Как уменьшить разбрызгивание металла при врезке в процессе лазерной резки

Прошивка — это первый критически важный этап большинства операций лазерной резки по замкнутому контуру. Прежде чем станок начнет движение по заданной траектории, лазерный луч должен пробить лист металла и сформировать стабильный канал для удаления расплавленного материала.

Неконтролируемый процесс прошивки может привести к образованию большого количества брызг, крупных кратеров и повреждению поверхности, а также к загрязнению защитных линз, нестабильному качеству реза и необходимости дополнительной очистки. Кроме того, крупные брызги могут налипать на сопло или режущую головку, снижая надежность производственного процесса.

Для уменьшения разбрызгивания при прошивке недостаточно просто снизить мощность лазера. Эффективный контроль этого процесса требует согласования таких параметров, как энергия лазерного излучения, временные характеристики импульсов, положение фокуса, параметры вспомогательного газа, состояние сопла, расстояние до поверхности (зазор), качество материала и настройки программы резки.

Почему при прошивке возникают брызги?

В процессе прошивки концентрированная энергия лазера быстро нагревает, расплавляет и частично испаряет металл. Давление паров и вспомогательный газ вытесняют расплавленный материал из формируемого отверстия.

На начальном этапе лазерный луч еще не пробил сквозной канал в листе. Поэтому часть расплавленного металла выбрасывается вверх, а не выходит через нижнюю часть материала. Поднимающиеся вверх капли образуют брызги вокруг отверстия.

Некоторое количество брызг может быть допустимым, особенно при обработке толстых листов. Однако их избыток обычно указывает на то, что энергия при прошивке подается слишком интенсивно, удаление расплава происходит неэффективно или процесс продолжается после того, как сквозное отверстие уже сформировано.

Подбор стратегии прошивки в зависимости от материала

Станок для лазерной резки с волоконным лазером может поддерживать режимы быстрой, импульсной или многоэтапной прошивки. Доступные режимы зависят от системы управления, лазерного источника, режущей головки, а также от типа и толщины материала.

Быстрая прошивка обычно подходит для тонких материалов, когда сквозное отверстие можно получить без чрезмерного накопления тепла. Применение агрессивной стратегии быстрой прошивки на толстых листах может привести к образованию крупного кратера и выбросу значительного количества расплавленного металла.

Импульсная прошивка предполагает подачу энергии контролируемыми импульсами. Паузы между импульсами позволяют расплаву выйти из отверстия и снижают интенсивность накопления тепла. Важно правильно подобрать сочетание таких параметров, как частота импульсов, рабочий цикл (скважность), пиковая мощность и длительность прошивки.

Многоэтапная прошивка разделяет процесс на контролируемые фазы. Станок может начать работу с пониженной мощностью, изменить фокус или параметры подачи газа по мере формирования отверстия и завершить пробивку до перехода к резке по контуру.

Оптимизация мощности лазера и времени прошивки

Чрезмерная мощность при прошивке может привести к расплавлению большего объема материала, чем способен удалить поток газа. В этом случае расплавленный металл скапливается внутри отверстия и выбрасывается вверх в виде крупных капель.

Недостаточная мощность также может вызвать проблемы. Если станок не успевает пробить отверстие за запрограммированное время, он продолжает нагревать верхнюю поверхность, формируя широкий кратер, но не создавая чистого сквозного отверстия.

Время прошивки должно быть достаточным для полного пробития материала, но не чрезмерно долгим. Продолжение подачи энергии после завершения пробивки может привести к увеличению диаметра отверстия, расширению зоны термического влияния и образованию дополнительных брызг.

Оптимизацию параметров следует начинать с использования рекомендованных настроек из базы данных для конкретного материала и его толщины. Операторам рекомендуется изменять параметры по одному за раз и фиксировать полученные результаты.

Проверка положения фокуса и расстояния до поверхности листа

Положение фокуса влияет на плотность энергии внутри формируемого отверстия при пробивке. Неправильная настройка фокуса может привести к избыточной концентрации энергии на верхней поверхности или, наоборот, препятствовать проникновению достаточного количества энергии вглубь материала.

Оптимальное положение фокуса для пробивки может отличаться от положения, используемого для контурной резки. Некоторые системы управления станками лазерной резки позволяют задавать раздельные настройки фокуса для этапов пробивки и резки.

Расстояние от сопла до листа также влияет на поток вспомогательного газа и удаление расплавленного материала. Слишком малое расстояние может привести к сильному загрязнению сопла брызгами, а слишком большое — снизить эффективность работы вспомогательного газа.

Перед изменением технологических параметров операторам следует проверить работу емкостного датчика высоты, калибровку сопла, плоскостность листа и состояние керамических компонентов. Проблемы с контролем высоты невозможно надежно устранить одной лишь регулировкой мощности лазера.

Проверка сопла, центрирования луча и оптики

Сопло направляет вспомогательный газ в зону пробивки. Форма, диаметр, чистота и соосность сопла влияют на характеристики газового потока. Поврежденное или частично засоренное сопло может вызвать асимметрию потока газа и неравномерное разбрызгивание расплава.

Необходимо регулярно проверять центрирование луча. Если лазерный луч смещен относительно центра отверстия сопла, сопло может нагреваться неравномерно, а вспомогательный газ — терять симметрию потока вокруг луча.

