Dầm, vòi phun, kiểm soát quy trình và vật liệu tốt hơn giúp công việc trôi chảy
Laser đã trở thành phương tiện thực sự của chế tạo kim loại và chúng chưa bao giờ hiệu quả hơn thế. Họ cắt tổ với tốc độ chưa từng thấy, điều này khiến cho việc tự động hóa xử lý vật liệu càng trở nên quan trọng hơn. Tất cả tốc độ cắt cao trên thế giới có thể không ảnh hưởng đáng kể đến thời gian chu kỳ tổng thể nếu tia laser không hoạt động trong thời gian dài, chờ người vận hành tải tấm và dỡ các bộ phận.
Suy nghĩ tương tự cũng áp dụng cho chất lượng cạnh. Tất nhiên, chất lượng cạnh là chủ quan. Một thợ máy sẽ xem xét một bộ phận được cắt bằng laser và thấy rằng chất lượng cạnh không được tốt lắm. Mặt khác, một thợ hàn có thể nhìn vào cùng một bộ phận và thấy một cạnh mịn, nhất quán, chất lượng cao. Bất chấp điều đó, các yêu cầu của ứng dụng quy định những gì được coi là lợi thế “chất lượng”. Một tia laser có thể hoàn thành một tổ các bộ phận trong thời gian ngắn, nhưng nếu những bộ phận đó cần được gửi qua một hoạt động gỡ lỗi thứ cấp thì sao?
Cắt với tốc độ rất nhiều inch mỗi phút là rất tốt, nhưng tổng thời gian chu kỳ có thể không thay đổi nhiều nếu các bộ phận bị kẹt trong nút cổ chai đang gỡ bavia. Để đảm bảo lưỡi cắt tốt hơn, trước đây người vận hành phải thay đổi các tham số của chương trình cắt, chẳng hạn như tốc độ cắt xung quanh các góc nhọn, nhưng đôi khi họ nhận thấy rằng việc này mất nhiều thời gian hơn là chỉ gửi toàn bộ quá trình chạy qua một hệ thống gỡ lỗi.
1. Chất liệu tốt hơn
Trong vòng 15 năm qua, laser công suất cao hơn đã cho phép các nhà chế tạo cắt vật liệu dày hơn, nhưng đôi khi chất lượng cạnh bị ảnh hưởng. Ban đầu, rất khó để có được vật liệu dày với bề mặt nhẵn, mịn và thành phần nhất quán cho phép tia laser cắt một cạnh nhẵn nhất quán.
Các nhà sản xuất thép nhận thấy nhu cầu gia tăng và bắt đầu sản xuất nhiều vật liệu cấp laser hơn cho các nhà chế tạo. Ngày nay, vật liệu quy mô nhà máy, chất lượng laser đã có sẵn cho các công ty gia công thép dày hơn 0,5 inch và thậm chí dày hơn.
2. Vòi phun tốt hơn
Khả năng cắt các vật liệu dày hơn của các máy laser công suất cao buộc các vòi cắt cũng phải tiến lên. Những tiến bộ bao gồm vòi phun đồng trục để cắt thép bằng oxy. Khi cắt bằng oxy, lưu lượng của khí hỗ trợ rất thấp—0,5 đến 2,0 feet khối mỗi phút (CFM). Các vòi đồng trục, hoặc đôi, cho phép dòng khí chảy đều và ổn định vào vết cắt, tạo ra chất lượng cạnh tốt trên thép dày 0,5 đến 1,25 inch.
Công nghệ này không dừng lại ở việc cắt oxy. Việc cắt khí hỗ trợ nitơ trở nên phổ biến hơn do khả năng cắt ở tốc độ cao của tia laser công suất cao trong các vật liệu mỏng. Quá trình cắt bằng nitơ để lại một cạnh không có oxit đã sẵn sàng để hàn hoặc sơn.
Nhược điểm của Nitơ là cần dòng khí rất lớn để cắt vật liệu, vì vậy nó cần vòi phun có đường kính lớn và nguồn cung cấp Nitơ áp suất cao để cắt ở tốc độ cao hơn và vật liệu dày hơn. Để giải quyết vấn đề này, những cải tiến của vòi phun đã giúp tạo ra động lực dòng chảy tối ưu. Các góc của hình nón bên trong vòi tạo ra dòng chảy đồng trục để cắt áp suất cao với lượng nhiễu loạn ít nhất trong khu vực cắt. Hoạt động Nghiên cứu & Phát triển này đóng một vai trò to lớn trong việc cho phép tia laser cắt các bộ phận sử dụng nitơ, giúp chúng không bị cặn và có cạnh mịn và nhất quán.
