Cắt laser thép cán nóng: Nguyên tắc và quy trình làm việc

Nguyên lý cắt kết hợp Laser-Oxy

Cắt laser thép cán nóng thường sử dụng phương pháp kỹ thuật được gọi là cắt nhiệt hạch bằng laser-oxy hoặc 'cắt lai ngọn lửa bằng laser'. Không giống như quá trình hóa hơi bằng laser hoặc quá trình nấu chảy thuần túy, cắt bằng laser-oxy phụ thuộc vào sức mạnh tổng hợp mạnh mẽ giữa chùm tia laze và phản ứng hóa học tỏa nhiệt. Nguyên lý hoạt động như sau: chùm tia laser sợi quang năng lượng cao (thường từ 4 đến 6 kW) tập trung vào bề mặt của tấm thép cán nóng, làm nóng nhanh một khu vực cục bộ đến nhiệt độ bốc cháy của sắt (khoảng 1.350°C). Một tia oxy có độ tinh khiết cao được dẫn đồng trục cùng với chùm tia laser vào điểm quá nhiệt này. Khi sắt đạt đến điểm bốc cháy, nó sẽ phản ứng dữ dội với oxy trong phản ứng oxy hóa tỏa nhiệt: 4Fe + 3O₂ → 2Fe₂O₃ + nhiệt. Quá trình đốt cháy hóa học này giải phóng năng lượng nhiệt gấp ba đến năm lần so với năng lượng mà chùm tia laze tự đóng góp. Do đó, tia laser hoạt động như một 'bật lửa' hoặc 'đánh lửa' hiệu quả, có khả năng điều khiển cao, bắt đầu và sau đó hướng dẫn phản ứng dọc theo đường cắt được lập trình, trong khi khí oxy phục vụ mục đích kép là tác nhân đốt cháy và một tia áp suất cao đẩy xỉ oxit sắt nóng chảy tạo thành ra khỏi vết cắt.

Đối với các tấm thép carbon dày, quy trình kết hợp này là phương pháp cắt nhanh nhất và tiết kiệm chi phí nhất hiện có. Nó cho phép cắt các tấm dày tới 200mm bằng cách sử dụng tia laser công suất tương đối thấp (6kW) vì phản ứng oxy hóa cung cấp hơn 80% tổng năng lượng cắt. Hiệu quả này giúp loại bỏ nhu cầu sử dụng các tia laser công suất lớn, đắt tiền thường được yêu cầu đối với các tấm dày. Kết quả là một vết cắt sạch sẽ với độ thẳng đứng tuyệt vời, ít xỉ hơn đáng kể so với cắt plasma và không cần thời gian làm nóng trước kéo dài (thường là 2-3 phút) bắt buộc đối với việc cắt oxy-nhiên liệu truyền thống.

Chuẩn bị thép cán nóng để cắt laser tối ưu

Mặc dù quy trình laser-oxy là một công cụ mạnh mẽ để cắt thép cacbon, nhưng việc đạt được kết quả đồng nhất, chất lượng cao phụ thuộc rất nhiều vào tình trạng bề mặt của tấm cán nóng thô. Thép đen cán nóng tiêu chuẩn có bề mặt có vảy đặc trưng, ​​​​không còn lý tưởng cho tia laser. Bề mặt 'giống như mặt trăng' hoặc miệng núi lửa này ảnh hưởng đến hệ thống cảm biến độ cao của tia laser, khiến tiêu điểm trôi vào và ra khỏi tiêu điểm, điều này ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng và tính nhất quán của vết cắt. Để khắc phục điều này, vật liệu được ưa chuộng để cắt laser có độ chính xác cao là thép cán nóng và tẩm dầu (HRP&O) . Trong quy trình này, cuộn cán nóng được đưa qua bể axit clohydric để loại bỏ lớp vảy cứng về mặt hóa học, để lại bề mặt sạch, mịn, đồng đều, sau đó được bôi dầu nhẹ để bảo vệ chống ăn mòn tạm thời.

