Materialzusammensetzung und Qualität beim Laserschneiden: Die Beziehung verstehen

Die Laserschneidtechnik hat die traditionellen Metallbearbeitungsmethoden aufgrund ihrer niedrigen Bearbeitungskosten, schnellen Produktionseffizienz, präzisen Schnittgenauigkeit und ausgezeichneten Bearbeitungsqualität nach und nach ersetzt. Diese Technologie ist bei der Bearbeitung von Kohlenstoffstahl, Edelstahl, Kupfer, Aluminium und anderen Nichteisenmetallen weit verbreitet und gilt in diesen Bereichen als unersetzlich.

Mit dem weit verbreiteten Einsatz der Laserschneidtechnik sind jedoch einige Probleme aufgetreten. Eines der bedeutenderen Probleme ist, dass beim Schneiden von Kohlenstoffstahlblechen gleicher Dicke und unterschiedlicher Zusammensetzung mit der gleichen Laserschneidmaschine und den gleichen Parametern des Schneidprozesses deutliche Unterschiede in der Oberflächenqualität der Schnitte auftreten.

Um den Einfluss der Blechzusammensetzung auf die Schneidqualität zu verstehen, wurden Tests an Kohlenstoffstahlblechen mit unterschiedlichen Dicken und Zusammensetzungen durchgeführt, wobei Faserlaser mit Leistungen von 6-30KW verwendet wurden und sowohl mit Sauerstoff als auch mit Luft geschnitten wurde.

Weiterführende Lektüre: Die Anwendung von Luft als Hilfsgas beim Laserschneiden

1. Experimentelle Ausrüstung und Methoden

1.1 Experimentelle Ausrüstung

Das Experiment wurde mit einem 30KW-Faserlaser durchgeführt, einem Multimode-Laser mit kontinuierlicher Ausgangsleistung, einer Strahlwellenlänge von 1080 nm und einem Kerndurchmesser von 150 μm. Die Laserkopf Bei dem Versuch wurde der Laserkopf Genius 30 (30KW) verwendet.

Die Quasi-Durchmesser-Brennweite des Laserkopfes betrug 100 mm, und der Fokussierspiegel hatte eine Brennweite von 200 mm, was eine automatische Fokussierung ermöglichte. Um einen stabilen Betrieb des 30KW-Faserlasers zu gewährleisten und seine optimale Leistung aufrechtzuerhalten, wurde ein Wasserkühler mit einer Kühlleistung von 70,0KW als Zusatzausrüstung verwendet.

Abb. 1 - Experimenteller Laser, Laserkopf

1.2 Hilfsstoffe

Um die Genauigkeit, Effizienz und Klarheit der experimentellen Daten zu gewährleisten, wurden in diesem Experiment Kohlenstoffstahlplatten unterschiedlicher Dicke verwendet, darunter Q235, Q345und Q460 Kohlenstoffstahl. Weitere Einzelheiten entnehmen Sie bitte dem Datenblatt für Versuchsplatten.

Als Hilfsgas wurde 99,9% Sauerstoff mit einem Versorgungsdruck von 5bar verwendet. Um eine ausreichende Anzahl von Düsen zu gewährleisten, wurden die im Datenblatt der Versuchsdüsen aufgeführten Düsen für den Versuch vorbereitet.

Tabelle 1 Datenblatt der Versuchsplatte

Tabelle 2 Datenblatt der Versuchsdüse

1.3 Experimentelle Methoden

Unter der Voraussetzung, dass die Spotqualität des Geräts (die optische Faser und der Laserkopf waren sauber und unbeschädigt, was durch einen Fotopapiertest überprüft wurde), der Luftdruck (Sauerstoff wurde auf einem stabilen Wert von 5 bar und Luft auf einem stabilen Wert von 11 bar gehalten) und die internen Linsen des Laserkopfes (sauber, frei von Schmutz und Brandflecken) normal waren, wurden die internen Module durch die interne Steuersoftware des Lasers gesteuert und die maximale Ausgangsleistung auf 12KW, 20KW bzw. 30KW eingestellt.

Die Schneideversuche wurden an verschiedenen Arten und Dicken von Blechen, wie in Tabelle 1 beschrieben, unter den drei oben genannten Leistungsstufen durchgeführt. Der Umfang der geschnittenen Probe betrug 205,6 mm, wie in Abb. 2 dargestellt.

