Klasyfikacja grubości: definiowanie możliwości przetwarzania
Grubość blachy stalowej jest głównym wyznacznikiem wykonalności cięcia laserowego, bezpośrednio wpływającym na wymagania sprzętowe, prędkość cięcia, jakość krawędzi i całkowity koszt produkcji. Blachy stalowe dzieli się ogólnie na cztery kategorie w zależności od grubości: blachy cienkie (poniżej 4 mm), blachy średnie (4–20 mm), blachy grube (20–60 mm) i blachy bardzo grube (powyżej 60 mm). W przypadku cięcia laserowego preferowany zakres obróbki blach stalowych zazwyczaj sięga do 20 mm, a w pewnych okolicznościach dopuszczalna jest grubość do 25 mm. Systemy laserów światłowodowych o dużej mocy, szczególnie te przekraczające 20 kW, przesunęły tę granicę dalej, osiągając optymalną grubość cięcia stali węglowej do 70 mm. Jednak w celu zapewnienia ciągłej wydajności produkcji i jakości cięcia generalnie nie zaleca się obróbki blach stalowych grubszych niż 50 mm. Zrozumienie tej klasyfikacji jest niezbędne do określenia prawidłowego sprzętu i parametrów dla każdego projektu, ponieważ grubość ma bezpośredni wpływ na wybór gazu wspomagającego, położenie ogniska, prędkość cięcia i oczekiwane tolerancje.
Specyfikacje grubości specyficzne dla materiału dla cięcia laserowego
Różne gatunki stali wykazują odmienne właściwości cięcia laserowego ze względu na różnice w przewodności cieplnej, współczynniku odbicia i składzie chemicznym. W przypadku stali węglowej (stal miękka) idealny zakres grubości do cięcia laserowego wynosi do 10 mm, przy maksymalnej praktycznej grubości sięgającej 13 mm w optymalnych warunkach. Systemy o większej mocy mogą przetwarzać stal węglową o grubości do 25 mm lub więcej, ale idealny zakres zapewniający utrzymanie prędkości i jakości pozostaje znacznie węższy. Stal nierdzewna stwarza większe wyzwania ze względu na wyższy współczynnik odbicia i przewodność cieplną; idealna grubość stali nierdzewnej ASTM 304 wynosi do 4 mm, a maksymalna grubość około 6 mm. Zaawansowane systemy lasera światłowodowego mogą przetwarzać stal nierdzewną o grubości do 20 mm lub więcej, ale prędkość cięcia znacznie spada wraz ze wzrostem grubości. Aluminium i stopy aluminium , znane z wysokiego współczynnika odbicia, wymagają specjalistycznych źródeł laserowych z zabezpieczeniem przed odbiciami wstecznymi; Idealna grubość aluminium konstrukcyjnego wynosi do 3 mm, a maksymalna około 5 mm. Lasery światłowodowe dużej mocy mogą ciąć aluminium o grubości do 18 mm lub grubszej, w zależności od stopu i gazu wspomagającego. Równie istotny jest wybór gazu wspomagającego: w przypadku stali węglowej stosuje się tlen, aby usprawnić cięcie poprzez utlenianie egzotermiczne, natomiast w przypadku stali nierdzewnej i aluminium zaleca się azot lub powietrze, aby uzyskać czyste, wolne od utleniania krawędzie.
Wymagania dotyczące mocy lasera według grubości
Zależność pomiędzy mocą lasera a grubością cięcia przebiega w przybliżeniu liniowo, przy czym do osiągnięcia pełnej penetracji i utrzymania akceptowalnych prędkości cięcia w grubszych materiałach wymagana jest większa moc. W przypadku stali węglowej laser światłowodowy o mocy 500 W może ciąć do 6 mm, 1000 W obsługuje 6–12 mm, 2000 W przetwarza 14–18 mm, a 3000 W osiąga 18–22 mm. W przypadku stali nierdzewnej moc 500 W tnie 1–3 mm, moc 1000 W pozwala na obróbkę 3–5 mm, moc 2000 W pozwala na obróbkę 6–8 mm, a moc 3000 W pozwala uzyskać długość 8–12 mm. Praktyczną zasadą jest, że na milimetr czystej grubości cięcia potrzebny jest około jeden kilowat mocy lasera. W przypadku płyt średniej grubości (6–12 mm) zalecana moc lasera wynosi 4 000–6 000 W. Grube płyty (13 mm i więcej) wymagają mocy 4000 W lub wyższej, aby osiągnąć niezawodną pełną penetrację. Prędkość skrawania ma odwrotną korelację z grubością; grube materiały wymagają zmniejszonych prędkości podawania w celu uzyskania pełnej penetracji, podczas gdy cienkie arkusze działają szybko, aby zwiększyć przepustowość bez utraty jakości. Na przykład maszyna do cięcia laserowego o mocy 20 kW może osiągnąć znaczną poprawę wydajności, a system o mocy 30 kW tnie stal węglową o grubości 50 mm 88% szybciej niż system o mocy 20 kW. Wybór odpowiedniej mocy lasera musi równoważyć wymaganą grubość, pożądaną wydajność produkcji i koszty sprzętu inwestycyjnego.
