Классификация по толщине: определение возможностей обработки
Толщина стального листа является основным фактором, определяющим возможность лазерной резки, напрямую влияя на требования к оборудованию, скорость резки, качество кромок и общую стоимость производства. Стальные пластины обычно делятся на четыре категории в зависимости от толщины: тонкие пластины (менее 4 мм), средние пластины (4–20 мм), толстые пластины (20–60 мм) и очень толстые пластины (более 60 мм). Для лазерной резки предпочтительный диапазон обработки стальных листов обычно составляет до 20 мм, а при определенных обстоятельствах допускается до 25 мм. Мощные волоконные лазерные системы, особенно те, мощность которых превышает 20 кВт, раздвинули эту границу еще дальше, достигнув оптимальной толщины резки углеродистой стали до 70 мм. Однако для обеспечения непрерывной эффективности производства и качества резки обработка стальных листов толщиной более 50 мм обычно не рекомендуется. Понимание этой классификации необходимо для выбора правильного оборудования и параметров для каждого проекта, поскольку толщина напрямую влияет на выбор вспомогательного газа, положение фокуса, скорость резки и ожидаемые допуски.
Характеристики толщины конкретного материала для лазерной резки
Различные марки стали демонстрируют различные характеристики лазерной резки из-за различий в теплопроводности, отражательной способности и химическом составе. Для углеродистой стали (мягкой стали) идеальный диапазон толщины для лазерной резки составляет до 10 мм, при этом максимальная практическая толщина достигает 13 мм в оптимальных условиях. Системы более высокой мощности могут обрабатывать углеродистую сталь толщиной до 25 мм и более, но идеальный диапазон для поддержания скорости и качества остается значительно уже. Нержавеющая сталь представляет собой более сложную задачу из-за ее более высокой отражательной способности и теплопроводности; идеальная толщина нержавеющей стали ASTM 304 составляет до 4 мм, максимальная толщина — около 6 мм. Усовершенствованные системы волоконного лазера могут обрабатывать нержавеющую сталь толщиной до 20 мм и более, но скорость резки существенно снижается по мере увеличения толщины. Алюминий и алюминиевые сплавы , известные своей высокой отражательной способностью, требуют специализированных лазерных источников с защитой от обратных отражений; Идеальная толщина конструкционного алюминия — до 3 мм, максимальная — около 5 мм. Мощные волоконные лазеры могут резать алюминий толщиной до 18 мм и более, в зависимости от сплава и вспомогательного газа. Выбор вспомогательного газа не менее важен: для углеродистой стали используется кислород, чтобы улучшить резку за счет экзотермического окисления, а для нержавеющей стали и алюминия рекомендуется использовать азот или воздух для получения чистых кромок без окисления.
Требования к мощности лазера в зависимости от толщины
Зависимость между мощностью лазера и толщиной резки примерно линейна: для достижения полного проникновения и поддержания приемлемой скорости резки на более толстых материалах требуется более высокая мощность. Для углеродистой стали волоконный лазер мощностью 500 Вт может резать до 6 мм, ручки мощностью 1000 Вт обрабатывают 6–12 мм, 2000 Вт обрабатывают 14–18 мм, а 3000 Вт обрабатывают 18–22 мм. При работе с нержавеющей сталью мощность 500 Вт режет 1–3 мм, 1000 Вт обрабатывает 3–5 мм, 2000 Вт обрабатывает 6–8 мм, а 3000 Вт обрабатывает 8–12 мм. Как правило, на миллиметр чистой толщины реза требуется примерно один киловатт мощности лазера. Для пластин средней толщины (6–12 мм) рекомендуемая мощность лазера составляет 4000–6000 Вт. Толстые пластины (13 мм и выше) требуют мощности 4000 Вт или выше для обеспечения надежного полного проникновения. Скорость резания обратно пропорциональна толщине; Толстые материалы требуют снижения скорости подачи для полного провара, тогда как тонкие листы работают быстрее, что позволяет повысить производительность без потери качества. Например, станок для лазерной резки мощностью 20 кВт может значительно повысить эффективность: система мощностью 30 кВт режет углеродистую сталь толщиной 50 мм на 88% быстрее, чем система мощностью 20 кВт. Выбор соответствующей мощности лазера должен сбалансировать требуемую толщину, желаемую производительность производства и затраты на капитальное оборудование.
