مشکلات فنی و راه حل برای برش لیزری صفحات ضخیم

با توسعه مداوم فناوری تولید صنعتی، برش لیزری به دلیل مزایایی که در دقت بالا، راندمان بالا و پردازش غیر تماسی دارد، به طور گسترده در زمینه پردازش فلزات استفاده شده است. با این حال، فناوری برش لیزر در هنگام برش صفحات ضخیم تر با چالش های زیادی مواجه است. هدف این مطالعه تجزیه و تحلیل سیستماتیک مشکلات فنی در فرآیند برش لیزری صفحات ضخیم و پیشنهاد راه حل های مربوطه برای ارائه راهنمایی نظری و مرجع فنی برای عمل صنعتی است.

تکنولوژی برش لیزری از قدرت کم به توان بالا و از صفحه نازک به صفحه ضخیم پیشرفت مداومی را تجربه کرده است. در حال حاضر، برش لیزر به طور گسترده ای در ساخت خودرو، هوا فضا، ساخت کشتی و سایر زمینه ها استفاده می شود. با این حال، با افزایش ضخامت مواد، مشکلات کیفیت، کارایی و هزینه برش بیش از پیش برجسته می شود که نیاز به بررسی و حل عمیق آن فوری دارد.

1. مشکلات فنی اصلی برش لیزری صفحه ضخیم

مشکل اصلی در فرآیند برش لیزری صفحه ضخیم کاهش قابل توجه کیفیت پرتو با افزایش عمق برش است. به عنوان لیزر در نفوذ مواد ضخیم تر بارها رخ می دهد که بازتاب و پراکندگی، و در نتیجه توزیع ناهموار چگالی انرژی، که به نوبه خود بر کیفیت برش تاثیر می گذارد. مطالعات نشان داده‌اند که وقتی ضخامت برش از 20 میلی‌متر تجاوز می‌کند، ویژگی‌های فوکوس پرتو لیزر به‌طور قابل‌توجهی بدتر می‌شود و در نتیجه برش گسترده‌ای در پایین گوه{3}}شکل باریک ایجاد می‌شود.

ثانیاً، منطقه تحت تأثیر حرارت{0}} ایجاد شده در فرآیند برش صفحه ضخیم را نباید نادیده گرفت. به دلیل رسانایی حرارتی ضعیف صفحه ضخیم، انرژی لیزر در داخل ماده جمع می‌شود و در نتیجه باعث گسترش ناحیه تحت تأثیر گرما{2}}می‌شود که ممکن است باعث ایجاد تغییراتی در ریزساختار ماده و افزایش تنش پسماند شود. داده‌های تجربی نشان می‌دهند که هنگام برش فولاد کربنی با ضخامت 30 میلی‌متر، پهنای ناحیه تحت تأثیر حرارت می‌تواند تا 3 تا 5 برابر برش صفحه نازک باشد که به‌طور جدی بر خواص مکانیکی مواد تأثیر می‌گذارد.

چسبندگی سرباره و افزایش زبری سطح برش یکی دیگر از مشکلات فنی مهم است. در فرآیند برش صفحه ضخیم، فلز مذاب به سختی توسط گاز کمکی به طور کامل دمیده می شود و به راحتی می توان یک تجمع سرباره در پایین برش ایجاد کرد. در عین حال، به دلیل انرژی ورودی ناپایدار، سطح برش اغلب رگه‌ها و ناهمواری‌های آشکاری به نظر می‌رسد. آمار نشان می دهد که وقتی ضخامت صفحه از 25 میلی متر تجاوز می کند، مقدار Ra زبری سطح برش ممکن است به 2-3 برابر برش صفحه نازک برسد.

2. راه حل برای مشکلات فنی برش لیزری صفحه ضخیم

برای مشکلات کیفیت پرتو، بهینه سازی پارامترهای لیزر مستقیم ترین راه حل است. با افزایش قدرت لیزر (معمولاً به بیش از 6 کیلو وات نیاز دارند)، فرکانس پالس و چرخه کار را تنظیم کنید، می توانید عمق نفوذ انرژی را بهبود بخشید. در عین حال، استفاده از سیستم فوکوس پویا می تواند تنظیم خودکار موقعیت فوکوس را در طول فرآیند برش برای حفظ بهترین توزیع چگالی انرژی محقق کند. آزمایش‌ها ثابت کرده‌اند که استفاده از لیزر فیبر 12 کیلوواتی با فناوری فوکوس پویا می‌تواند به طور موثر صفحه فولادی ضد زنگ با ضخامت 40 میلی‌متر را برش دهد.

در کنترل منطقه تحت تأثیر گرما{0}}، توسعه فناوری جدید سر برش بسیار مهم است. استفاده از سر برش نوسانی یا فناوری نوسان پرتو می تواند گرمای ورودی را پراکنده کند و گرمای بیش از حد موضعی را کاهش دهد. علاوه بر این، کنترل دقیق گازهای کمکی (به عنوان مثال، استفاده از نیتروژن با فشار بالا یا مخلوط گازهای خاص) می تواند به طور موثر منطقه برش را خنک کند. مطالعات نشان داده‌اند که ترکیب راهبردهای خنک‌کننده گاز و برش متناوب می‌تواند منطقه تحت تأثیر حرارت را تا بیش از 40 درصد برای آلیاژهای آلومینیومی با ضخامت 30 میلی‌متر کاهش دهد.

برای رفع مشکل سرباره، بهبود سیستم گاز کمکی کلیدی است. اتخاذ یک طراحی نازل گاز دوگانه (گاز داخلی با فشار{1} بالا برای حذف سرباره و گاز محافظ بیرونی برای جلوگیری از اکسیداسیون) می تواند کیفیت برش را به میزان قابل توجهی بهبود بخشد. در عین حال، برنامه‌ریزی مسیر برش بهینه و معرفی{3}}سیستم‌های پایش زمان واقعی (مثلاً حسگرهای بصری یا نظارت صوتی) می‌تواند تجمع سرباره را به موقع شناسایی کرده و با آن مقابله کند. عمل نشان می دهد که این اقدامات می تواند میزان باقیمانده سرباره برش صفحه ضخیم را تا بیش از 60٪ کاهش دهد.