Tolerancje wymiarowe i jakość krawędzi według zakresu grubości
Osiągalna dokładność wymiarowa wycinanych laserowo płyt stalowych różni się znacznie w zależności od grubości, ponieważ wiązka lasera rozszerza się w miarę przechodzenia przez materiał. W przypadku stali miękkiej o grubości do 3 mm można osiągnąć typowe tolerancje ±0,004 cala (0,1 mm) przy doskonałej jakości krawędzi. Dla grubości 3–6 mm typowe są tolerancje ±0,006 cala (0,15 mm) przy dobrej jakości krawędzi. W przypadku grubości 6–12 mm tolerancje rozszerzają się do ± 0,010 cala (0,25 mm) przy dobrej jakości krawędzi. W przypadku grubości 12–25 mm oczekuje się tolerancji ± 0,020 cala (0,5 mm) przy szorstkiej jakości krawędzi. Stal nierdzewna ma podobny wzór: 0,5–3 mm pozwala uzyskać ±0,004 cala (0,1 mm) przy doskonałej jakości krawędzi, natomiast 3–10 mm pozwala uzyskać ±0,008 cala (0,2 mm) przy dobrej jakości krawędzi. Szerokość nacięcia – czyli materiału usuwanego przez wiązkę lasera – w przypadku laserów światłowodowych wynosi zazwyczaj od 0,006 do 0,012 cala (0,15–0,3 mm). Jakość krawędzi pogarsza się wraz ze wzrostem grubości: cienka stal o grubości poniżej 3 mm zapewnia gładkie krawędzie prawie pozbawione zadziorów, wymagające niewielkiej obróbki końcowej; stal średnia (3–10 mm) wykazuje niewielką chropowatość na dolnej krawędzi, wymagającą lekkiego gratowania; gruba stal powyżej 10 mm wykazuje zauważalne zwężenie i chropowatość, przy czym strona wejściowa jest szersza niż strona wyjściowa. Strefa wpływu ciepła (HAZ) przy cięciu laserem światłowodowym stali miękkiej zazwyczaj mieści się w zakresie od 0,005 do 0,010 cala (0,13–0,25 mm). W przypadku zastosowań wymagających kwadratowych krawędzi grubych części lub wyjątkowo wąskich tolerancji bardziej odpowiednie mogą być procesy alternatywne, takie jak obróbka CNC.
Standardowe tolerancje grubości i rozważania projektowe
Oprócz możliwości cięcia laserowego sam materiał podstawowy musi spełniać ustalone tolerancje grubości. ASTM A6/A6M zawiera ogólne wymagania dotyczące walcowanych prętów, płyt, kształtowników i ścianek szczelnych ze stali konstrukcyjnej, określając tolerancje wymiarowe dla grubości, szerokości i długości. Tolerancje te różnią się w zależności od zakresu grubości, przy czym normy obejmują płyty od około 5 mm do 200 mm. W przypadku blach stalowych A36 tolerancję grubości określa ASTM A6/A6M w oparciu o określoną grubość i szerokość płyty. Określając ostateczne wymiary części, projektanci muszą uwzględnić zarówno tolerancję grubości materiału podstawowego, jak i tolerancję cięcia. Dodatkowo minimalne rozmiary elementów są ograniczone grubością blachy: w przypadku stali o średnicy do 5 mm zalecana jest minimalna średnica otworu 15 mm; dla grubości 6–15 mm 18 mm; a dla grubości 20–25 mm odpowiednio 20–25 mm. Należy również wziąć pod uwagę minimalny promień zgięcia i rozmieszczenie otworów względem linii zgięcia, ponieważ otwory umieszczone zbyt blisko linii zgięcia ulegną deformacji podczas kolejnych operacji formowania. Zrozumienie tych specyfikacji i parametrów grubości umożliwia inżynierom i specjalistom ds. zaopatrzenia optymalizację projektów części pod kątem możliwości produkcyjnych, wybór odpowiedniego sprzętu i ustalenie realistycznych oczekiwań dotyczących jakości elementów stalowych wycinanych laserowo.