Die geschnittenen Proben wurden analysiert und verglichen, indem die Porositätsdichte, die Rauheit und die entsprechenden Prozessparameter auf der Oberfläche der geschnittenen Proben untersucht wurden.

Abb. 2 - Schematische Darstellung der Schnittprobe

2. Testergebnisse

2.1 Analyse der Schnittparameter

Während des Versuchs wurden die fünf Faktoren, die die Schnittgeschwindigkeit (Laserleistung, Schneidgasdruck, Fokus und Düsenöffnung) wurden berücksichtigt, um sicherzustellen, dass sich die Proben nach dem Schneiden automatisch und ohne Schlacke, Verbrennungen und Tropfen ablösen und eine hohe Oberflächengüte aufweisen. Die Prozessparameter wurden angepasst, um die beste Schneidwirkung für verschiedene Materialien und Dicken zu erzielen.

Weiterführende Lektüre: Laserschneiden Dicke & Geschwindigkeitstabelle

Siehe Tabelle 3 für spezifische Parameter.

Tabelle 3 Tabelle der experimentellen Parameter

2.1.1 Analyse der Schnittgeschwindigkeit

Die Daten in Tabelle 3 zeigen, dass bei einer Laserleistung von 20 KW als Testhintergrund die Schneidgeschwindigkeiten von Blechen mit einer Dicke von 20 mm und 30 mm aus Q345, 45# Stahl, NM400 und T10 verglichen, wie in Abbildung 3 dargestellt.

Bei gleicher Laserleistung, Blechdicke und Sauerstoff als Hilfsgas hatte das T10-Blech die langsamste Schneidgeschwindigkeit, während NM400 die schnellste war. Es gab keinen signifikanten Unterschied zwischen den Schnittgeschwindigkeiten von Q345 und 45# Stahl.

Daraus lässt sich schließen, dass der Kohlenstoffgehalt im Schneidstoff den größten Einfluss auf die Schnittgeschwindigkeit hat. Da der Kohlenstoffgehalt in der Platte zunimmt, nimmt die Schnittgeschwindigkeit der Platte bei gleicher Dicke allmählich ab. Mit zunehmendem Gehalt an seltenen Elementen (z. B. Cr, Ni) in der Platte nimmt auch die Schnittgeschwindigkeit allmählich ab.

Abb. 3-20KW Schnittgeschwindigkeit im Vergleich

2.1.2 Analyse des Hilfsluftdrucks

Laserschneiden Kohlenstoffstahl mit Sauerstoff als Hilfsgas funktioniert durch die Nutzung der von der Laserlichtquelle erzeugten Energie und der Oxidationsreaktion während des Schneidprozesses.

Es ist offensichtlich, dass der Sauerstoffdruck einen bedeutenden Einfluss auf die verschiedenen Arten von Platten hat.

Tabelle 4 in den Prozessdaten des Schneidens von 20mm und 30mm Q345, 45# Stahl und T10 mit einem 20KW-Laser, wie in Tabelle 3 gezeigt, zeigt, dass für verschiedene Arten von Blechen mit der gleichen Dicke, der Hilfsgasdruck steigt, wenn der Kohlenstoffgehalt in den Blechen zunimmt, um optimale Schneidergebnisse zu erzielen.

Abb. 4-20KW-Hilfsluftdruck-Vergleichsdiagramm

2.1.3 Analyse der Schnittpunkte

Die Daten aus dem vorherigen Test zeigen, dass beim Schneiden von Q235, Q345, 45#-Stahl und T10 mit der gleichen Dicke und unter Verwendung von Sauerstoff als Schneidhilfsgas 45#-Stahl und T10-Stahl mehr Kohlenstoff enthalten als Q235 und Q345.

Während des Schneidens bildet sich eine große Anzahl von Kohlendioxidporen auf der Oberfläche, die eine raue Oberfläche verursachen.

Die Schneidwirkung bleibt unverändert, wenn sich der Schneidfokus innerhalb von ±1 ändert, so dass der Fokus reduziert werden kann, um die Schneidgeschwindigkeit zu erhöhen. Die Schneidwirkung von Q235 und Q345 reagiert jedoch empfindlich auf den Schnittfokus, so dass sie diesen Vorteil nicht haben.