3. Kiểm soát quy trình tốt hơn
Khi laser ngày càng mạnh hơn và bắt đầu cắt các vật liệu dày hơn, việc đạt được một bộ phận không có cặn với chất lượng cạnh tốt trở nên khó khăn hơn. Các OEM máy cắt laser đã nhìn thấy điều này và bắt đầu tạo ra các bộ điều khiển làm được nhiều việc hơn là chỉ chạy một chương trình; họ đã làm cho quá trình xử lý trở nên dễ dàng và đáng tin cậy hơn mà không cần người vận hành dày dặn kinh nghiệm.
Các tia laser công suất cao có thể cắt các vật liệu mỏng ở tốc độ cao bằng cách sử dụng nitơ làm khí hỗ trợ, để lại một cạnh không có oxit. Tuy nhiên, ngay từ đầu, một số bộ phận này vẫn cần một hoạt động thứ cấp để loại bỏ một ít cặn bẩn còn sót lại trên các góc nhọn khi—vẫn ở công suất cao—tia la-de quay chậm lại. Để loại bỏ bavia thứ cấp, các lập trình viên sẽ phải thực hiện thay đổi điều kiện để sử dụng công suất, nhiệm vụ và tần số thấp hơn trên mỗi góc. Điều này làm mất rất nhiều thời gian của bên lập trình, và vì vậy họ sớm nhận ra rằng việc làm sạch các cạnh sau khi cắt sẽ hiệu quả hơn là dành thời gian đó cho việc lập trình.
Bộ điều khiển ngày nay tự động hóa tất cả điều này. Họ tính toán lượng công suất, nhiệm vụ và tần suất để giảm tốc độ dựa trên tốc độ mà đầu đang di chuyển vào một góc cua và tăng tốc khi nó tăng tốc ra khỏi góc cua. Làm như vậy để tránh quá nóng và ngăn các hạt cặn hình thành ở các góc (xem Hình 3 ).
Tuy nhiên, tia laser không thể đạt được chất lượng cạnh tốt nếu không có mũi xuyên tốt. Các máy cũ hơn đã chạy hết thời gian xuyên được lập trình. Nếu mũi khoan không xuyên qua vật liệu trong khoảng thời gian đã lập trình, thì máy vẫn bắt đầu cắt, chỉ để tạo ra các bộ phận xấu và có thể không sử dụng được. Vì vậy, người vận hành đặt thời gian xuyên dài quá mức để đảm bảo xuyên hoàn toàn. Điều này làm tăng thêm nhiều giây cho mỗi lần xỏ khuyên, kéo dài thời gian chu kỳ tổng thể cho một lần chạy.
Trong các hệ thống cũ hơn, quá trình cắt thực tế cũng được thực hiện bởi chương trình đã cài đặt không thể thích ứng với những thay đổi không lường trước được trong điều kiện cắt. Nếu quá trình chạy tạo ra các bộ phận xấu, người vận hành vẫn thấy mình đang loại bỏ công việc có cạnh kém và cắt các bộ phận thừa.
Đây là nơi giám sát quy trình đã giúp đáp ứng nhu cầu. Sử dụng các cảm biến ánh sáng được tích hợp trong máy, các bộ điều khiển hiện theo dõi quá trình cắt laser trong thời gian thực. Giám sát quy trình cho phép máy “quan sát” quá trình xỏ lỗ và cắt, đồng thời thực hiện các điều chỉnh để máy có thể tiếp tục xử lý các bộ phận có thể sử dụng được. Với tính năng giám sát vết đâm, bộ điều khiển theo dõi vết đâm, cảm nhận khi nó xuyên qua vật liệu và chỉ sau đó mới bắt đầu cắt các bộ phận.
Quá trình giám sát cũng bao gồm phát hiện bỏng và plasma. Được sử dụng khi cắt thép bằng oxy, đồng hồ phát hiện vết cháy cho vết cắt quá nóng và biểu hiện “sự thoát oxy”, khi vật liệu cháy trong vết cắt không kiểm soát được, dẫn đến chất lượng cạnh kém. Bộ điều khiển nhận thấy điều này và thực hiện các điều chỉnh cần thiết để làm mát vết cắt một chút, tạm thời giảm công suất và giảm tốc độ trước khi tiếp tục ở tốc độ cao hơn.
Tương tự như phát hiện bỏng, phát hiện plasma được sử dụng với cắt nitơ. Khi cắt thép không gỉ hoặc thép cacbon bằng khí nitơ, tia laser sẽ làm nóng chảy thép và khí hỗ trợ nitơ sẽ làm bay hơi vật liệu nóng chảy, để lại một cạnh không có oxit. Tuy nhiên, nếu tia laze cắt quá nhanh, quay một góc nhọn hoặc tiêu điểm hơi lệch, bạn có nguy cơ “mất vết cắt” và tạo ra các bộ phận không sử dụng được.
