Das Laserstrahlschneiden ist eine berührungslose, flexible Produktions- und Hochproduktivitätstechnologie, die eine Vielzahl von Plattenmaterialien genau analysieren kann. Aufgrund dieser und weiterer Vorteile wird die Laserbearbeitung zunehmend von der Industrie übernommen. 

Dieses Papier untersucht den Einfluss von Materialart, Werkstückdicke, Schnittgeschwindigkeit und Hilfsgasdruck auf die Schnittqualität und verwendet CO2-Laser für industrienahe Anwendungen. Wählen Sie die AlMg3-Aluminiumlegierung, St37-2 kohlenstoffarmen Stahl und AISI 304 Edelstahl als die ausgereiftesten Materialien in vielen Industriebereichen und verfügen Sie über ein tiefes Verständnis des Absorptionsverhaltens verschiedener Prozesse (z. B. trägheitsunterstütztes Schmelzschneiden und Sauerstoffschneiden). ) und CO2-Laserwellenlänge. Ziel ist es, das Verständnis des Mechanismus der Interaktion zwischen Laser schneiden Parameter und Werkstückparameter zur Festlegung allgemeiner Standards und optimierter Prozessparameter zur Sicherstellung der Schnittqualität.

 Die Forscher analysierten die Qualität des Laserschneidens unter drei Aspekten: Schnittnahtgeometrie, Oberflächenrauheit und Schnittkantenqualität. Das Experiment wurde mit einer systematischen Versuchsplanungsmethode basierend auf dem Versuchsdesign durchgeführt und die Ergebnisse wurden durch Varianzanalysen verifiziert. Die Qualitätsbewertung wurde vorgeschlagen und diskutiert. Die Sichtprüfung des geschnittenen Teils bestätigt die gute Gesamtqualität und das begrenzte Vorhandensein von Laserschneidfehlern. Experimentelle Studien haben gezeigt, dass unterschiedliche Materialien innerhalb eines größeren Bereichs von Prüfwerten erfolgreich verarbeitet werden können. Darüber hinaus ermittelten die Forscher für jedes Material die besten Schnittbedingungen, die den geradlinigen Anforderungen der verabschiedeten Qualitätsstandards entsprechen.

Experimenteller Hintergrund

Das Laserschneiden (LBC) ist derzeit das in der Industrie am weitesten verbreitete Verfahren zum Schneiden verschiedener Plattenmaterialien. Die Laserbearbeitung kann eine sehr große Bandbreite an Materialien schneiden, die fast alle Kategorien (Metalle, Verbundwerkstoffe und Keramiken) abdecken. Diese Eigenschaft ist darauf zurückzuführen, dass die thermischen Eigenschaften des Laserprozesses eher vom thermischen Verhalten des Materials als von seinen mechanischen Eigenschaften abhängen. Die Wärmeenergie wird vom Laserstrahl bereitgestellt und in Wärmeenergie umgewandelt. Der Laserstrahl kann auf einen sehr kleinen Punkt auf der Materialoberfläche fokussiert werden. Aufgrund der elektromagnetischen Strahlung kommt es nicht zu mechanischen Schnittkräften, Werkzeugverschleiß und Vibrationen. Daher eignet sich LBC auch zum Schneiden von harten oder spröden Materialien.

Der Laserstrahl interagiert mit den Elektronen des Materials und ein Teil der Energie wird absorbiert, was zu einem stark lokalisierten Temperaturanstieg führt, bis es schmilzt, verdampft oder seinen chemischen Zustand ändert. Diese unterschiedlichen physikalischen Phänomene, die die Laser-Material-Wechselwirkung steuern, hängen hauptsächlich von den chemischen und physikalischen Eigenschaften des Materials ab, wie beispielsweise dem Absorptionsvermögen, der Wärmeleitfähigkeit und den Lasereigenschaften wie der Wellenlänge und Leistungsdichte des Lasers. Das Schmelzschneiden ist bei weitem das am häufigsten verwendete Metallschneidverfahren, während das Bedampfungsschneiden normalerweise für Materialien mit geringer Verdampfungsenergie und Lasern mit hoher Bestrahlung verwendet wird. Der chemische Zustand ändert und schneidet, um einige organische Materialien zu ersetzen, wenn der Temperaturanstieg dazu führt, dass die chemischen Bindungen zwischen den Molekülen aufbrechen. Während des Schmelz- und Schneidprozesses wird das geschmolzene Material durch den mit Druckgas unterstützten Strahl aus der Nut entfernt. Je nach Schneidgut kann das Hilfsgas inert oder aktiv sein. Der erste schützt die Oberfläche vor Oxidation, während der zweite (normalerweise Sauerstoff) eine starke exotherme Reaktion erzeugt, die die Temperatur des Schneidbereichs erhöht und dickere Schnitte und höhere Geschwindigkeiten ermöglicht.

