Класифікація за товщиною: визначення можливостей обробки
Товщина сталевої пластини є основним визначальним фактором доцільності лазерного різання, безпосередньо впливаючи на вимоги до обладнання, швидкість різання, якість краю та загальну вартість виробництва. Сталеві пластини зазвичай класифікуються на чотири категорії залежно від товщини: тонкі пластини (менше 4 мм), середні пластини (4–20 мм), товсті пластини (20–60 мм) і надзвичайно товсті пластини (понад 60 мм). Для лазерного різання бажаний діапазон обробки сталевих листів зазвичай досягає 20 мм, за певних обставин допускається до 25 мм. Високопотужні волоконні лазерні системи, особливо ті, що перевищують 20 кВт, розсунули цю межу ще далі, досягнувши оптимальної товщини різання вуглецевої сталі до 70 мм. Однак для безперервної ефективності виробництва та якості різання обробка сталевих пластин товщиною понад 50 мм зазвичай не рекомендується. Розуміння цієї класифікації має важливе значення для визначення правильного обладнання та параметрів для кожного проекту, оскільки товщина безпосередньо впливає на вибір допоміжного газу, положення фокуса, швидкість різання та очікувані допуски.
Специфікації товщини конкретного матеріалу для лазерного різання
Різні марки сталі демонструють відмінні характеристики лазерного різання через варіації теплопровідності, відбивної здатності та хімічного складу. Для вуглецевої сталі (м’якої сталі) ідеальний діапазон товщини для лазерного різання становить до 10 мм, а максимальна практична товщина досягає 13 мм за оптимальних умов. Системи більшої потужності можуть обробляти вуглецеву сталь до 25 мм або більше, але ідеальний діапазон для підтримки швидкості та якості залишається значно вужчим. Нержавіюча сталь представляє більші проблеми через її високу відбивну здатність і теплопровідність; ідеальна товщина для нержавіючої сталі ASTM 304 становить до 4 мм, з максимальною товщиною близько 6 мм. Удосконалені волоконно-лазерні системи можуть обробляти нержавіючу сталь товщиною до 20 мм і більше, але швидкість різання суттєво зменшується зі збільшенням товщини. Алюміній і алюмінієві сплави , відомі своєю високою відбивною здатністю, вимагають спеціальних лазерних джерел із захистом від зворотного відбиття; ідеальна товщина для конструкційного алюмінію становить до 3 мм, максимум близько 5 мм. Високопотужні волоконні лазери можуть різати алюміній товщиною до 18 мм або більше, залежно від сплаву та допоміжного газу. Вибір допоміжного газу не менш важливий: кисень використовується для вуглецевої сталі для покращення різання через екзотермічне окислення, тоді як азот або повітря рекомендовано для нержавіючої сталі та алюмінію для отримання чистих країв без окислення.
Вимоги до потужності лазера за товщиною
Співвідношення між потужністю лазера та товщиною різання має приблизно лінійну прогресію, причому для досягнення повного проникнення та підтримки прийнятної швидкості різання на більш товстих матеріалах потрібна більша потужність. Для вуглецевої сталі волоконний лазер потужністю 500 Вт може різати до 6 мм, 1000 Вт обробляє 6–12 мм, 2000 Вт обробляє 14–18 мм, а 3000 Вт досягає 18–22 мм. Для нержавіючої сталі 500 Вт розрізає 1–3 мм, 1000 Вт обробляє 3–5 мм, 2000 Вт обробляє 6–8 мм, а 3000 Вт досягає 8–12 мм. Як практичне правило, приблизно один кіловат потужності лазера необхідний на міліметр чистої товщини різу. Для пластин середньої товщини (6–12 мм) рекомендована потужність лазера становить 4000–6000 Вт. Товсті пластини (13 мм і вище) потребують 4000 Вт або більше для досягнення надійного повного проникнення. Швидкість різання має зворотну кореляцію з товщиною; товсті матеріали потребують зниженої швидкості подачі для повного проникнення, тоді як тонкі листи рухаються швидко, щоб збільшити пропускну здатність без втрати якості. Наприклад, машина для лазерного різання потужністю 20 кВт може значно підвищити ефективність, оскільки система потужністю 30 кВт ріже 50 мм вуглецеву сталь на 88% швидше, ніж система потужністю 20 кВт. Вибір відповідної потужності лазера повинен збалансувати необхідну товщину, бажану продуктивність і витрати на капітальне обладнання.
