tạo cách đây nhiều năm đã cắt một hợp kim đồng dày 0,125 inch bằng cách sử dụng tia laser CO 2 2,5 kW. Ông nói: “Nhà chế tạo đã làm điều này trong nhiều năm. “Đầu cắt di chuyển chậm và người vận hành phải dừng chu trình cắt giữa chừng để cho nguội. Nó không đẹp, nhưng nó có thể làm được.”
Cắt vật liệu kim loại màu bằng laser có lịch sử gặp gỡ và vượt qua các trở ngại. Như Caristan đã giải thích, những người đầu tiên sử dụng laser CO 2 đã trải qua một số khó khăn ngày càng nghiêm trọng khi cắt vật liệu phản chiếu. Ngay từ đầu, họ đã nhận thấy tác động của đặc tính hấp thụ thấp của nhôm dẫn đến hiện tượng phản xạ ngược.
“Vì vậy, quy trình cắt laser không chỉ kém hiệu quả hơn,” Caristan nói, “mà họ còn phải đối phó với phản xạ ngược thông qua các hệ thống quang học, quay trở lại các khoang của bộ cộng hưởng laser, thường phá hủy chúng. Chúng tôi đã học được rất nhiều kể từ đó. Hầu hết các máy móc, bao gồm cả hệ thống laser sợi quang, đều có hệ thống quang học tích hợp và bộ điều khiển số giúp giảm thiểu hoặc ngăn chặn hiện tượng phản xạ ngược.”
độ nhớt
Các nhà sản xuất công cụ và khuôn chú ý đến độ bền và đặc tính cắt của vật liệu. Các kỹ sư và kỹ thuật viên phát triển các thông số cắt laser hướng sự tập trung của họ vào nơi khác, bao gồm các đặc tính hấp thụ và phản xạ của vật liệu; độ nóng chảy; độ nhớt của vật liệu nóng chảy, dẫn nhiệt và điều kiện bề mặt vật liệu, bao gồm màng và lớp phủ.
Hệ số phản xạ bề mặt của kim loại ở tần suất bình thường và ở nhiệt độ phòng (300 K) thay đổi theo bước sóng của chùm ánh sáng tới. Nguồn: Hướng dẫn Cắt Laser cho Sản xuất của Charles Caristan.
Caristan cho biết: “Khó khăn khi cắt nhôm là tạo ra một vết cắt sạch sẽ với lượng xỉ tối thiểu. “Với khí hỗ trợ, phân phối và dòng chảy phù hợp, bạn có thể giảm thiểu việc tạo ra cặn.”
Độ nhớt đóng một vai trò ở đây. Tất cả các kim loại đều có một mức độ nhớt nhất định ở nhiệt độ nóng chảy, nhưng độ nhớt không đổi khi kim loại nóng lên. Tia laser đưa nhôm vượt qua nhiệt độ nóng chảy của nó hơn 1.200 độ F một chút. Như Caristan đã mô tả trong cuốn sách của mình, độ nhớt của nhôm thực sự giảm hơn một nửa khi nhiệt độ của nó tăng lên giữa nhiệt độ nóng chảy của nó lên tới 1.328 độ F—một sự khác biệt của chỉ hơn 100 độ F một chút, một sự thay đổi nhiệt độ nhỏ trong thế giới cắt nhiệt. Khi vật liệu có độ nhớt thấp nguội đi, độ nhớt của nó tăng hơn gấp đôi khi nó tiến gần đến quá trình đông đặc lại—và việc loại bỏ nó một cách hiệu quả trước khi nó đông đặc trở thành một vấn đề phức tạp.
Caristan cho biết: “Độ nhớt thấp trở thành nguyên nhân chính gây ra sự tích tụ cặn bẩn, đặc biệt nếu nhiệt độ nóng chảy của vật liệu tương đối thấp, chẳng hạn như với nhôm.”
Màng oxit nhôm
Một số thách thức khi cắt liên quan đến nhiệt độ nóng chảy, đặc biệt là khi nói đến lớp màng oxit nhôm (Al2O3) mỏng hình thành trên bề mặt nhôm khi nó tiếp xúc với khí quyển. Bộ phim ngăn chặn sự ăn mòn thêm, nhưng nó cũng làm phức tạp quá trình cắt laser.
