Quay lại vấn đề cơ bản: Khoa học tinh tế về cắt laser không có gờ
Đảm bảo sơ tán kim loại nóng chảy đúng cách vào đúng thời điểm
Một nhà điều hành giảm tải một tờ các bộ phận cắt. Ngoài các bộ phận nhỏ được dán vào đúng vị trí, các mảnh cắt được nhấc ra khỏi tổ để lộ các cạnh sạch, sẵn sàng cho hoạt động tiếp theo. Đó là lý tưởng, ít nhất.
Tất nhiên, khá thường xuyên, các gờ (hoặc cặn) vẫn còn. Những điểm không hoàn hảo như vậy có vẻ như là bình thường, nhưng nhiều khi người vận hành có thể tránh được chúng bằng cách thực hiện các điều chỉnh phù hợp đối với các thông số cắt. Để phát hiện ra chúng, người vận hành cần biết chính xác điều gì sẽ xảy ra khi chùm tia cắt laser, khí hỗ trợ và phôi tương tác với nhau để tạo ra lưỡi cắt hoàn hảo.
Vậy bí quyết để cắt laser không có gờ là gì? Tất nhiên, không có “một” bí mật nào, nhưng Caristan đã mô tả một số chiến lược xoay quanh một yếu tố cắt laser mà phần lớn nằm dưới sự kiểm soát của người vận hành: động lực dòng khí hoặc cách khí hỗ trợ chảy qua vết cắt.
Biết thông số nào cần thay đổi
Phần lớn, các máy móc hiện đại kiểm soát các đặc điểm của chùm tia laze: cụ thể là công suất chùm tia (thường ở mức tối đa) và biên dạng chùm tia. Tiêu điểm chùm tia, dựa trên quang học lấy nét được sử dụng, được đặt cho các loại vật liệu và độ dày cụ thể.
Kỹ thuật viên (và trên các hệ thống hiện đại, chính máy móc) có thể kiểm tra vô số thông số, từ căn chỉnh chùm tia qua hệ thống phân phối chùm tia (trong laser CO 2 ) đến định tâm vòi phun, hiệu chỉnh vị trí lấy nét để đảm bảo rằng vị trí lấy nét được chỉ định trên máy CNC khớp với vị trí lấy nét thực trên phôi cho mọi đường kính thấu kính được sử dụng.
Đối với một số ứng dụng nhất định, việc đặt điểm lấy nét quá cao trong vết cắt có thể để lại cặn có gai; tập trung quá thấp vào vết cắt sẽ mang lại tốc độ cắt chậm hơn và có thể để lại các hạt, một dấu hiệu nhận biết của việc “đúc quá mức”.
Vị trí lấy nét thường được lưu dưới dạng một phần của bảng chương trình cắt. Các thông số còn lại bao gồm áp suất khí, điểm dừng của vòi phun, tần số công suất laser được điều khiển và tốc độ cắt cho các đường cắt khác nhau.
Nhiều điều chỉnh tham số được tự động hóa trên các hệ thống hiện đại, bao gồm thay đổi vòi phun thành đường kính nhỏ hơn hoặc lớn hơn. Caristan cho biết: “Điều này có nghĩa là người vận hành đứng cạnh máy thường điều chỉnh áp suất khí, vị trí tiêu điểm và tốc độ cắt. “Đôi khi họ làm bất cứ điều gì họ cần làm để hoàn thành công việc và họ không nhất thiết phải điều chỉnh các thông số theo đúng hướng, với chi phí là chất lượng cạnh hoặc giũa thủ công.”
Giả sử một người vận hành nhận thấy một đường gờ ở dưới cùng của cạnh cắt trên một bộ phận bằng thép không gỉ. Phản ứng đầu tiên (và hợp lý) của người vận hành là giảm tốc độ cắt. Caristan cho biết: “Điều này hoàn toàn hợp lý, bởi vì trong suy nghĩ của anh ấy hoặc cô ấy, đầu cắt đang di chuyển quá nhanh, do đó tạo ra các vấn đề về độ lặp lại và hiệu suất cắt,” Caristan nói.

Trong cắt laser, cách chùm tia laser, khí hỗ trợ và vật liệu tương tác với nhau quyết định chất lượng cắt. Tại đây, cặn bã hình thành khi vật liệu nóng chảy đông đặc lại trước khi nó có thể được hút ra khỏi rãnh cắt.
Sau khi giảm tốc độ và thay đổi áp suất khí hỗ trợ cho phù hợp, người vận hành nhận thấy một vết gờ thậm chí còn lớn hơn. Đưa cái gì? Caristan cho biết, câu trả lời nằm ở việc biết chính xác cách thức khí, chùm tia và vật liệu tương tác để tạo ra đường gờ ngay từ đầu.