Размерные допуски и качество кромки в зависимости от диапазона толщины
Достижимая точность размеров стальных пластин, вырезанных лазером, значительно варьируется в зависимости от толщины, поскольку лазерный луч расширяется по мере прохождения через материал. Для мягкой стали толщиной до 3 мм типичные допуски составляют ±0,004 дюйма (0,1 мм) при превосходном качестве кромки. Для толщины 3–6 мм типичны допуски ±0,006 дюйма (0,15 мм) при хорошем качестве кромки. Для толщины 6–12 мм допуски увеличиваются до ±0,010 дюйма (0,25 мм) при удовлетворительном качестве кромки. Для толщины 12–25 мм ожидается допуск ±0,020 дюйма (0,5 мм) с необработанной кромкой. Нержавеющая сталь подчиняется аналогичной схеме: толщина 0,5–3 мм обеспечивает получение ±0,004 дюйма (0,1 мм) с отличным качеством кромки, а толщина 3–10 мм — ±0,008 дюйма (0,2 мм) с хорошим качеством кромки. Ширина реза (материал, удаляемый лазерным лучом) обычно составляет от 0,006 до 0,012 дюйма (0,15–0,3 мм) для волоконных лазеров. Качество кромки ухудшается с увеличением толщины: тонкая сталь толщиной менее 3 мм дает гладкие кромки почти без заусенцев, требующие небольшой последующей обработки; сталь среднего размера (3–10 мм) имеет небольшую шероховатость на нижней кромке, требующую небольшого удаления заусенцев; Толстая сталь толщиной более 10 мм имеет заметную конусность и шероховатость, при этом входная сторона шире выходной. Зона термического влияния (ЗТВ) при волоконной лазерной резке мягкой стали обычно составляет от 0,005 до 0,010 дюйма (0,13–0,25 мм). Для применений, требующих квадратных кромок на толстых деталях или чрезвычайно жестких допусков, более подходящими могут быть альтернативные процессы, такие как обработка на станке с ЧПУ.
Стандартные допуски по толщине и конструктивные соображения
Помимо возможностей лазерной резки, сам основной материал должен соответствовать установленным допускам по толщине. ASTM A6/A6M содержит общие требования к катаным стержням из конструкционной стали, пластинам, профилям и шпунтовым сваям, определяя допуски на размеры по толщине, ширине и длине. Эти допуски варьируются в зависимости от диапазона толщины: в соответствии со стандартом рассматриваются пластины толщиной примерно от 5 до 200 мм. Для стальных пластин A36 допуск по толщине определяется ASTM A6/A6M на основе указанной толщины и ширины пластины. При определении окончательных размеров детали конструкторы должны учитывать как допуск на толщину основного материала, так и допуск на резку. Кроме того, минимальные размеры элементов ограничены толщиной пластины: для стали толщиной до 5 мм рекомендуется минимальный диаметр отверстия 15 мм; для толщины 6–15 мм — 18 мм; а для толщины 20–25 мм – 20–25 мм соответственно. Также необходимо учитывать минимальный радиус изгиба и расположение отверстий относительно линий сгиба, поскольку отверстия, расположенные слишком близко к линиям сгиба, будут деформироваться во время последующих операций формовки. Понимание этих спецификаций и параметров толщины позволяет инженерам и специалистам по закупкам оптимизировать конструкции деталей с точки зрения технологичности, выбирать подходящее оборудование и устанавливать реалистичные требования к качеству стальных компонентов, полученных лазерной резкой.