Die Forscher untersuchten die Auswirkungen von Materialart, Werkstückdicke, Schnittgeschwindigkeit und Hilfsgasdruck auf die Schnittqualität beim industriellen Laserschneiden verschiedener Materialien. Wenn hohe Präzision und Präzision gefragt sind, ist die Schnittqualität das Wichtigste. Die Beurteilung der Schnittqualität basiert hauptsächlich auf der Geometrie des Schlitzes (Schnittbreite und Rechtwinkligkeitsabweichung), Oberflächenrauheit und Schneidenqualität. Die in dieser experimentellen Studie verwendeten Materialien wurden ausgewählt, um die am häufigsten verwendeten Materialien in vielen verwandten Industriebereichen zu repräsentieren, mit dem Ziel, gemeinsame Standards und die besten Prozessparameter zu finden. AlMg3-Aluminiumlegierung und Edelstahl AISI 304 wurden verwendet, um das Absorptionsverhalten der CO2-Laserwellenlänge zu untersuchen, und St37-2-Baustahl wurde verwendet, um sauerstoffunterstütztes Laserschneiden zu untersuchen. Das faktorielle Design wurde durch Änderung der Prozessparameter entwickelt und getestet. Die Schlitzbreite, der Kegelwinkel und die Oberflächenrauheit des Messers werden gemessen und analysiert. Die Forscher verwendeten die Varianzanalyse (ANOVA)-Methode, um die kombinierten Auswirkungen von Schneidlaserparametern und Werkstückparametern auf die Ausgabe der Werkstückqualität zu untersuchen. Schließlich führten sie eine visuelle Inspektion des Goafs durch, um die Bildung von Schlacke, ungeschnittenen Bereichen und Unregelmäßigkeiten auf der Schnittoberfläche zu beseitigen.

Experimentelle Materialien

Aluminium und seine Legierungen haben ein hohes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht, Korrosionsbeständigkeit und Schweißbarkeit. Aufgrund ihrer beachtlichen Leistungsfähigkeit werden Bleche aus Aluminiumlegierungen zur Herstellung von Strukturteilen für industrielle Anwendungen in der Luftfahrt, Automobilindustrie und anderen verwandten technischen Bereichen verwendet. Beim Schneiden von Aluminiumlegierungen wird Inertgas verwendet, normalerweise Stickstoff. AlMg3 ist eine Aluminium-Magnesium-Legierung (5xxx-Reihe), die sich zum Kaltumformen und Schweißen eignet und eine bessere Korrosionsbeständigkeit und höhere mechanische Eigenschaften als reines Aluminium aufweist. Für reines Aluminium hat AlMg3 eine hohe Wärmeleitfähigkeit. Die Wärmeübertragung spielt eine entscheidende Rolle bei der Laserschneidleistung. Da sich die Wärmeleitfähigkeit auf die Wärmeübertragungsrate vom Schneidbereich bezieht, erhöht ein niedriger Wärmewiderstand die Wärmeableitung, was zu einer geringeren für die Bearbeitung verfügbaren Energie führt, was zu einem höheren Energieverbrauch und Effizienzverlust führt. Außerdem kann die Wärmeabfuhr zur Abkühlung des geschmolzenen Metalls an der unteren Oberfläche des Schlitzes, zur Bildung von sich verjüngenden Kanten und Schlacke führen. Außerdem können lichtreflektierende Metalle, wie beispielsweise Aluminiumlegierungen, die maximale Schnittgeschwindigkeit verringern und eine höhere Leistungsdichte erfordern, um das Schneiden einzuleiten.