Điều gì tạo ra Burr?
Caristan bắt đầu bằng cách mô tả những điều cơ bản: Năng lượng cực mạnh của chùm tia laze đưa kim loại vượt quá nhiệt độ nóng chảy của nó và hoạt động năng động của khí hỗ trợ sẽ đẩy kim loại nóng chảy ra khỏi vết cắt. Khi sử dụng nitơ, một loại khí trơ, quá trình cắt chỉ dựa vào năng lượng của chùm tia để làm tan chảy kim loại. Khi thép carbon được cắt bằng khí hỗ trợ oxy, oxy sẽ tương tác với kim loại nóng để tạo ra phản ứng tỏa nhiệt, làm tăng thêm nhiệt.
“Vì lý do đó,” Caristan nói, “bạn không cần nhiều áp suất khí để thực sự đẩy vật liệu ra. Đó là lý do tại sao với việc cắt oxy, bạn có áp suất thấp hơn nhiều và dòng khí hỗ trợ động chậm hơn nhiều.”
Trong cả hai trường hợp, các gờ được tạo ra từ kim loại nóng chảy (và, trong trường hợp cắt oxy, xỉ) đông đặc nhanh hơn tốc độ thoát ra ngoài. Vật chất đông đặc đó trở thành thạch nhũ ở đáy vết cắt tạo thành gờ.
Điều gì làm cho kim loại đông đặc nhanh hơn nó có thể được hút chân không? Như Caristan đã giải thích, hãy tìm ra nguyên nhân (hoặc nhiều nguyên nhân) và bạn đang trên đường tiến tới một đường cắt bằng laser sạch hơn.
động lực học khí
Lý tưởng nhất là người vận hành nên thực hiện các thay đổi có tính đến chất lượng, hiệu quả và chi phí, đặc biệt khi nói đến khí hỗ trợ nitơ. Caristan cho biết: “Khí hỗ trợ nitơ có thể chiếm từ 35 đến 50 phần trăm chi phí biến đổi trong quá trình cắt laser,” Caristan cho biết, “vì vậy điều quan trọng là phải kiểm soát mức tiêu thụ đó. Do đó, một trong những cân nhắc đầu tiên khi bạn thiết lập các thông số cắt là giảm thiểu đường kính vòi phun. Nghĩa là, bạn chọn đường kính vòi phun nhỏ nhất mà bạn có thể sử dụng để đạt được chất lượng và hiệu suất mong muốn.”
Ông nói thêm rằng khi nói đến tốc độ dòng khí hỗ trợ, đường kính vòi tạo ra sự khác biệt rất lớn. Nếu người vận hành tăng đường kính vòi phun lên 2 lần, tốc độ dòng khí tăng lên 4 lần.
Caristan tiếp tục: “Khi bạn xác định được đường kính vòi phun nhỏ nhất, bạn sẽ xác định được áp suất thấp nhất có thể cần thiết để có được vết cắt chất lượng tốt, nơi bạn có khả năng tách kim loại nóng chảy tốt và không có gờ. “Và bạn chắc chắn không muốn tăng áp suất quá cao, hoặc cuối cùng bạn sẽ tăng tốc độ dòng chảy của mình một cách tương ứng.”
Caristan nhắc lại rằng áp suất cắt nitơ thường được đặt trên 150 PSI và cao tới 375 PSI đối với phôi gia công dày hơn—cao hơn nhiều so với cắt oxy áp suất tương đối thấp (28 PSI hoặc thấp hơn, tùy thuộc vào hoạt động và độ dày vật liệu). Áp suất phải đủ cao, nhưng để tiết kiệm chi phí, không cao hơn mức cần thiết.
Với đường kính vòi phun “tốt” nhỏ nhất được xác định, người vận hành sau đó tuân theo quy tắc ngón tay cái và đặt khoảng cách ngưỡng từ phôi bằng với một đường kính vòi phun. Lý do cho điều này không hoàn toàn trực quan.
Đúng là việc đặt ngưỡng chênh lệch quá cao sẽ khiến khí hỗ trợ gặp khó khăn trong việc hút kim loại nóng chảy ra khỏi vết cắt một cách sạch sẽ và hiệu quả. Nếu người vận hành không biết rằng anh ta nên giảm khoảng cách chờ, thì anh ta sẽ tăng áp suất ga để bù lại, làm tăng mức sử dụng ga và các chi phí biến đổi đó.
