Razvrstitev po debelini: opredelitev zmogljivosti obdelave
Debelina jeklene plošče je glavni dejavnik izvedljivosti laserskega rezanja, ki neposredno vpliva na zahteve glede opreme, hitrost rezanja, kakovost robov in skupne proizvodne stroške. Jeklene plošče so običajno razvrščene v štiri kategorije glede na debelino: tanke plošče (manj kot 4 mm), srednje velike plošče (4–20 mm), debele plošče (20–60 mm) in zelo debele plošče (več kot 60 mm). Za lasersko rezanje se prednostno območje obdelave za jeklene pločevine običajno razteza do 20 mm, v določenih okoliščinah pa je dovoljeno do 25 mm. Visokozmogljivi laserski sistemi z vlakni, zlasti tisti, ki presegajo 20 kW, so to mejo premaknili še dlje in dosegli optimalno debelino rezanja za ogljikovo jeklo do 70 mm. Vendar zaradi stalne proizvodne učinkovitosti in kakovosti reza obdelava jeklenih plošč, debelejših od 50 mm, na splošno ni priporočljiva. Razumevanje te razvrstitve je bistvenega pomena za določanje pravilne opreme in parametrov za vsak projekt, saj debelina neposredno vpliva na izbiro pomožnega plina, položaj žarišča, hitrost rezanja in pričakovane tolerance.
Specifikacije debeline za lasersko rezanje, specifične za material
Različne vrste jekla imajo različne značilnosti laserskega rezanja zaradi razlik v toplotni prevodnosti, odbojnosti in kemični sestavi. Za ogljikovo jeklo (blago jeklo) je idealen razpon debeline za lasersko rezanje do 10 mm, največja praktična debelina pa v optimalnih pogojih doseže 13 mm. Sistemi z večjo močjo lahko obdelujejo ogljikovo jeklo do 25 mm ali več, vendar je idealno območje za ohranjanje hitrosti in kakovosti še vedno bistveno ožje. Nerjaveče jeklo predstavlja večje izzive zaradi večje odbojnosti in toplotne prevodnosti; idealna debelina za nerjavno jeklo ASTM 304 je do 4 mm, z največjo debelino okoli 6 mm. Napredni laserski sistemi z vlakni lahko obdelujejo nerjavno jeklo do 20 mm ali več, vendar se hitrosti rezanja znatno zmanjšajo, ko se debelina poveča. Aluminij in aluminijeve zlitine , znani po svoji visoki odbojnosti, zahtevajo specializirane laserske vire z zaščito pred povratnimi odboji; idealna debelina za strukturni aluminij je do 3 mm, največ okoli 5 mm. Visokozmogljivi laserji z vlakni lahko režejo aluminij do 18 mm ali več, odvisno od zlitine in pomožnega plina. Izbira pomožnega plina je enako kritična: za ogljikovo jeklo se uporablja kisik za izboljšanje rezanja z eksotermno oksidacijo, medtem ko se za nerjavno jeklo in aluminij priporoča dušik ali zrak za doseganje čistih robov brez oksidacije.
Zahteve glede moči laserja glede na debelino
Razmerje med močjo laserja in debelino rezanja sledi približno linearnemu napredovanju, pri čemer je potrebna višja moč za doseganje popolne penetracije in vzdrževanje sprejemljivih hitrosti rezanja na debelejših materialih. Pri ogljikovem jeklu lahko 500 W vlakneni laser reže do 6 mm, 1000 W obdela 6–12 mm, 2000 W obdela 14–18 mm, 3000 W pa doseže 18–22 mm. Pri nerjavnem jeklu 500 W reže 1–3 mm, 1000 W obdela 3–5 mm, 2000 W obdela 6–8 mm in 3000 W doseže 8–12 mm. Kot praktično pravilo je potreben približno en kilovat laserske moči na milimeter čistega reza. Za srednje debele plošče (6–12 mm) je priporočena moč laserja 4000–6000 W. Debele plošče (13 mm in več) zahtevajo 4000 W ali več, da dosežejo zanesljivo popolno penetracijo. Hitrost rezanja je v obratni korelaciji z debelino; debeli materiali zahtevajo zmanjšano podajalno hitrost za popolno penetracijo, medtem ko tanke plošče tečejo hitro za povečanje pretoka brez izgube kakovosti. Na primer, laserski rezalni stroj z močjo 20 kW lahko doseže znatne izboljšave učinkovitosti, saj sistem z močjo 30 kW reže 50 mm ogljikovega jekla 88 % hitreje kot sistem z močjo 20 kW. Izbira ustrezne moči laserja mora uravnotežiti zahtevano debelino, želeno proizvodno zmogljivost in stroške kapitalske opreme.