2.2 Analyse der Auswirkungen der Inbetriebnahme

Die nachstehende Tabelle zeigt die Ergebnisse des Schneidens verschiedener Arten und Dicken von Blechen unter Verwendung verschiedener Hilfsgase und Schneidleistungen.

Wie aus Tabelle 4 ersichtlich ist, wurden die Schneideffekte verschiedener Plattentypen mit gleicher Dicke bei gleicher Schnittleistung verglichen.

Die Ergebnisse zeigten einen signifikanten Unterschied in Oberflächenrauhigkeit zwischen den aus verschiedenen Materialien geschnittenen Proben, wobei die Q345B-Probe die beste Schneidwirkung aufwies. Die Oxidhaut auf der Oberfläche war dünn und die Oberflächenrauhigkeit war minimal.

Andererseits wies die Oxidhaut auf der Schnittfläche der NM400-Probe eine deutliche Schichtung auf. Die Oberseite der Schnittfläche war glatt, während die Unterseite eine dickere Oxidhaut aufwies, was zu einer höheren Oberflächenrauhigkeit der Probe führte.

Der Schliff der Probe 45# war rau und wies auf der Unterseite eine deutliche Ausbuchtung der Oxidhaut auf.

Die T10-Probe hatte die schlechteste Schneidwirkung, mit einer rauen Oberfläche, zahlreichen Poren und einer deutlichen Oxidhaut auf der Unterseite.

Im Vergleich dazu wiesen die Schnittflächen von Q345B, NM400 und 45# eine bessere Oxidhaut-Oberflächenrauhigkeit auf als das T10-Blech.

Tabelle 4 Experimentelle Wirkungstabelle

2.2.1 Analyse des Materialschmelzpunkts

In diesem Versuch wurden vier Materialtypen getestet: Q235, Q345B, NM400 und 45# Kohlenstoffstahlplatten. Ihr Kohlenstoffgehalt beträgt 0,22%, 0,20%, 0,25% bzw. 0,47%.

Durch die Untersuchung der Eisen-Kohlenstoff-Phasendiagramm in Abbildung 5 ist zu erkennen, dass die Schmelzpunkttemperatur dieser vier Materialien bei etwa 1500°C liegt.

Laserschneiden von Kohlenstoffstahl nutzt den Laser als Vorwärmwärmequelle und Sauerstoff als Hilfsgas. Dies führt zu einer stark exothermen Oxidationsreaktion mit den Materialien, bei der eine beträchtliche Menge an Oxidationsenergie freigesetzt wird (wie in der folgenden Formel dargestellt).

Fe+O→FeO+heat(257.58kJ/mol)2Fe+1.5O₂→Fe₂O₃+Wärme(826,72kJ/mol)

Es wurde festgestellt, dass die Temperatur an der Bearbeitungsstelle des Blechs aufgrund der vom Laser freigesetzten Energie und des Oxidationsprozesses während der Bearbeitung 1726,85 °C überschritten hat. Laserbearbeitung. Diese Temperatur ist deutlich höher als die Schmelzpunkte der Materialien Q235, Q345B, NM400 und 45#.

Aus dieser Analyse lässt sich schließen, dass die Schmelzpunkte dieser Werkstoffe nur einen begrenzten Einfluss auf die Wirkung der Oxidschicht auf der Oberfläche nach dem Schneiden haben.

Abb. 5-Fe-C-Phasendiagramm

2.2.2 Analyse der chemischen Zusammensetzung der Materialien

Die chemische Zusammensetzung der verschiedenen in diesem Versuch verwendeten Stahlplatten wurde mit einem Spektrumanalysator bestimmt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 5 aufgeführt.

Tabelle 5 Chemische Elementanalyse

1) Analyse des Gehalts an Mn-Elementen

Nach Tabelle 5, die die Elemente von Q235 und Q345B vergleicht, werden beide Werkstoffe als kohlenstoffarmer Stahl eingestuft. Der Gehalt an anderen Elementen in den Materialien unterscheidet sich nicht signifikant, mit Ausnahme des Mangangehalts, der 0,65% für Q235 und 1,70% für Q345B beträgt. Dieser Unterschied im Mangangehalt dient als Richtwert für die Untersuchung des Zusammenhangs zwischen der Laserschneidqualität und dem Mangangehalt im Material.