Nhưng một lý do khác để duy trì trạng thái bế tắc của vòi phun cụ thể là rất quan trọng liên quan đến việc phá vỡ rào cản âm thanh, ít nhất là với việc cắt nitơ. Dòng khí trở nên siêu thanh và khi làm như vậy sẽ tạo ra sóng xung kích. Khi vòi phun không ở độ cao phù hợp, “những sóng xung kích đó tương tác với bề mặt phôi và vết cắt theo cách tiêu cực,” Caristan cho biết thêm rằng điều tương tự cũng xảy ra đối với vết bắn tóe dính trên mép hoặc thành trong của vòi phun. Tia lửa nhô ra làm gián đoạn động lực học của dòng khí và làm chệch hướng sóng xung kích siêu âm trên vết cắt. Sóng xung kích làm cho quá trình thoát khí kim loại nóng chảy trở nên thất thường và một số kim loại nguội đi trước khi thoát ra khỏi khu vực cắt, hóa rắn trong khi vẫn bám vào cạnh cắt dưới cùng. Nói cách khác, bạn nhận được một burr.
Đó là lý do tại sao việc cắt bằng vòi sạch lại rất quan trọng. Đó cũng là một lý do mà các máy laser hiện đại có cảm biến để phát hiện các vật cản ở đầu phun và tự động làm sạch đầu phun để loại bỏ chúng.
Ở bên trong, hầu hết các vòi đều có hình trụ và rất có khả năng cho nhiều độ dày tấm khác nhau. Một số vòi, phù hợp với phạm vi hẹp của vật liệu (thường dày hơn), có hình dạng hội tụ và phân kỳ, được thiết kế để tạo cho dòng khí bao quanh chùm tia có hình dạng hội tụ và phân kỳ tương tự, hoặc hình dạng đồng hồ cát.
Hình dạng đồng hồ cát của chùm tia khi nó đi vào và đi ra khỏi tiêu điểm, cùng với vị trí và bản chất của phản ứng tỏa nhiệt khi cắt oxy, tạo ra cạnh cắt đặc trưng được thấy trên tấm dày hơn. Caristan cho biết: “Vật liệu càng dày thì bạn càng có nhiều sự khác biệt về động lực khí và hình dạng chùm tia laser giữa bề mặt trên và dưới của vết cắt. Cạnh nhẵn ở phía trên và trở nên thô hơn khi cắt sâu hơn, cuối cùng biến thành các đường vân thô ở phía dưới.
Khí hỗ trợ cũng tương tác với không khí xung quanh. Các phân tử khí nóng chuyển động nhanh hơn các phân tử khí lạnh hơn và những phân tử đó bắn phá các phân tử chuyển động nhanh của khí hỗ trợ. Không khí ẩm cũng hoạt động khác với không khí khô. Tất cả điều này ảnh hưởng đến động lực học dòng khí. Đường kính vòi phun và áp suất khí có thể được đặt theo một cách vào buổi sáng tháng Giêng và một cách khác đáng kể vào buổi chiều tháng Bảy, tất cả là do nhiệt độ không khí xung quanh thay đổi. Vì vậy, khi xác định cài đặt tối ưu để vận hành hiệu quả về chi phí—một lần nữa, đường kính vòi phun nhỏ nhất và áp suất thấp nhất để cắt tốt—người vận hành cần phải nhận thức được tác động của nhiệt độ không khí xung quanh ngay từ đầu.
Chậm hơn không có nghĩa là tốt hơn
Logic “nhỏ hơn và thấp hơn” đối với đường kính vòi phun và áp suất khí không áp dụng cho tốc độ cắt. Caristan lại mô tả một tình huống điển hình khi cắt thép không gỉ bằng nitơ: đó là người vận hành giảm tốc độ cắt để tránh bavia.
“Khi bạn đi quá chậm, cuối cùng bạn sẽ bơm vào vết cắt nhiều nhiệt hơn mức cần thiết. Cuối cùng, bạn sẽ tăng nhiệt độ lên một mức cực đoan, gây ra sự bốc hơi làm rối loạn dòng khí.” Sự xáo trộn đó lại gây ra nhiều gờ hơn chứ không phải ít hơn, đó là lý do tại sao người vận hành có thể làm cho chất lượng vết cắt trở nên tồi tệ hơn bằng cách làm chậm tốc độ nạp.
Về cơ bản, người vận hành đã hiểu sai chính xác những gì đang xảy ra trong vết cắt. Chùm tia laze trú hơi quá lâu tại mỗi điểm dọc theo mép cắt và do đó, tạo ra nhiệt dư thừa và một chút mài mòn. Điều này làm xáo trộn động lực của dòng khí, do đó không thoát ra đúng lượng kim loại nóng chảy vào đúng thời điểm. Nó để lại một số kim loại phía sau, chúng đông đặc lại thành các gờ ở đáy vết cắt.
