Laser công suất cao và sự phát triển của khí hỗ trợ

Sự xuất hiện của laser sợi quang 20 kW trở lên đang buộc các nhà chế tạo phải nghĩ khác về cách họ tiếp cận việc cắt laser

Tỷ lệ sử dụng laser công suất cao ngày càng tăng dường như sẽ không sớm kết thúc. Với công suất cắt laser đạt tới 20 kW, các thiết bị này có khả năng cắt vật liệu có đường kính lên tới 1,5 inch với độ chính xác, độ dày từng dành cho máy cắt tia nước và plasma.

Tuy nhiên, việc áp dụng các thiết bị mạnh mẽ này đi kèm với những cân nhắc mới. Tất cả các nhà chế tạo kim loại đều yêu thích khả năng cắt tăng lên. Ví dụ, trung bình, một tia laser sợi quang 20 kW mới có thể tăng tốc độ cắt lên tới 50% khi so sánh với nguồn năng lượng laser sợi quang 10 kW. So sánh đó có giá trị khi quá trình cắt được thực hiện bằng cách sử dụng nitơ làm khí hỗ trợ lase và điều quan trọng cần lưu ý là vì mức tiêu thụ khí nitơ tăng đáng kể với các máy cắt laser sợi quang công suất cao mới này. Thiết bị cũ đơn giản là không thể phù hợp với phạm vi độ dày vật liệu có thể cắt hiệu quả bằng nitơ trên máy cắt laser sợi quang công suất cao.

Nitơ là loại khí được lựa chọn vì nó ngăn không cho lưỡi cắt bằng laser bị oxy hóa, đây là điều xảy ra khi oxy được sử dụng làm khí hỗ trợ. (Sơn tĩnh điện và sơn thường không thể bám vào các cạnh kim loại bị oxy hóa.) Điều đó dẫn đến tình huống sau: Một nhà chế tạo kim loại thích sản xuất nhiều bộ phận mỗi giờ hơn bao giờ hết trên máy cắt laser cũ của mình và để giảm thiểu việc xử lý tiếp theo, chẳng hạn như mài các cạnh để loại bỏ bằng chứng về quá trình oxy hóa, nó sử dụng nitơ làm khí hỗ trợ. Do đó, nhà chế tạo có khả năng sẽ sử dụng nhiều nitơ hơn (đặc biệt nếu đó là tấm cắt) so với trước đây.

Cửa hàng có tìm kiếm những chiếc xe tăng số lượng lớn hơn không? Đó là một khả năng, nhưng nó có thể không phải là câu trả lời hiệu quả nhất về chi phí. Mối quan hệ với các nhà cung cấp khí đốt đòi hỏi phải có hợp đồng, ràng buộc các công ty chế tạo kim loại vào một thỏa thuận tài chính ít linh hoạt. Ngoài ra, trong nhiều trường hợp, nhà máy hoạt động càng xa nhà cung cấp gas thì gas càng đắt.

Mức tiêu thụ nitơ tăng lên cũng đặt ra câu hỏi liệu hệ thống đường ống của một cơ sở có thể chứa được lượng khí mới hay không. Việc thay đổi đường ống toàn bộ cơ sở hạ tầng có thể được yêu cầu với việc tăng kích thước của các bể chứa số lượng lớn.

Sau khi đã đầu tư vào một máy cắt laser công suất cao mới bao gồm xử lý vật liệu và tự động phân loại các bộ phận, bất kỳ nhà chế tạo kim loại nào cũng sẽ quan tâm đến việc cố gắng giảm thiểu chi phí liên tục khi vận hành máy laser. Đó là lý do tại sao nhiều người trong số họ đang thể hiện sự quan tâm đến máy tạo nitơ như một phần của hỗn hợp thiết bị khi họ áp dụng phương pháp cắt laser công suất cao.

Báo cáo tình trạng: Sản xuất nitơ

Sản xuất nitơ không phải là mới đối với lĩnh vực chế tạo kim loại, nhưng nó đang được chấp nhận rộng rãi hơn. Nhiều cửa hàng có thể đã từng nghi ngờ về công nghệ này và nhận thấy các công-te-nơ số lượng lớn truyền thống hoặc công-te-nơ đáng tin cậy hơn. Ngày nay, cơn khát nitơ của laser sợi quang công suất cao đang thay đổi mọi nghi ngờ còn sót lại thành mối quan tâm chính thức.

Các thiết bị tạo nitơ không thực sự tạo ra nitơ mà chiết xuất nó từ khí quyển xung quanh. Nitơ chiếm khoảng 78% không khí con người hít thở và oxy chiếm khoảng 21%. Phần còn lại là argon và dấu vết của các loại khí khác như carbon dioxide và metan.

Về cơ bản, có hai phương pháp tạo ra nitơ có độ tinh khiết cao: màng và hấp phụ dao động áp suất. Trong quy trình màng, khí chảy qua một tập hợp các sợi rỗng; các phân tử oxy chảy qua vì chúng nhỏ hơn các lỗ của sợi và các phân tử nitơ, lớn hơn các lỗ này, di chuyển đến tia laser (xem Hình 1 ).