Die Auswirkungen der Schnittflächen der beiden Werkstoffe sind in Abbildung 6 dargestellt. Die Ergebnisse zeigen, dass die Oberfläche sauber und glänzend ist, mit ähnlicher Oberflächenrauheit, und die experimentellen Parameter wurden konstant gehalten.

Diese Ergebnisse lassen den Schluss zu, dass das Element Mn einen geringen Einfluss auf die Laserschneidwirkung von herkömmlichem kohlenstoffarmen Stahl hat.

Q235-20kw-20mm

Q345B-20kw-20mm

Abb. 6

2) Inhaltsanalyse der S-Elemente

Die in der Tabelle aufgeführten Daten zeigen, dass der maximale Unterschied im Schwefelgehalt (S) zwischen den Blechen nur 0,05% beträgt. Diese Informationen reichen nicht aus, um die Auswirkungen des S-Gehalts auf die Schnittqualität zu bestimmen.

Eine weitere Analyse der Daten zeigt, dass bei einem Mangan- (Mn) und Schwefelgehalt (S) im Blech von etwa 0,5% bzw. 0,25% die Schlacke an der Unterseite der Schnittfläche mit zunehmender Blechdicke zunimmt, was zu einer allmählichen Abnahme der Schnittqualität führt.

Tabelle 6 Vergleich der Elemente S und Mn

3) Analyse des Gehalts an Si-Elementen

Es wurde festgestellt, dass bei einem Silizium (Si)-Elementgehalt in der Metallplatte von unter 0,25% die Schnittgeschwindigkeit von Kohlenstoff Stahlplatte mit einem Si-Gehalt von mehr als 0,25% ist um mehr als 20% langsamer als bei Kohlenstoffstahlblech mit einem Si-Gehalt von weniger als 0,25%. Außerdem entsteht an der Unterseite des Blechs eine erhebliche Menge an Schlacke.

4) Inhaltsanalyse des Elements C

Vergleicht man den Elementgehalt von Q235, 45# und T10, so stellt man fest, dass Q235 als Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt, 45# als Stahl mit mittlerem Kohlenstoffgehalt und T10 als Stahl mit hohem Kohlenstoffgehalt eingestuft wird.

Ein Blick auf die Elementtabelle zeigt, dass die einzigen signifikanten Unterschiede zwischen Kohlenstoff (C) und Mangan (Mn) bestehen.

Unter hoher Temperatur und mit ausreichend Sauerstoff als Hilfsgas reagiert Kohlenstoff mit Sauerstoff auf folgende Weise:

C+O₂→CO₂(g)（393,5KJ/mol）

Theoretische Analysen zeigen, dass mit zunehmendem Kohlenstoffgehalt des Materials auch die Menge des bei der Oxidationsreaktion entstehenden Kohlendioxids in Gegenwart von Sauerstoff als Hilfsgas zunimmt, was zu einer Zunahme der Poren auf der Schnittfläche des Materials führt.

Abbildung 4 zeigt, dass mit zunehmendem Kohlenstoffgehalt von Q235, 45#-Stahl und T10 auch die Anzahl der Poren auf der Schnittfläche entsprechend zunimmt.

Abb. 7 - Vergleichsdiagramm des Kohlenstoffgehalts von Materialien

Beim anfänglichen Vergleich der Werkstoffe Q235 und Q345B wurde festgestellt, dass der Mangangehalt (Mn) nur einen minimalen Einfluss auf die tatsächliche Schneidwirkung hat und vernachlässigt werden kann.

Abbildung 8 zeigt die tatsächliche Schneidwirkung der drei Materialien mit derselben Dicke. Die Ergebnisse zeigen, dass die Oberfläche von Q235 glänzend ist und eine geringe Rauheit aufweist, die Oberfläche von 45# ist rau mit einer deutlich dickeren Oxidhaut an der Unterseite, und die Oberfläche von T10 ist die raueste mit der dicksten Oxidhaut.

Aus den tatsächlichen Testergebnissen lässt sich schließen, dass der Kohlenstoffgehalt im Material einen spürbaren Einfluss auf die Schneidwirkung hat. Mit steigendem Kohlenstoffgehalt nimmt die Anzahl der Poren auf der Schneidoberfläche zu, die Dicke der Oberflächenoxidhaut wird dicker und die Oberflächenrauheit nimmt zu.