Nhôm nóng chảy ở khoảng 950 K, hoặc hơn 1.200 F một chút; oxit nhôm nóng chảy ở nhiệt độ khoảng 2.000 K, hoặc hơn 3.000 độ F. “Nhiệt độ nóng chảy cao của màng oxit nhôm hình thành trên bề mặt của giọt nhôm nóng chảy làm cho nó đông đặc rất nhanh xung quanh giọt nhôm nóng chảy, vì vậy nó rất Caristan giải thích rằng điều quan trọng là khí hỗ trợ phải xả ra ngoài nhanh chóng trước khi nó đông đặc lại. “Nếu nó không được xả đủ nhanh, nó sẽ tạo thành thạch nhũ ở mép dưới, còn được gọi là cặn bã.” Ông nói thêm rằng tin tốt là, so với cặn từ vật liệu như không gỉ, xỉ nhôm thường mềm, mềm đến mức nhiều người vận hành có thể dùng ngón tay cái chải sạch.
Dẫn nhiệt
Độ dẫn nhiệt của nhôm gấp nhiều lần so với thép carbon và độ dẫn nhiệt đó làm tăng tốc độ mất nhiệt; nghĩa là, nhiệt dẫn ra khỏi vết cắt vào thân chính của phôi. Bạn càng mất nhiều khả năng dẫn nhiệt, lượng nhiệt thực sự lưu lại trong vết cắt càng ít và việc cắt laser càng kém hiệu quả.
Sự khác biệt về độ dẫn nhiệt góp phần tạo ra các đặc tính cắt khác nhau giữa các loại, đặc biệt là trong các vật liệu dày hơn. Như Caristan đã xuất bản trong cuốn sách của mình, nhôm sê-ri 6XXXX bị mất nhiệt dẫn nhiệt cao hơn nhiều so với nhôm 5XXXX; cả hai cắt tương tự nhau về độ dày thước đo, nhưng rất khác nhau ở loại dày hơn.
Trước đây, người vận hành cắt nhôm bằng laser CO 2 phải đối mặt với một số thách thức khiến việc cắt kém hiệu quả hơn: độ phản xạ cao của chùm ánh sáng 10,6 micron, cũng như tính dẫn nhiệt cao của nhôm dẫn đến tổn thất dẫn nhiệt nhiều hơn. Trên thực tế, tất cả sự mất nhiệt buộc nhiều hoạt động phải giải quyết sự giãn nở nhiệt trong tấm, đôi khi viết chương trình cắt để đầu di chuyển luân phiên từ góc phần tư này sang góc phần tư khác của tấm, cân bằng hiệu ứng nhiệt.
Tất cả những điều này đã nói lên rằng, mật độ năng lượng của laser sợi quang và một lần nữa, bước sóng 1 micron đã thực sự thay đổi cuộc chơi. Tính chất nhiệt của nhôm không thay đổi; nó vẫn có độ dẫn nhiệt cao. Nhưng nó cũng hấp thụ nhiều hơn và phản xạ ít năng lượng hơn từ chùm tia laser 1 micron. Điều này, kết hợp với mức năng lượng cao, mật độ năng lượng và tốc độ được cung cấp bởi chùm tia laser sợi quang hiện đại, đã cải thiện đáng kể hiệu suất cắt laser.
Hỗ trợ dòng khí và lấy nét bằng laser
Cắt nhôm bằng laser với khí hỗ trợ nitơ hoặc khí nén tại cửa hàng (có thể hoạt động với vật liệu mỏng) thúc đẩy hành động cắt tương tự như các hợp kim khác được cắt bằng nitơ. Được đơn giản hóa rất nhiều, tất cả chỉ là sự tương tác giữa năng lượng nhiệt từ chùm tia, tốc độ nạp, chiều rộng vết cắt thu được và dòng khí hỗ trợ đẩy vật liệu nóng chảy ra khỏi vết cắt. Hoàn thiện luồng khí hỗ trợ để nó hoạt động tốt với nhiệt (đặc điểm tiêu cự và chùm tia), tốc độ cắt và độ rộng vết cắt, đồng thời bạn đạt được lưỡi cắt chất lượng với ít các vết xước và xỉ.