Sự hấp phụ dao động áp suất liên quan đến việc thiết lập hai bể với một sàng phân tử carbon trên cả hai bể để bẫy các phân tử oxy. Vì một bể đang giữ oxy, lưới lọc cho phép các phân tử nitơ đi qua bể thứ hai theo phương thẳng đứng. Khi bể thứ nhất không còn có thể hấp thụ các phân tử oxy bổ sung, sự dao động áp suất sẽ xảy ra giữa hai bể, trong đó bể thứ hai trở nên điều áp và bể thứ nhất trục xuất việc thu gom oxy của nó. Bể đầu tiên sau đó được đổ đầy nitơ và chu kỳ phân tách lại bắt đầu. Toàn bộ quá trình ở trạng thái cân bằng không đổi (xem Hình 2 ).

Hình 1. Quá trình tạo nitơ ở màng tập trung vào việc dòng khí đi qua một tập hợp các sợi rỗng. Các phân tử oxy chảy qua các sợi vì chúng nhỏ hơn các lỗ của sợi và các phân tử nitơ, lớn hơn các lỗ này, sẽ đi qua máy cắt laser.

Hiện tại, phương pháp hấp phụ xoay áp suất là phổ biến nhất để tạo nitơ cho cắt laser. Nó có thể tạo ra khí nitơ rất tinh khiết và mang lại tốc độ dòng chảy mạnh ở áp suất cao hơn cho những máy cắt laser yêu cầu chúng.

Nhập hỗn hợp khí

Trong những năm gần đây, rất nhiều nghiên cứu đã được tiến hành với việc trộn khí thêm một loại khí khác vào nitơ trong quá trình cắt laser. Động lực chính là tăng tỷ lệ cắt giảm; ý tưởng là sự hiện diện của một số oxy có thể làm tăng nhiệt độ cắt, do đó loại bỏ kim loại với tốc độ cao hơn. Điều này làm việc trong nhiều trường hợp, nhưng không phải trong mọi trường hợp.

Một lợi ích được phát hiện gần đây của việc trộn khí là khả năng giảm gờ sợi quang vòm và cặn ở mặt dưới của kim loại, đặc biệt là nhôm, xuất hiện sau khi kim loại được cắt bằng bất kỳ tia laser sợi quang công suất cao nào sử dụng khí trơ như nitơ . Gờ này là kết quả của việc vật liệu nguội đi quá nhanh khi nó bị đẩy ra qua bề mặt đáy và đúc lại trên các cạnh của biên dạng. Sự hiện diện của oxy trong hỗn hợp khí và kết quả là tăng nhiệt độ cắt giúp giảm thiểu bavia đến mức nhiều nhà chế tạo kim loại có thể hài lòng với kết quả cắt bằng laser và không phải lo lắng về hiện tượng bavia phía sau.

Kết quả của việc sử dụng loại hỗn hợp khí này có thể khá ấn tượng khi so sánh với việc sử dụng nitơ thẳng. Chẳng hạn, một thử nghiệm liên quan đến việc cắt laser sợi quang 6 kW 0,375 inch. thép nhẹ tiết lộ rằng hỗn hợp khí gồm 97% nitơ và 3% oxy tạo ra tốc độ cắt 110 IPM, đây là một cải tiến rõ rệt so với 90 IPM chỉ sử dụng nitơ làm khí hỗ trợ.

Kết quả trở nên ấn tượng hơn với các máy có công suất cao hơn. Một tia laser sợi quang 10 kW xử lý cùng một loại vật liệu và sử dụng cùng một hỗn hợp khí đã đạt được tốc độ cắt cao tới 230 IPM. Sử dụng nitơ thẳng làm khí hỗ trợ laser, cùng loại máy này chỉ đạt 183 IPM.

Đó chỉ là hai ví dụ, nhưng các nhà chế tạo kim loại có thể mong đợi các cạnh chất lượng cao hơn, tăng tốc độ cắt và giảm mức tiêu thụ nitơ khi sử dụng các hỗn hợp khí này. Rõ ràng, kết quả sẽ khác nhau tùy thuộc vào máy cắt laser được sử dụng và hỗn hợp tỷ lệ khí quy định.

Các nhà chế tạo kim loại lo lắng về quá trình oxy hóa các cạnh khi sử dụng hỗn hợp khí với oxy có quyền được lo ngại, nhưng họ cũng có thể ngạc nhiên. Một số nhà sản xuất kim loại đã phát hiện ra rằng các bộ phận được cắt bằng hỗn hợp khí gồm 95% nitơ và 5% oxy chấp nhận một lớp sơn đủ tốt và đạt yêu cầu trong các thử nghiệm chống trầy xước và thời tiết. Mặt khác, một số công ty sản xuất yêu cầu các bộ phận chịu được thử nghiệm phun muối rộng rãi, trong đó các bộ phận được phun muối và nước trong một thời gian dài, đã phát hiện ra rằng việc sử dụng hỗn hợp khí trong quá trình cắt laser đã dẫn đến nhiều thất bại thử nghiệm hơn. . Một lần nữa, ứng dụng và kỳ vọng của người dùng quyết định liệu việc sử dụng hỗn hợp khí này có hợp lý hay không.