Die Laborausrüstung

Der experimentelle Test verwendet TRUMPFs TRULaser 3040, ausgestattet mit 5000 W CO2 TruFlow Quelle. Bild 1 zeigt eine schematische Darstellung des zum Testen verwendeten Versuchsgerätes, aus der die relevanten Punkte des Laserschneidprozesses ersichtlich sind. Das Lasersystem wird von einem Computer Numerical Control (CNC)-System gesteuert. Das Hilfsgas wird koaxial durch die konische Düse des Schneidkopfes ausgestoßen. Das Linsensystem fokussiert den Laserstrahl auf einen Punkt mit einem Durchmesser von etwa 0.3 mm. Die Intensitätsverteilung des Strahls auf dem Brennfleck ist näherungsweise Gaußsch.

Versuchsverfahren

Um die Maßhaltigkeit, Oberflächengüte und Schneidkantenqualität des Werkstücks zu erreichen, ist die Auswahl der Prozessparameter sehr wichtig. Daher wird der Umfang der zu messenden Parameter auf Basis von Auslegungsvorversuchen und Literaturrecherchen bestimmt. Jedes Material verwendet die bekannteste Methode. Das Hilfsgas AlMg3 und AISI 304 werden mit Stickstoff und St37-2 mit Sauerstoff geschnitten. Das Hilfsgas wird koaxial durch die konische Düse des Schneidkopfes ausgestoßen. Die Anpassung des Düsendurchmessers stabilisiert den Druck und vermeidet Turbulenzen in der Schmelze. Im Allgemeinen liegt der üblicherweise verwendete Düsendurchmesser je nach Material und Dicke im Bereich von 0.8-3 mm. Der Hilfsgasstrahl sorgt für die mechanische Wirkung, die erforderlich ist, um die Metallschmelze aus dem Schlitz zu ziehen, und bildet eine Wärmeübertragungsgrenzschicht auf der Schmelzoberfläche, wodurch eine Überhitzung vermieden wird. Darüber hinaus liefert das Aktivgas beim sauerstoffunterstützten Schneiden einen zusätzlichen thermischen Beitrag zur Energiebilanz. Unter normalen Umständen beträgt beim sauerstoffunterstützten Laserschneiden je nach Dicke der Druck beim Einspritzen des Aktivgases in den Schneidbereich etwa 0.2-0.6 bar, während der Druck beim Stickstoffeinspritzen viel höher ist (etwa 16 bar bei einem 10 mm dickes Blech) ).

Gemäß Versuchsplan wurde jede Probe durch Änderung der Prozessparameter lasergeschnitten. Kammartiges Parallelschneiden der Probe sowie geometrische Analyse und Qualitätsbewertung des Querschnitts durchführen.

Um die Schnittfugenparameter zu bestimmen, die einen signifikanten Einfluss auf die Qualität der Schnittfuge haben, und um die Angemessenheit des entwickelten empirischen Regressionsmodells zu bewerten, wurde eine Varianzanalyse (ANOVA) mit einem Konfidenzniveau von 95 % (α=0.05) durchgeführt. Der p-Wert wird verwendet, um die Bedeutung der Kontrollfaktoren und deren Interaktion zu bestimmen; daher sind der Haupteffekt und die Wechselwirkung erster Ordnung signifikant, wenn der p-Wert kleiner als 0.05 ist.