Dimenzijska toleranca in kakovost robov po razponu debeline
Dosegljiva dimenzijska natančnost lasersko rezanih jeklenih plošč se močno spreminja glede na debelino, saj se laserski žarek med potovanjem skozi material razširi. Za mehko jeklo do debeline 3 mm so tipične tolerance ±0,004 palca (0,1 mm) dosegljive z odlično kakovostjo robov. Za debelino 3–6 mm so tolerance ±0,006 palca (0,15 mm) tipične z dobro kakovostjo robov. Za debelino 6–12 mm se tolerance razširijo na ±0,010 palcev (0,25 mm) s pošteno kakovostjo robov. Za debelino 12–25 mm se pričakujejo tolerance ±0,020 palca (0,5 mm) s kakovostjo grobih robov. Nerjavno jeklo sledi podobnim vzorcem: 0,5–3 mm doseže ±0,004 palca (0,1 mm) z odlično kakovostjo robov, medtem ko 3–10 mm doseže ±0,008 palca (0,2 mm) z dobro kakovostjo robov. Širina zareza – material, ki ga odstrani laserski žarek – se običajno giblje od 0,006 do 0,012 palca (0,15–0,3 mm) za laserje z vlakni. Kakovost robov se slabša z naraščajočo debelino: tanko jeklo pod 3 mm daje gladke robove, skoraj brez robov, ki zahtevajo malo naknadne obdelave; srednje jeklo (3–10 mm) kaže rahlo hrapavost na spodnjem robu, ki zahteva rahlo odstranjevanje robov; debelo jeklo nad 10 mm kaže opazno zožitev in hrapavost, pri čemer je vstopna stran širša od izhodne strani. Območje toplotnega vpliva (HAZ) za lasersko rezanje mehkega jekla z vlakni običajno znaša od 0,005 do 0,010 palca (0,13–0,25 mm). Za aplikacije, ki zahtevajo pravokotne robove na debelih delih ali izjemno ozke tolerance, so morda bolj primerni alternativni postopki, kot je CNC obdelava.
Standardna toleranca debeline in načrtovanje
Poleg zmožnosti laserskega rezanja mora osnovni material sam ustrezati uveljavljenim tolerancam debeline. ASTM A6/A6M zagotavlja splošne zahteve za valjane konstrukcijske jeklene palice, plošče, oblike in pločevine, ki določajo tolerance dimenzij za debelino, širino in dolžino. Te tolerance se razlikujejo glede na obseg debeline, pri čemer standard zajema plošče od približno 5 mm do 200 mm. Za jeklene plošče A36 toleranco debeline določa ASTM A6/A6M glede na navedeno debelino in širino plošče. Oblikovalci morajo pri določanju končnih dimenzij dela upoštevati tako toleranco debeline osnovnega materiala kot toleranco rezanja. Poleg tega so najmanjše velikosti elementov omejene z debelino plošče: za jeklo do 5 mm je priporočen najmanjši premer luknje 15 mm; za debelino 6–15 mm, 18 mm; za debelino 20–25 mm pa 20–25 mm. Upoštevati je treba tudi najmanjši polmer upogiba in postavitev lukenj glede na upogibne linije, saj se bodo luknje, postavljene preblizu upogibnih linij, deformirale med nadaljnjimi postopki oblikovanja. Razumevanje teh specifikacij in parametrov debeline omogoča inženirjem in strokovnjakom za nabavo, da optimizirajo načrte delov za izdelljivost, izberejo ustrezno opremo in vzpostavijo realistična pričakovanja glede kakovosti za lasersko rezane jeklene komponente.
