Принцип лазерно-кислородной резки
Лазерная резка горячекатаной стали обычно использует то, что технически известно как лазерно-кислородная резка плавлением или «лазерно-пламенная гибридная резка». В отличие от процессов лазерного испарения или чистого плавления, лазерно-кислородная резка основана на мощном синергизме между лазерным лучом и экзотермической химической реакцией. Принцип работает следующим образом: луч волоконного лазера высокой энергии (обычно от 4 до 6 кВт) фокусируется на поверхности горячекатаного стального листа, быстро нагревая локализованный участок до температуры воспламенения железа (приблизительно 1350°C). На это перегретое пятно соосно лазерному лучу направляется струя кислорода высокой чистоты. Как только железо достигает точки воспламенения, оно бурно реагирует с кислородом в экзотермической реакции окисления: 4Fe + 3O₂ → 2Fe₂O₃ + тепло. При этом химическом горении выделяется в три-пять раз больше тепловой энергии, чем дает сам лазерный луч. Таким образом, лазер действует как эффективная, хорошо управляемая «зажигалка» или «воспламенитель», инициируя, а затем направляя реакцию по запрограммированному пути резки, в то время как газообразный кислород выполняет двойную функцию: является агентом горения и струей высокого давления, которая выбрасывает образовавшийся расплавленный шлак из оксида железа из реза реза.
Для толстых листов углеродистой стали этот гибридный процесс является наиболее экономичным и быстрым доступным методом резки. Он позволяет резать пластины толщиной до 200 мм с помощью относительно маломощного лазера (6 кВт), поскольку реакция окисления обеспечивает более 80% общей энергии резки. Такая эффективность устраняет необходимость в массивных и дорогих мощных лазерах, которые часто требуются для обработки толстых пластин. Результатом является чистый рез с превосходной вертикальностью, значительно меньше шлака, чем при плазменной резке, и нет необходимости в длительном предварительном нагреве (часто 2-3 минуты), который является обязательным для традиционной кислородно-топливной резки.
Подготовка горячекатаной стали для оптимальной лазерной резки
Хотя кислородно-лазерный процесс является мощным инструментом для резки углеродистой стали, достижение высококачественного и стабильного результата в решающей степени зависит от состояния поверхности необработанного горячекатаного листа. Стандартная горячекатаная черная сталь имеет характерную чешуйчатую поверхность, далекую от идеальной для лазера. Эта «луноподобная» или кратерированная поверхность влияет на систему определения высоты лазера, вызывая смещение фокусной точки в фокусе и его выход из фокуса, что напрямую влияет на качество и стабильность резки. Чтобы противостоять этому, предпочтительным материалом для высокоточной лазерной резки является горячекатаная травленая и промасленная сталь (HRP&O). В этом процессе горячекатаный рулон пропускают через ванну с соляной кислотой, которая химически удаляет вязкую прокатную окалину, оставляя чистую, гладкую и однородную поверхность, которую затем слегка смазывают маслом для временной защиты от коррозии.
Отраслевые исследования подтвердили, что травление коренным образом меняет характеристики лазерной резки горячекатаной стали. Во всех диапазонах толщины качество поверхности материала оказывает более существенное влияние на результаты резки, чем любая другая переменная, включая давление вспомогательного газа или регулировку фокусного положения. Постоянная глубина фокусировки является основным требованием для стабильной и высококачественной резки; Гладкая поверхность стали HRP&O обеспечивает именно это, обеспечивая широкий технологический диапазон и высокие скорости резания. Кроме того, некоторые передовые процессы, такие как процесс SCS (Sustainable Coil Solutions), идут еще дальше, создавая чистую сухую поверхность, которая повышает скорость резки примерно на 20% за счет устранения дыма, образующегося при сжигании масла. Для прецизионных применений, требующих гарантированной плоскостности после резки, специальные сорта, такие как горячекатаные полосы Laser Plus, гарантируют максимальное отклонение от плоскостности всего 3 мм на метр.
Рабочий процесс «от рулона до пластины» при лазерной резке
В современной и эффективной производственной среде рабочий процесс от горячекатаного рулона до резки готового листа в высокой степени автоматизирован и оптимизирован. Процесс часто начинается с толстого рулона весом до 30 тонн, который устанавливается на прецизионный разматыватель. Стальная полоса подается через сверхмощный правильный станок, который устраняет «набор витков» (естественную кривизну намотанной полосы) и позволяет получить идеально ровный лист. За этим следует прецизионная резка по длине, которая разрезает полосу на пластины точных, запрограммированных размеров. Весь этот поточный процесс можно отслеживать и контролировать с помощью программного обеспечения, основанного на рецептах, что обеспечивает идеальные, повторяемые настройки для каждого запуска продукта. В результате получается плоская заготовка одинакового размера, оптимизированная для следующего этапа: самой системы лазерной резки.
Готовые плоские пластины затем загружаются на мощный станок для резки волоконным лазером. Параметры резки — самое важное — давление вспомогательного кислорода, положение фокуса лазера (расположенное глубоко внутри толстых пластин для получения узкого параллельного пропила) и скорость резки — все запрограммированы в системе ЧПУ. Для многих крупномасштабных операций процесс углубляется за счет перехода непосредственно от катушки к лазеру. В системах лазерной вырубки с рулонной подачей выровненная полоса подается непосредственно в камеру лазерной резки. Это исключает отдельный этап создания отдельных пластин, сокращает время, необходимое для смены поддонов, и может увеличить общее время производства лазерной системы примерно на 14%, что означает экономию около 600 рабочих часов в год по сравнению с традиционными системами листовой подачи. Этот полностью интегрированный рабочий процесс, от необработанного рулона до прецизионной детали, вырезанной лазером, максимально увеличивает использование материала, сводит к минимуму манипуляции и устанавливает стандарты современной обработки стали.