Schließlich beeinflusst unter Einwirkung des Hochdruck-Hilfsgasstrahls die hydrodynamische Wechselwirkung zwischen Schmelzebildung und Schmelzeabfuhr die Schnittqualität. Das AlMg3-Stickstoff-unterstützte Schmelzen und Schneiden dicker Teile kann vom laminaren Strömungszustand bis zur turbulenten Grenzschicht beobachtet werden, bevor sie vom geschnittenen Material weggezogen werden. Wenn der unterstützte Gasdruck nicht ausreicht, um die laminare Grenzschicht in der gesamten Schnittdicke aufrechtzuerhalten. Abbildung 3 hebt die Grenzschicht-Trennpunkte hervor, die der signifikanten Zunahme der Oberflächenrauheit entsprechen.

abschließend

Dieses Papier untersucht hauptsächlich den Einfluss von Materialart, Werkstückdicke, Schnittgeschwindigkeit und Hilfsluftdruck auf die Schnittqualität beim Einsatz von 5000 W CO2-Industrielaser zum Laserschneiden verschiedener technischer Materialien wie AlMg3-Aluminiumlegierung, St37-2 kohlenstoffarmer Stahl, AISI 304 Edelstahl usw. . Die Beurteilung der Schnittqualität basiert hauptsächlich auf der Schnittfugengeometrie (Schnittbreite und Kegelwinkel), der Oberflächenrauheit und der Schneidenqualität. Die wichtigsten Ergebnisse lassen sich wie folgt zusammenfassen:

Die Qualitätsbewertung des geschnittenen Abschnitts (gemäß ISO 17658:2015) bestätigte, dass die Gesamtqualität des lasergeschnittenen Abschnitts gut war, mit begrenzten Mängeln, da keine verfestigten Flüssigkeitströpfchen, unregelmäßige Gesichtskonturen und Oberflächenverbrennungen beobachtet wurden. Die Gesamteinschnittsbreite, die untere Einschnittsbreite und der Kegelwinkelbereich betragen 599.90 ± 106.85 µm, 562.06 ± 280.01 µm bzw. 0.83 ± 2.48 Grad.

Hinsichtlich der Schnittfugengeometrie wird die obere Schnittspaltbreite hauptsächlich durch die Dicke des Werkstücks beeinflusst. Im Gegenteil, die Breite der Hinterschneidung wird stark von Materialart, Dicke und Gasdruck beeinflusst. Die Reduzierung der Schnittgeschwindigkeit erhöht die Breite der Nut, da sie eine höhere Energie liefert. Letzteres fällt beim Schneiden von Edelstahl weniger auf. Es wird vorgeschlagen, dass innerhalb des für das Laserschneiden aus AISI 304 ausgewählten Zahlenbereichs die Erhöhung der Schnittgeschwindigkeit, wenn möglich, die Bestrahlungsstärke der Schneidfront erhöht, wodurch die Temperatur der Schneidfront nach unten erhöht wird. Der Kegelwinkel wird hauptsächlich durch die Art des Materials beeinflusst.

Für die Seitenrillenrauhigkeit hat AlMg3, das die schlechteste Absorption von CO2-Laserstrahlung beim Laserschneiden aufweist, den höchsten Ra-Wert, während AISI 304 den niedrigsten Ra-Wert hat. Außerdem nimmt die arithmetische Oberflächenrauhigkeit von AlMg3 und St37-2 entlang der Laserstrahlrichtung zu, während die arithmetische Oberflächenrauhigkeit von AISI 304 im Wesentlichen unverändert bleibt. Die Ergebnisse der Varianzanalyse zeigen, dass die berechnete Oberflächenrauheit hauptsächlich durch das Zusammenspiel von Material und Schnittgeschwindigkeit beeinflusst wird. Außerdem nimmt RSm mit zunehmender Schnittgeschwindigkeit zu, insbesondere beim Laserschneiden AISI 304. Im Gegensatz dazu steigt RSm beim Laserschneiden von St37-2 mit abnehmender Schnittgeschwindigkeit; Darüber hinaus ergab die Studie, dass RSm mit zunehmender Dicke abnimmt, was darauf hindeutet, dass das Vorhandensein von Legierungselementen zu einem weniger vorhersehbaren Verhalten führt . Es besteht eine signifikante Wechselwirkung zwischen der Dicke und dem Gasdruck, was darauf hindeutet, dass der Abstandsparameter beim Laserschneiden dünner Schichten umso kleiner ist, je niedriger der Gasdruck ist.

Link zu diesem Artikel: Die neue CO2-Laserstrahlschneidtechnologie eignet sich besser zum Schneiden von harten oder spröden Materialien!

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