Abb. 8-Q235-30kw-40mm (links), 45 # - 30kw-40mm (Mitte), T10-30kw (rechts)

5) Analyse des Gehalts an Ni-Elementen

Tabelle 7 zeigt die Arten und Gehalte der chemischen Elemente in den Werkstoffen Q235 und Q460. Der Unterschied im Gehalt an Nickel (Ni) zwischen den beiden Werkstoffen ist offensichtlich.

Daher wurden für beide Werkstoffe Schneidversuche an Platten gleicher Dicke durchgeführt. Die Ergebnisse der tatsächlichen Schnittqualität sind in Abbildung 10 dargestellt.

Bei den Oberflächenschlieren, der Oxidhautdicke und der Oberflächenrauheit gibt es keine nennenswerten Unterschiede.

Diese Ergebnisse lassen den Schluss zu, dass der Nickelgehalt in konventionellem kohlenstoffarmen Stahl keinen signifikanten Einfluss auf die Schnittqualität von Hochleistungslasern hat.

Abb. 9 - Vergleichsdiagramm des Nickelgehalts in Materialien

Tabelle 7 Vergleich der Ni-Elemente

Q460-20mm-20KW

Q235-20mm-20KW

Abb. 10

6) Analyse des Gehalts an Cr-Elementen

Beim Vergleich der Elementgehalte in den Blechen ist festzustellen, dass der Gehalt an Chrom (Cr) in den Werkstoffen NM400 und Q690 deutlich höher ist als in den anderen Werkstoffen, wie in Abbildung 4.2-5 dargestellt.

Abb. 11 Vergleichstabelle des Chromgehalts in Materialien

Während der LaserschneidverfahrenDie meisten Elemente in der Platte oxidieren mit dem Hilfsgas Sauerstoff und setzen bei der Wärmeabgabe des Lasers eine große Wärmemenge frei. Dies führt zur Bildung einer erheblichen Wärmeeinflusszone auf der Oberfläche des Blechs.

In dieser hitzebeeinflussten Zone oxidiert das Chrom (Cr) im Blech mit Sauerstoff und erzeugt dichtes Cr₂O₃ und andere Oxide, die mit der lokalen Temperatur zunehmen. Das Oxid wächst allmählich und bildet eine clusterartige körnige Struktur, wie in Abbildung 12 dargestellt.

Mit der Zeit wird eine Cr₂O₃ Oxidhaut mit hoher Oberflächenspannung und weniger rissanfällig bildet sich auf der Zerspanung Oberfläche, die die Oxidationsreaktion zwischen den Elementen unter dem Cr₂O₃ Oxidation und O₂ (wie in Abbildung 13 dargestellt). Dies führt zu einer deutlich schlechteren Oberflächenrauheit an den Unterseiten der NM400- und Q690-Schneideflächen (siehe Abbildung 14).

Daraus lässt sich schließen, dass sich die Schneidwirkung mit zunehmendem Cr-Gehalt im Material verschlechtert und die Oxidhaut am Boden der Probe dicker wird.

Abb. 12 - Phasendiagramm der gebündelten Partikel

Abb. 13 - Analysediagramm der Oxidschicht der Laserschneideoberfläche

Schneideffektanzeige 20mm NM400

Display mit Schneideffekt 20mm Q690

Abb. 14

2.3 Analyse der wärmebeeinflussten Zone

Es versteht sich von selbst, dass die Qualität des Laserschneidens mit der Wärmeeinflusszone auf der Oberfläche des geschnittenen Blechs zusammenhängt. Wenn die Wärmeeinflusszone nicht kontrolliert wird, kann sie Verformungen, Risse, Sprödigkeit usw. auf der Oberfläche des geschnittenen Blechs verursachen.

Aus dem Datenvergleich in Abbildung 15 geht hervor, dass die Laserschneidleistung der wichtigste Faktor ist, der die Breite des Schneidspalts beeinflusst, und dass die Schneidgeschwindigkeit der wichtigste Faktor ist, der die Streifen und die Rauheit der Schnittfläche beeinflusst.