Операторам следует осматривать сопло после столкновения или при внезапном ухудшении качества пробивки. Также необходимо проверять защитную линзу в соответствии с регламентом технического обслуживания, поскольку загрязнения могут вызвать рассеивание луча, изменение условий фокусировки и снижение качества резки.

Управление вспомогательным газом без создания турбулентности

Вспомогательный газ способствует удалению расплавленного материала из отверстия. Тип газа и давление подбираются с учетом материала, его толщины, метода резки и требуемого качества кромки.

При недостаточном давлении газа удаление расплавленного металла может быть неэффективным. Однако чрезмерное давление не является универсальным решением: неправильно подобранное давление или конфигурация сопла могут нарушить стабильность сварочной ванны и привести к разбросу горячих капель на большую площадь.

Важное значение имеют также чистота газа и стабильность его подачи. Утечки, засорение фильтров, загрязнение магистралей, повреждение регуляторов или нестабильное давление подачи могут привести к изменению качества пробивки в процессе производства.

Оптимальные параметры подачи газа следует определять в комплексе с настройками диаметра сопла, расстояния до листа, положения фокуса и мощности лазера.

Оптимизация программы резки и выбор точек врезки

Процесс врезки обычно следует начинать на участке подвода (линии врезки), а не непосредственно на чистовом контуре. Правильно спроектированный подвод позволяет сместить кратер от врезки и основную часть продуктов выброса (грата) в сторону от требуемого контура.

Длина подвода должна быть достаточной для стабилизации процесса до того, как режущая головка выйдет на траекторию чистового контура. Точки врезки также следует располагать вдали от узких перемычек, критически важных углов, мелких элементов и зон, где накопление тепла может негативно сказаться на точности размеров.

Для деталей с большим количеством отверстий можно рассмотреть вариант предварительной врезки. В этом случае станок лазерной резки сначала выполняет все операции врезки, а затем возвращается для вырезания контуров. Программа должна обеспечивать баланс между временем на охлаждение, длиной траектории и надежностью входа в контур.

Обеспечение стабильного состояния материала

Наличие ржавчины, окалины, масла, краски, влаги, защитной пленки или сильных поверхностных загрязнений может изменить характер поглощения лазерной энергии. Изменения свойств материала могут привести к тому, что программа врезки, ранее обеспечивавшая стабильный результат, начнет давать нестабильный выброс расплава (брызги).

Лист должен быть ровным и иметь надежную опору. Деформация листа изменяет расстояние между соплом и поверхностью материала, что влияет на газовый поток и положение фокуса.

Если качество врезки различается в разных зонах одного листа, операторам следует проверить состояние поверхности, плоскостность листа, высоту сопла, подачу газа и чистоту оптики, прежде чем вносить существенные изменения в параметры.

Систематическая диагностика характера выброса при врезке

Образование крупного кратера с крупными каплями расплава может указывать на избыточную энергию, слишком длительное время врезки, неправильную фокусировку или недостаточное удаление расплавленного материала. Скопление брызг с одной стороны может свидетельствовать о смещении луча относительно центра, повреждении сопла, неперпендикулярности газового потока или неровном расположении материала.

Повторяющееся загрязнение сопла может указывать на слишком малое расстояние до поверхности (зазор), чрезмерно агрессивный режим врезки или слишком длительную задержку режущей головки над точкой врезки.

Операторам следует избегать одновременного изменения нескольких параметров. Проведение контролируемого теста с использованием тех же условий (материал, толщина, сопло, газ) позволяет легче выявить истинную причину проблемы.

Проверка процесса перед запуском в производство

Параметры врезки по возможности следует проверять на материале из той же производственной партии. Операторам необходимо оценивать диаметр входного отверстия, размер кратера, радиус разлета брызг, время пробивки, степень загрязнения сопла и качество перехода к процессу резки.

Удачные настройки следует сохранять с привязкой к марке материала, его толщине, типу сопла, вспомогательному газу, положению фокуса и конфигурации режущей головки. База данных с задокументированными технологическими процессами помогает разным сменам получать одинаковые результаты.

Регулярный осмотр сопла, проверка центрирования луча, калибровка по высоте, техническое обслуживание газовой системы и контроль состояния защитной линзы должны входить в состав профилактического обслуживания.

Заключение

Управление процессом разбрызгивания металла при врезке невозможно с помощью какой-либо одной настройки. Стабильный результат достигается за счет подбора метода врезки под конкретный материал, подачи строго необходимого количества лазерной энергии, обеспечения эффективного газового потока, правильной настройки фокуса и высоты сопла, а также размещения точек врезки на удалении от чистовых контуров детали.

При надлежащем техническом обслуживании установка волоконной лазерной резки обеспечивает стабильное качество врезки: отсутствие чрезмерно крупных кратеров и значительных наплывов металла на поверхности, а также отсутствие частых загрязнений режущей головки. Проведение контролируемых испытаний и ведение документации по параметрам процесса позволяют сократить объем работ по исправлению брака, защитить оптические компоненты и повысить эффективность производства.

Повысьте качество врезки с помощью оптимального решения для лазерной резки

Компания Huawei Laser предлагает производителям, рассматривающим возможность приобретения установки волоконной лазерной резки, полный спектр услуг: помощь в выборе оборудования, оценку результатов пробной резки, поддержку в подборе параметров, обучение операторов и послепродажное обслуживание. Свяжитесь с Huawei Laser для обсуждения типов материалов, толщины листов, чертежей деталей и производственных требований.