Các nghiên cứu trong ngành đã xác nhận rằng quá trình tẩy rửa làm thay đổi căn bản hiệu suất cắt bằng laser của thép cán nóng. Trên tất cả các phạm vi độ dày, chất lượng bề mặt vật liệu có tác động đáng kể đến kết quả cắt hơn bất kỳ biến số nào khác, bao gồm áp suất khí hỗ trợ hoặc điều chỉnh vị trí tiêu cự. Độ sâu tiêu điểm nhất quán là yêu cầu chính để có vết cắt ổn định, chất lượng cao; bề mặt nhẵn của thép HRP&O mang lại điều đó, cho phép phạm vi xử lý rộng và tốc độ cắt cao. Ngoài ra, một số quy trình nâng cao như quy trình SCS (Giải pháp cuộn dây bền vững) còn tiến thêm một bước nữa, tạo ra bề mặt khô, sạch giúp cải thiện tốc độ cắt khoảng 20% ​​bằng cách loại bỏ khói tạo ra do đốt dầu. Đối với các ứng dụng chính xác đòi hỏi độ phẳng được đảm bảo sau khi cắt, các loại chuyên dụng như sản phẩm dải cán nóng Laser Plus đảm bảo độ lệch độ phẳng tối đa chỉ 3 mm trên mét.

Quy trình làm việc từ cuộn đến tấm để cắt laser

Trong môi trường chế tạo hiện đại, hiệu quả, quy trình làm việc từ cuộn cán nóng đến tấm cắt, thành phẩm được tự động hóa cao và được sắp xếp hợp lý. Quá trình này thường bắt đầu với một cuộn dây khổ lớn có thể nặng tới 30 tấn, được gắn trên một bộ tháo cuộn chính xác. Dải thép được đưa qua một máy san phẳng hạng nặng giúp loại bỏ 'bộ cuộn dây' (độ cong tự nhiên của dải quấn) để tạo ra một tấm phẳng hoàn hảo. Tiếp theo là quá trình cắt theo chiều dài chính xác để cắt dải thành các tấm có kích thước được lập trình chính xác. Toàn bộ quy trình nội tuyến này có thể được giám sát và kiểm soát bằng phần mềm điều khiển theo công thức, đảm bảo cài đặt hoàn hảo, có thể lặp lại cho mỗi lần chạy sản phẩm. Kết quả là một phôi phẳng, có kích thước nhất quán được tối ưu hóa cho giai đoạn tiếp theo: chính hệ thống cắt laze.

Các tấm phẳng đã hoàn thiện sau đó được đưa vào máy cắt laser sợi quang công suất cao. Các thông số cắt—quan trọng nhất là áp suất khí hỗ trợ oxy, vị trí tiêu điểm của tia laser (đặt sâu bên trong các tấm dày để có đường cắt song song, hẹp) và tốc độ cắt—tất cả đều được lập trình trong hệ thống CNC. Đối với nhiều hoạt động khối lượng lớn, quy trình này còn được nâng cao hơn nữa bằng cách chuyển trực tiếp từ cuộn dây sang laser. Trong các hệ thống tạo phôi laser cấp cuộn, dải cân bằng sẽ cấp trực tiếp vào buồng của máy cắt laser. Điều này giúp loại bỏ bước riêng biệt trong việc tạo các tấm riêng biệt, loại bỏ thời gian cần thiết để chuyển đổi pallet và có thể tăng thời gian sản xuất tổng thể của hệ thống laser lên khoảng 14%, giúp tiết kiệm khoảng 600 giờ làm việc mỗi năm so với các hệ thống cấp giấy truyền thống. Quy trình làm việc được tích hợp đầy đủ này, từ cuộn thô đến bộ phận cắt bằng laze chính xác, tối đa hóa việc sử dụng vật liệu, giảm thiểu việc xử lý và đặt ra tiêu chuẩn cho gia công thép hiện đại.