Tối ưu hóa tiêu điểm, hỗ trợ lưu lượng khí và các thông số khác giúp giảm thiểu tình trạng vỡ và cặn
Theo truyền thống, nhôm thường yêu cầu tiêu điểm chùm tia nằm sâu dưới bề mặt vật liệu, đặc biệt khi vật liệu dày hơn. Điều này giúp đẩy vật liệu ra khỏi đáy rãnh cắt. Để hiểu cách thức và lý do điều này xảy ra, hãy hình dung vật liệu bị nấu chảy ở trên cùng của đường cắt, lần này với điểm tập trung tại hoặc gần bề mặt vật liệu.
Caristan cho biết: “Vật liệu tan chảy nhanh chóng và sau đó chảy qua rãnh cắt, nơi chùm tia phân kỳ và mật độ năng lượng giảm theo phương trình bậc hai. Do đó, ít năng lượng hơn có sẵn ở đáy vết cắt cho kim loại nóng chảy, làm cho các oxit kim loại đóng băng thành cặn.
Đặt tiêu điểm thấp bên dưới bề mặt vật liệu và tình hình mật độ năng lượng sẽ thay đổi. Khi vật liệu nóng chảy từ gần bề mặt vật liệu di chuyển xuống rãnh cắt, nó đi qua phần sáng nhất của chùm tia và do đó, vẫn ở dạng lỏng cho đến khi nó được hút ra khỏi đáy.
Hành động cân bằng chỉ mới bắt đầu. Caristan nói: “Có một cơ hội cho tốc độ cắt giảm. “Nếu bạn cắt quá nhanh, bạn sẽ tạo ra cặn. Nhưng nếu bạn cắt quá chậm, bạn cũng tạo ra cặn bã.”
Dross từ một vết cắt nhanh là trực quan; khí hỗ trợ không có thời gian để xả vật liệu nóng chảy trước khi nguồn nhiệt (chùm tia) di chuyển về phía trước, do đó vật liệu nóng chảy “đông cứng” ở đáy vết cắt dưới dạng cặn.
Nhưng còn cặn do cắt quá chậm thì sao? Caristan cho biết ông không có cơ sở khoa học cứng rắn để chứng minh điều này, “nhưng tôi tin rằng nó liên quan đến nhiệt lượng truyền vào kim loại và khả năng loại bỏ tất cả kim loại nóng chảy cùng một lúc của khí hỗ trợ.”
Tốc độ di chuyển cũng ảnh hưởng đến chiều rộng vết cắt. Tốc độ di chuyển chậm hơn tạo ra vết cắt rộng hơn, trong khi chùm tia nhanh hơn tạo ra vết cắt hẹp. Caristan cho biết: “Khi vết cắt của bạn bị thu hẹp, bạn gặp khó khăn trong việc đưa khí hỗ trợ đi qua và bạn không đạt được nhiều công suất xả nước như vậy. Điều này lần lượt ảnh hưởng đến chất lượng cắt, bao gồm cả cặn.
Các đường viền cạnh cũng thay đổi theo tốc độ cắt, cùng với các biến số khác. Cắt nhôm (và các vật liệu khác) quá chậm và bạn sẽ thấy các đường vân sâu. Caristan cho biết: “Những thứ đó đại diện cho bằng chứng về một dòng khí đẩy và tuôn ra kim loại lỏng.
Hiệu ứng siêu âm, Standoff và định tâm vòi phun
Tất cả điều này tương tác với một biến số khác không được xem xét thường xuyên: tốc độ khí chảy ra khỏi vòi. Nó siêu thanh và giống như bất cứ thứ gì di chuyển nhanh hơn âm thanh, tạo ra sóng xung kích nhỏ. Caristan cho biết: “Sóng xung kích này có thể làm chệch hướng dòng khí hỗ trợ từ nơi bạn định cho nó chảy vào, và nó có thể làm gián đoạn lượng khí bạn đang chảy qua vết cắt.”