Допуски на розміри та якість краю за діапазоном товщини
Досяжна точність розмірів сталевих пластин, вирізаних лазером, значно змінюється залежно від товщини, оскільки лазерний промінь розширюється під час проходження через матеріал. Для м’якої сталі товщиною до 3 мм можна досягти типових допусків ±0,004 дюйма (0,1 мм) із відмінною якістю краю. Для товщини 3–6 мм типовими є допуски ±0,006 дюйма (0,15 мм) із хорошою якістю краю. Для товщини 6–12 мм допуски розширюються до ±0,010 дюйма (0,25 мм) із задовільною якістю краю. Для товщини 12–25 мм очікується допуск ±0,020 дюйма (0,5 мм) із нерівною якістю краю. Нержавіюча сталь дотримується подібних моделей: 0,5–3 мм досягає ±0,004 дюйма (0,1 мм) із чудовою якістю краю, тоді як 3–10 мм досягає ±0,008 дюйма (0,2 мм) із хорошою якістю краю. Ширина пропилу — матеріал, видалений лазерним променем — зазвичай становить від 0,006 до 0,012 дюйма (0,15–0,3 мм) для волоконних лазерів. Якість кромки погіршується зі збільшенням товщини: тонка сталь менше 3 мм створює гладкі краї, майже без задирок, які потребують невеликої додаткової обробки; середня сталь (3–10 мм) демонструє невелику шорсткість на нижній кромці, що вимагає легкого видалення задирок; товста сталь понад 10 мм демонструє помітну конусність і шорсткість, причому вхідна сторона ширша за вихідну. Зона термічного впливу (HAZ) для волоконного лазерного різання м’якої сталі зазвичай становить від 0,005 до 0,010 дюйма (0,13–0,25 мм). Для застосувань, які вимагають прямокутних країв на товстих деталях або надзвичайно жорстких допусків, альтернативні процеси, такі як обробка з ЧПК, можуть бути більш доцільними.
Стандартні допуски на товщину та конструктивні міркування
На додаток до можливостей лазерного різання, сам основний матеріал повинен відповідати встановленим допускам по товщині. ASTM A6/A6M надає загальні вимоги до катаних конструкційних сталевих прутків, плит, фасонних виробів і шпунтових паль, вказуючи допуски на розміри для товщини, ширини та довжини. Ці допуски змінюються залежно від діапазону товщини, при цьому стандарт охоплює плити приблизно від 5 мм до 200 мм. Для сталевих листів A36 допуск на товщину вказується ASTM A6/A6M на основі зазначеної товщини та ширини листа. Розробники повинні враховувати як допуск товщини основного матеріалу, так і допуск різання при визначенні кінцевих розмірів деталей. Крім того, мінімальні розміри елементів обмежуються товщиною листа: для сталі до 5 мм рекомендований мінімальний діаметр отвору 15 мм; для товщини 6–15 мм, 18 мм; і для товщини 20–25 мм відповідно 20–25 мм. Необхідно також враховувати мінімальний радіус згину та розташування отвору відносно ліній згину, оскільки отвори, розташовані надто близько до ліній згину, деформуються під час наступних операцій формування. Розуміння цих специфікацій і параметрів товщини дозволяє інженерам і фахівцям із закупівель оптимізувати конструкції деталей для технологічності, вибрати відповідне обладнання та встановити реалістичні очікування щодо якості сталевих компонентів, вирізаних лазером.
