Принцип лазерно-кисневого різання
Для лазерного різання гарячекатаної сталі зазвичай використовується те, що технічно відомо як лазерно-кисневе різання або 'лазерне полум'яне гібридне різання'. На відміну від процесів лазерного випаровування або чистого плавлення, лазерно-кисневе різання базується на потужній синергії між лазерним променем і екзотермічною хімічною реакцією. Принцип працює таким чином: промінь високоенергетичного волоконного лазера (зазвичай від 4 до 6 кВт) фокусується на поверхні гарячекатаної сталевої пластини, швидко нагріваючи локалізовану ділянку до температури займання заліза (приблизно 1350 °C). Струмінь кисню високої чистоти спрямовується коаксіально з лазерним променем на це перегріте місце. Коли залізо досягає точки займання, воно бурхливо реагує з киснем у екзотермічній реакції окислення: 4Fe + 3O₂ → 2Fe₂O₃ + тепло. Це хімічне горіння виділяє в три-п’ять разів більше теплової енергії, ніж сам лазерний промінь. Таким чином, лазер діє як ефективна, добре керована «запальничка» або «запальник», ініціюючи, а потім направляючи реакцію вздовж запрограмованої траєкторії різання, тоді як газоподібний кисень служить подвійній меті: бути агентом горіння та струменем високого тиску, який викидає отриманий розплавлений шлак оксиду заліза з пропилу.
Для товстих листів з вуглецевої сталі цей гібридний процес є найбільш економічно ефективним і найшвидшим методом різання. Він дозволяє різати пластини товщиною до 200 мм за допомогою відносно малопотужного лазера (6 кВт), оскільки реакція окислення забезпечує понад 80% загальної енергії різання. Ця ефективність усуває потребу у масивних, дорогих високопотужних лазерах, які часто потрібні для товстих пластин. Результатом є чистий розріз із відмінною вертикальністю, значно менше шлаку, ніж плазмове різання, і відсутність потреби у тривалому попередньому нагріванні (часто 2-3 хвилини), що є обов’язковим для традиційного кисневого різання.
Підготовка гарячекатаної сталі до оптимального лазерного різання
Хоча лазерно-кисневий процес є потужним інструментом для різання вуглецевої сталі, досягнення високоякісного стабільного результату критично залежить від стану поверхні необробленого гарячекатаного листа. Стандартна гарячекатана чорна сталь має характерну лускату поверхню, яка далека від ідеальної для лазера. Ця «місячна» поверхня або поверхня з кратерами впливає на систему вимірювання висоти лазера, змушуючи фокусну точку зміщуватись у фокусі та виходити з нього, що безпосередньо впливає на якість і послідовність різання. Щоб протистояти цьому, кращим матеріалом для високоточного лазерного різання є гарячекатана протравлена та промаслена сталь (HRP&O). Під час цього процесу гарячекатаний рулон пропускають через ванну з соляною кислотою, яка хімічним шляхом видаляє чіпку окалину, залишаючи чисту, гладку, рівномірну поверхню, яку потім злегка змащують для забезпечення тимчасового захисту від корозії.
Промислові дослідження підтвердили, що травлення докорінно змінює продуктивність лазерного різання гарячекатаної сталі. У всіх діапазонах товщини якість поверхні матеріалу має більш значний вплив на результати різання, ніж будь-яка інша змінна, включаючи тиск допоміжного газу або коригування фокусного положення. Постійна глибина фокусування є основною вимогою для стабільних, високоякісних скорочень; гладка поверхня сталі HRP&O забезпечує саме це, забезпечуючи широке вікно процесу та високу швидкість різання. Крім того, деякі вдосконалені процеси, як-от процес SCS (Sustainable Coil Solutions), йдуть далі, створюючи чисту суху поверхню, яка покращує швидкість різання приблизно на 20% за рахунок усунення диму, що утворюється під час спалювання масла. Для точних застосувань, які вимагають гарантованої площинності після різання, спеціальні марки, такі як гарячекатані смуги Laser Plus, гарантують максимальне відхилення площинності лише 3 мм на метр.
Процес лазерного різання з котушки на пластину
У сучасному, ефективному виробничому середовищі робочий процес від гарячекатаної рулони до розрізаної готової пластини є високоавтоматизованим і спрощеним. Процес часто починається з котушки великого калібру, яка може важити до 30 тонн, яка встановлюється на прецизійний розмотувач. Сталева стрічка подається через потужний вирівнювач, який усуває 'набір котушок' (природну кривизну намотаної стрічки) для отримання ідеально рівного листа. Далі слідують прецизійні ножиці, які розрізають смугу на пластини точних запрограмованих розмірів. Весь цей поточний процес можна відстежувати та контролювати за допомогою програмного забезпечення, що керується рецептом, забезпечуючи ідеальні параметри, що повторюються для кожного продукту. Результатом є плоска заготовка одного розміру, оптимізована для наступного етапу: самої системи лазерного різання.
Потім готові плоскі пластини завантажуються на високопотужний верстат для лазерного різання волокна. Параметри різання — найважливіше, тиск допоміжного кисню, фокусне положення лазера (встановлюється глибоко всередині товстих пластин для вузького паралельного пропилу) і швидкість різання — усі запрограмовані в системі ЧПК. Для багатьох операцій великого обсягу процес вдосконалюється шляхом переходу безпосередньо від котушки до лазера. У системах лазерного гасіння з спіральним живленням вирівняна стрічка подається безпосередньо в камеру лазерного різака. Це усуває окремий етап створення окремих пластин, усуває час, необхідний для зміни палет, і може збільшити загальний час виробництва лазерної системи приблизно на 14%, що представляє економію приблизно 600 робочих годин на рік порівняно з традиційними системами з листовою подачею. Цей повністю інтегрований робочий процес, від необробленої рулони до точної деталі, вирізаної лазером, максимізує використання матеріалу, мінімізує транспортування та встановлює стандарт для сучасної обробки сталі.