Nếu sóng xung kích lệch phía trên vết cắt, chúng tạo thành một phần rào cản cản trở cột khí hỗ trợ, từ đó làm thay đổi động lực học của khí trong vết cắt và có thể ảnh hưởng đến khả năng khí thoát khỏi kim loại nóng chảy một cách hiệu quả. Do đó, bạn nhận được chất lượng cắt kém. Khả năng xảy ra điều này trở nên lớn hơn khi chiều rộng rãnh cắt hẹp lại.
Chiều rộng vết cắt khác nhau có thể là một vấn đề khi cắt nhôm. Trong ví dụ này, vết cắt rộng ở mặt trên (hình trên) và hầu như không nhìn thấy ở mặt dưới.
Vì dòng khí là siêu âm nên người vận hành máy cắt laser không thể loại bỏ sóng xung kích, nhưng họ có thể làm cho sóng xung kích ít gây bất lợi hơn cho vết cắt bằng cách đặt đúng khoảng cách ngưỡng của vòi phun. Caristan cho biết: “Quy tắc chung là khoảng cách điểm dừng phải bằng hoặc nhỏ hơn đường kính lỗ vòi phun. Lên cao hơn, và bạn làm trầm trọng thêm độ lệch của sóng xung kích có thể tạo ra ít khí hơn để thực sự đi vào vết nứt.
Ngoài ra, hãy đảm bảo rằng chùm tia hội tụ nằm chính giữa trong lỗ vòi phun. Ông nói: “Bạn cần đảm bảo rằng tâm của khẩu độ vòi phun luôn thẳng hàng hoàn hảo với đường tâm của rãnh cắt. “Sự sai lệch cho thấy hiệu suất cắt khác nhau mỗi khi bạn thay đổi hướng cắt.”
Những tiến bộ về chùm tia và vòi phun
Sự truyền chùm tia hội tụ và phân bố năng lượng là những chủ đề phức tạp, nhưng khi nghĩ về tiêu cự, hãy tưởng tượng chùm tia laser là hai hình nón, cái này chồng lên cái kia. Nơi các đỉnh của hình nón gặp nhau là điểm lấy nét. Độ dài tiêu cự của quang lấy nét càng ngắn, hình nón càng to, kích thước điểm lấy nét càng nhỏ và mật độ năng lượng tại điểm lấy nét càng lớn.
Kích thước điểm lấy nét thay đổi theo bước sóng, vì vậy khi bản thân chùm tia được tạo thành từ bước sóng ngắn hơn, thì mật độ công suất tại điểm lấy nét tăng theo phương trình bậc hai. Khả năng lấy nét cao và các loại kim loại khác nhau hấp thụ năng lượng từ chùm tia laser sợi quang tốt như thế nào, là một phần lý do làm cho laser sợi quang trở nên hiệu quả.
Caristan cho biết: “Đó là một lý do khiến bạn có quy tắc ngón tay cái rằng đối với một số vật liệu và độ dày vật liệu nhất định, mỗi kilowatt của laser sợi quang có hiệu suất cắt tương đương gấp đôi so với laser CO₂ có cùng công suất,” Caristan cho biết .
Trong cắt laser, mật độ năng lượng cao hơn sẽ tạo ra nhiều năng lượng nhiệt hơn và lượng năng lượng phụ thuộc vào mức độ hấp thụ năng lượng từ chùm tia laser của kim loại, bao gồm cả nhôm. Nhưng đây chỉ là một phần của phương trình.
Kim loại nóng chảy cần phải được sơ tán. Độ dài tiêu cự ngắn của quang học lấy nét có nghĩa là mật độ công suất giảm đáng kể khi bạn di chuyển ra khỏi vị trí điểm lấy nét. Điều này thu hẹp vết cắt và điều đó cũng có nghĩa là điểm lấy nét phải ở đúng vị trí, đặc biệt là khi kim loại trở nên dày hơn. Vết cắt hẹp có thể gây khó khăn cho khí hỗ trợ thoát ra khỏi kim loại nóng chảy một cách sạch sẽ.