Các hỗn hợp khí này được đưa đến máy cắt laser thông qua hệ thống trộn khí theo yêu cầu, vừa có kích thước nhỏ vừa không tốn kém. Bộ trộn khí giúp dễ dàng điều chỉnh tỷ lệ nitơ và oxy chính xác cho ứng dụng cắt.

Những bộ trộn khí này được kết nối với hệ thống tạo nitơ và điển hình là các giọt oxy áp suất cao. Nguồn cung cấp oxy lớn thường không hoạt động cho thiết lập này vì áp suất nạp quá thấp. Áp suất nạp từ một trong những bình oxy này có thể là 145 PSI, không đủ khi so sánh với áp suất nạp 350 PSI từ hệ thống tạo nitơ. Nếu áp suất nạp oxy đến thấp hơn 20 PSI so với áp suất nạp nitơ, thì nitơ sẽ chiếm chỗ oxy và dòng khí sẽ trở nên mất cân bằng. Các giọt oxy áp suất cao giữ cho hỗn hợp khí đó ở trạng thái cân bằng chính xác.

Kích thước tổng thể của hệ thống tạo nitơ bao gồm hai phần chính: bộ tạo và bể chứa. Đơn vị phát điện chiếm khoảng 6 x 6 ft vuông và cao khoảng 8 ft. Các bể chứa, trông giống như một chồng bình khí nén, được xếp chồng lên nhau gần với thiết bị phát điện, làm tăng thêm một vài feet cho diện tích tổng thể. Máy trộn khí theo yêu cầu nhỏ khi so sánh: 2 x 2,5 ft. và cao khoảng 3 ft.

Hình 2. Hệ thống hấp phụ xoay áp suất thường được sử dụng để tạo ra nitơ cho quá trình cắt laser.

Kích thước của thiết bị tạo nitơ khiến nó trở thành một ứng cử viên sáng giá để đặt nó phía trên máy cắt laser, chẳng hạn như trên gác lửng. Để tận dụng tối đa diện tích vuông hiện tại của họ, các cửa hàng đang tìm cách đi theo chiều dọc bất cứ nơi nào họ có thể với thiết bị hỗ trợ phụ trợ cho các công cụ máy móc của họ. Một hệ thống tạo nitơ là một ứng cử viên phù hợp cho phương pháp này.

Tiến về phía trước

Nghiên cứu về trộn khí có thể sẽ tiếp tục khi các máy cắt laser ngày càng phát triển về công suất và các nhà chế tạo kim loại mở mang đầu óc cho những gì có thể ngoài việc sử dụng nitơ tinh khiết làm khí hỗ trợ. Các công ty máy công cụ sẽ khám phá xem họ có thể cung cấp bao nhiêu oxy cho ứng dụng cắt giúp tăng tốc độ cắt và cải thiện các cạnh cắt mà không để lại quá nhiều bằng chứng về quá trình oxy hóa. Các công ty này cũng sẽ xem xét các loại khí thay thế để thêm vào hỗn hợp, đặc biệt là do lượng titan và các kim loại đặc biệt khác ngày càng tăng mà các nhà chế tạo đang được yêu cầu cắt giảm cho ngành công nghiệp vũ trụ thương mại đang phát triển.

Bất chấp tất cả những mặt tích cực liên quan đến việc tạo ra nitơ và hỗn hợp khí mới có sẵn với các hệ thống này, một số nhà chế tạo kim loại vẫn đang lê chân. Khoản đầu tư vốn ban đầu có thể là một sự thất bại, đặc biệt nếu phương pháp phân phối khí và bể chứa hiện tại của họ hoạt động hiệu quả.

Đó là nơi mà các chủ sở hữu và nhà quản lý công ty này cần thay đổi quan điểm của họ. Việc tạo ra nitơ là cơ hội để các nhà chế tạo kim loại cải thiện tốc độ sản xuất, đạt được sự chắc chắn về chi phí và thậm chí nâng cao chất lượng sản phẩm, với tiềm năng cải thiện hơn nữa nhờ tiếp tục nghiên cứu trong ngành. Đã đến lúc các nhà chế tạo không thể bỏ qua việc tạo ra nitơ nếu họ đang chạy các máy cắt laser công suất cao.

Công ty Cổ phần Thiết bị và Giải pháp Cơ khí Automech
Trụ sở chính: số 285 đường Phúc Lợi, quận Long Biên, Hà Nội
Chi nhánh Đà Nẵng: lô 11, khu A4 – Nguyễn Sinh Sắc, quận Liên Chiểu, Đà Nẵng
Chi nhánh TP HCM: số 84, đường 10, khu đô thị Vạn Phúc, Hiệp Bình Phước, Thủ Đức
Hotline: 0987 899 347
Website: automech.vn
Fanpage: Automech Life