Khi điều này xảy ra, nitơ và vật liệu nóng chảy tạo ra plasma. Máy dò plasma nhìn thấy tần số ánh sáng này và tính toán rằng vết cắt sẽ sớm bị mất. Tại thời điểm này, máy sẽ giảm tốc độ nạp trong một khoảng cách xác định trước khi tăng tốc trở lại mà không làm mất vết cắt. Kết quả: Hệ thống tiếp tục sản xuất các bộ phận tốt với các cạnh sạch sẽ.
4. Laser mới, thông số chùm tia mới
Các OEM đã chi hàng triệu USD cho R&D để cải thiện chất lượng chùm tia laser. Bằng cách tạo ra chùm tia tốt hơn, tia laser có thể cắt thép, thép không gỉ và nhôm ổn định hơn và có chất lượng cạnh tốt hơn. Trong nhiều thập kỷ, phần lớn công việc này tập trung vào laser CO 2 , nhưng trong những năm gần đây, R&D cũng đã thúc đẩy đường bao cắt cho laser trạng thái rắn, bao gồm cả laser sợi quang và gần đây nhất là công nghệ đi-ốt trực tiếp.
Laser CO 2 đã thay đổi quá trình chế tạo kim loại. Nó đã đưa chúng ta đến nơi chúng ta có ngày hôm nay. Laser sợi quang đã chứng tỏ mình là thế hệ cắt laser tiếp theo cho ngành công nghiệp. Với chi phí bảo trì thấp hơn, vận hành đơn giản và khả năng cắt ở tốc độ cao hơn nhiều so với laser CO 2 , laser sợi quang là lựa chọn phát triển nhanh nhất cho nhiều giao dịch mua laser mới. Nó tạo ra các cạnh trong vật liệu mỏng rất giống với các cạnh chất lượng cao mà laser CO 2 tạo ra; nhưng khi độ dày vật liệu tăng lên, chất lượng cạnh giảm.
Hình 3 Bộ điều khiển sử dụng quá trình giám sát để phát hiện các đặc tính xuyên và cắt trong thời gian thực. Họ thực hiện các thay đổi cần thiết để mang lại chất lượng cạnh tốt nhất, ngay cả xung quanh các góc nhọn. Dầm, vòi phun, kiểm soát quy trình và vật liệu tốt hơn giúp công việc trôi chảy April15FAB_
Chất lượng của chùm tia laser được đo bằng sản phẩm tham số chùm tia, hoặc BPP. Laser CO 2 thường có BPP từ 8 đến 9 mm • mrad, cho phép laser cắt thép, thép không gỉ và nhôm với chất lượng cạnh rất tốt. Laser sợi quang thường có BPP từ 1 đến 3 mm • mrad, cho phép laser cắt rất nhanh trên các vật liệu mỏng hơn—nhưng chất lượng cạnh trong các vật liệu dày hơn lại kém đi. Đây là lý do tại sao laser CO 2 là sự lựa chọn của các nhà chế tạo xử lý vật liệu dày hơn.
Tuy nhiên, công nghệ mới đang nổi lên làm thay đổi đặc tính chùm tia của laser sợi quang, cho phép nó cắt thép nhẹ dày với chất lượng tương đương CO 2 , nhưng chỉ bằng một nửa công suất. Điều này sẽ cho phép các nhà chế tạo mua một máy laze sợi quang để xử lý đầy đủ các loại vật liệu và độ dày của chúng mà không cần hệ thống quang học đặc biệt và không cần thay ống kính.
Khả năng mô phỏng chất lượng cạnh CO 2 trên các máy sợi đã và đang tiếp tục được hoàn thiện bằng cách sử dụng các thấu kính và gương đặc biệt thay đổi chiều rộng vết cắt, cho phép nhiều khí hỗ trợ đi vào vết cắt hơn và giảm mật độ điểm. Tuy nhiên, bằng cách thay đổi giá trị BPP, laser sợi quang có thể đạt được chất lượng chùm tia của laser CO 2 , với cài đặt chùm tia phù hợp và không cần thiết lập bổ sung và vật tư tiêu hao.
Nhìn về tương lai, công nghệ mới nổi chắc chắn sẽ tạo thêm một bước tiến mới cho thị trường cắt laser. Một số nhà sản xuất đã phát triển các hệ thống trạng thái rắn được gọi là laser điốt trực tiếp, mang lại hiệu quả bổ sung và lợi thế xử lý độc đáo. Mặc dù vẫn chưa rõ công nghệ này sẽ ảnh hưởng như thế nào đến các tùy chọn laser hiện tại, nhưng nó đã cho thấy khả năng tạo ra chất lượng cạnh tuyệt vời.
Công nghệ laser luôn thay đổi. Các hệ thống nhanh hơn, hiệu quả hơn tiếp tục xuất hiện—và vẫn còn nhiều hệ thống nữa sẽ ra mắt.