Daher wird beim Laserschneiden empfohlen, die Prozessparameter so weit wie möglich anzupassen, um den Bereich der Wärmeeinflusszone auf der Blechoberfläche zu minimieren und so die Verformung und Anreicherung der Bauteile zu verringern.

Abb. 15 - Einfluss von Leistung und Geschwindigkeit auf Schnittfuge und Schnittfläche

Während des eigentlichen Testprozesses wurden die Parameter des Schneidprozesses optimiert, um glatte Schnittflächen und den freien Fall von Proben unterschiedlicher Art und Dicke zu gewährleisten.

Bei gleicher Schneidleistung gibt es keine wesentlichen Unterschiede in der Breite der Schlitze zwischen den verschiedenen Typen und bei gleicher Dicke.

Daher ist die Fläche der Wärmeeinflusszone von Materialien mit gleicher Dicke bei gleicher Leistung ähnlich, was nur einen geringen Einfluss auf die tatsächliche Oberflächenrauheit hat und vernachlässigt werden kann.

3. Schlussfolgerung

Zu den Faktoren, die die Schnittqualität von Kohlenstoffstahl durch Sauerstoffschneiden beeinflussen, gehören die Zusammensetzung der Legierungen, die Mikrostruktur des Materials, die Wärmeleitfähigkeit, der Schmelzpunkt und der Siedepunkt.

Metalle mit hohem Kohlenstoffgehalt haben in der Regel einen hohen Schmelzpunkt und sind daher schwer zu schmelzen, was zu einer Verlängerung der Schneid- und Lochstechzeit führt.

Dies führt zu einem breiteren Schnittspalt und einer erweiterten Wärmeeinflusszone an der Oberfläche, was eine instabile Schnittqualität zur Folge hat.

Weiterführende Lektüre: Was Sie über Laserschnittfugen wissen sollten

Darüber hinaus erhöht ein hoher Anteil der Legierungszusammensetzung die Viskosität des flüssigen Metalls und steigert das Verhältnis von Spritzer und Schlacke, was höhere Anforderungen an die Einstellung der Laserleistung und des Blasluftdrucks während der Bearbeitung stellt.

Weiterführende Lektüre: Wie wählt man die Leistung einer Faserlaserschneidmaschine?

Die obigen Versuche zeigen, dass sich bei Verwendung von Sauerstoff als Hilfsgas die Schnittflächenwirkung verschlechtert und die Oberflächenrauheit deutlich zunimmt, wenn der Gehalt an C- und Cr-Elementen im Material steigt. Wird dagegen Luft als Hilfsgas verwendet, bleibt die Schneidwirkung bei gleicher Dicke und Leistung weitgehend unverändert.

Um die Qualität und Effizienz des Schneidens zu gewährleisten, sind in der folgenden Tabelle die empfohlenen Hilfsgasarten für verschiedene Schneidleistungen und Materialien aufgeführt:

1. Auswirkungen des Kohlenstoffgehalts:

Bei gleicher Laserleistung nimmt mit steigendem Kohlenstoffgehalt die Schneidgeschwindigkeit allmählich ab, während die Oberfläche der Probe rauer und die Oxidhaut dicker wird, so dass sich der Gesamteffekt verschlechtert, was zu einer Verringerung der Dickengrenze von Laserschneidplatten führt.

2. Auswirkungen des Chromgehalts:

Mit zunehmendem Chromgehalt sammelt sich die Oxidhaut an der Unterseite der Probenoberfläche an und verdickt sich merklich, wodurch die Schnittfläche von oben nach unten rau wird.

3. Auswirkungen des Siliziumgehalts:

Wenn der Siliziumgehalt im Material 0,25% übersteigt, nimmt die Schnittgeschwindigkeit mit steigendem Siliziumgehalt deutlich ab, und am Boden der Schnittprobe erscheint Schlacke.

4. Nickelgehalt:

Der Nickelgehalt hat kaum Auswirkungen auf die Qualität der Hochleistungslaser schneiden.

5. Auswirkungen des Mangan- und Schwefelgehalts:

Wenn der Mangan- und Schwefelgehalt im Material 0,5% bzw. 0,04% beträgt, nimmt die Schlacke am unteren Ende des Schnittes mit zunehmender Blechdicke allmählich zu.