Biết được điều này, người vận hành có thể ngăn chặn bavia bằng cách tăng nhẹ tốc độ cắt. Việc tăng tốc độ đó sẽ làm giảm nhiệt đầu vào và quá trình cắt bỏ, đồng thời khôi phục động lực của dòng khí về trạng thái thích hợp.
Cân nhắc cắt oxy
Khi một người vận hành chuyển sang cắt bằng oxy cho thép carbon, anh ta cũng phải xem xét phản ứng tỏa nhiệt. Như Caristan đã giải thích, đây là nơi mức độ tinh khiết của oxy đóng vai trò quan trọng.
Thép carbon cắt oxy được hưởng lợi từ mức độ tinh khiết của khí oxy cao hơn. “Người ta đã chứng minh nhiều lần rằng, với cả laser CO 2 và laser sợi quang, việc tăng độ tinh khiết toàn cầu của oxy lên 99,95 phần trăm trở lên—lên 99,98 hoặc 99,99 phần trăm—chúng ta có thể tăng đáng kể tốc độ cắt trong sản xuất, đôi khi từ 30 đến 40 phần trăm. ”
Nếu bình oxy hoặc xi lanh giảm độ tinh khiết, thì tạp chất đó thường là argon. Điều này là do khi khí oxy được tạo ra bằng phương pháp đông lạnh trong một thiết bị tách khí, cả oxy và argon đều hóa lỏng ở nhiệt độ rất giống nhau.
Tạp chất argon không làm thay đổi động lực học của khí hoặc cách khí hỗ trợ chảy qua vết cắt. Caristan cho biết: “Nhưng argon nặng hơn các phân tử oxy và có các đặc tính dẫn nhiệt rất khác nhau. “Vì vậy, khi bạn thêm argon vào hỗn hợp, bạn sẽ thay đổi tương tác hóa học giữa khí hỗ trợ chủ yếu là oxy và kim loại nóng chảy.”
Điều này làm thay đổi phản ứng tỏa nhiệt, do đó có thể ảnh hưởng đến hiệu suất cắt. Phản ứng tỏa nhiệt hoạt động cùng với tốc độ dòng khí (một lần nữa, thấp hơn nhiều so với cắt nitơ) để đốt cháy và loại bỏ vật liệu nóng chảy và xỉ. Nếu vật liệu nóng chảy và xỉ oxy hóa đó không được loại bỏ một cách hiệu quả, nó sẽ tồn tại dưới dạng một vệt trên cạnh cắt.
Đừng quên hệ thống nước
Hầu hết những người lắp đặt hệ thống cắt laser đều biết tránh khuỷu tay trong hệ thống ống dẫn khí (có thể gây giảm áp suất) hoặc để quá khổ đường kính đường ống để bù đắp cho sự sụt giảm áp suất nếu không thể tránh khỏi khuỷu tay.
Caristan cho biết: “Một điều nữa: Khi bạn có thời gian chết và khí không chảy đến tia laser, không khí sẽ xâm nhập và lấp đầy đường ống,” Caristan cho biết, điều này có thể gây ra sự cố khi khởi động lại tia laser cho ca hoặc hoạt động tiếp theo. “Trừ khi bạn lọc sạch bầu không khí trong đường ống, nếu không bạn vẫn sẽ gặp khó khăn khi cắt vì khí [hỗ trợ] của bạn bị ô nhiễm.”
Một khoa học tinh tế
Nó có vẻ giống như một hành động tung hứng để tránh các gờ và có được một cạnh cắt sạch sẽ. Nhưng nó thực sự tập trung vào các thông số chùm tia laze và động lực học của khí. Một số chùm có thể kêu gọi các động lực khí khác nhau. Ví dụ, laser sợi quang và laser đĩa, Caristan giải thích, có khả năng tập trung cao và tạo ra những điểm nhỏ tạo ra vết cắt hẹp; các rãnh hẹp hơn đòi hỏi tốc độ dòng khí cao hơn và do đó áp lực để thoát vật liệu nóng chảy đúng cách (mặc dù các bước lặp hiện đại của công nghệ có độ dài tiêu cự dài hơn và đặc điểm chùm tia phù hợp với vật liệu dày hơn). Mặc dù bước sóng và cấu hình của chùm tia có thể khác nhau nhưng laser sợi quang và khí hỗ trợ vẫn hoạt động cùng nhau.
Đạt được vết cắt không có gờ là đảm bảo các thông số chùm tia và động lực khí hoạt động cùng nhau để đảm bảo lượng kim loại nóng chảy phù hợp thoát khỏi vết cắt vào đúng thời điểm và đúng cách. Nếu người vận hành và kỹ thuật viên cố gắng giải quyết các vấn đề về chất lượng cắt mà không xem xét các nguyên tắc cơ bản của quy trình, thì họ có thể đang làm những việc vô ích.