Caristan cho biết: “Một quang học lấy nét có độ dài tiêu cự ngắn làm cho chùm tia phân kỳ nhanh chóng qua điểm lấy nét, vì vậy khi bạn đi đến cuối đường cắt, bạn có rất ít mật độ năng lượng, nói một cách tương đối.” Đây là một lý do khiến việc thiết lập vị trí điểm lấy nét sâu hơn (bên trong chứ không phải bên trên vật liệu) trên nhôm dày hơn là một thông lệ phổ biến.
Một trong những tiến bộ mà ngành công nghiệp đã đạt được trong những năm gần đây là giảm tác động của việc giảm mật độ năng lượng này. Bạn không thể thay đổi tính chất vật lý của chùm tia laser – tất cả chúng đều hội tụ và phân kỳ ra khỏi một tiêu điểm. Mặc dù vậy, các đặc điểm khác của chùm tia có thể được thay đổi để tạo ra lưỡi cắt tốt hơn.
Như Caristan đã giải thích, một số cung cấp một tiêu điểm dao động điều chỉnh hành vi của nó với độ dày của vật liệu. Những người khác thay đổi chế độ hoặc phân phối năng lượng của chùm tia dựa trên loại vật liệu và độ dày. Ví dụ, một chùm tia ở chế độ gaussian, với năng lượng tập trung ở chính tâm sẽ tiêu tán trên biên dạng chùm tia, có mật độ năng lượng thấp hơn ở phía xa trung tâm, điều này tạo ra một vết cắt hẹp. Phân bố vành khuyên tập trung năng lượng xung quanh chu vi chùm tia, duy trì năng lượng cao nhất ở gần các bức tường của vết cắt.
Nhưng một lần nữa, năng lượng từ chùm tia chỉ là một nửa phương trình; hiệu quả của dòng khí hỗ trợ là nửa còn lại. Ở đây công nghệ vòi phun đã đóng một vai trò quan trọng. Một số đầu phun hiện nay thực sự có các bộ phận tiếp xúc với bề mặt phôi. Những điều này làm giảm lượng khí hỗ trợ lãng phí không bao giờ lọt vào vết cắt, đây là một vấn đề đặc biệt với vết cắt hẹp hơn do laser sợi quang tạo ra.
Caristan cho biết: “Trong một vòi phun thông thường, dòng khí sẽ giãn ra ngay khi nó thoát ra khỏi lỗ và một phần lớn trong số đó không bao giờ nhìn thấy vết cắt. Với những vòi cảm ứng chạm vào bề mặt phôi này, bạn sẽ ít lãng phí khí hơn trên bề mặt phôi và nhiều khí hơn sẽ đi trực tiếp vào vết cắt.”
Vết cắt lý tưởng
Một cửa hàng sử dụng tia laser để cắt thép nhẹ dày bằng oxy tận dụng phản ứng hóa học giữa oxy và sắt. Để cắt nhôm dày hơn và các vật liệu kim loại màu khác bằng nitơ, tất cả chỉ là nấu chảy và hút sạch vật liệu.
Caristan đã mô tả một thiết lập laser “lý tưởng”, với dòng khí hỗ trợ chảy theo kiểu lớp hoàn hảo vào vết cắt, với chùm tia giúp loại bỏ và xả sạch vật liệu—không bị “đóng băng” sớm ở đáy (cặn) hoặc trên mép (đường vân) . Các sóng xung kích siêu thanh vẫn ở đó, nhưng chúng di chuyển theo cách mà chúng không làm chệch hướng hoặc cản trở dòng khí vào vết cắt.
Ngày nay, các tia laser công suất cao cắt cực kỳ nhanh, nhưng tất cả tốc độ đó không có tác động nếu các bộ phận tạo thành cần phải được làm lại hoặc loại bỏ. Ngành công nghiệp đã đi một chặng đường dài để hiểu chính xác cách thức tia laser cắt kim loại và công việc vẫn tiếp tục. Sự hiểu biết càng rõ ràng thì các thông số cắt càng trở nên tốt hơn và người vận hành càng có cơ hội đạt được bộ phận cắt sạch trong lần thử đầu tiên.
