Tecnologia di taglio laser in fibra ad alta potenza: Rimanere al passo con i tempi

Il laser in fibra ad altissima potenza è in grado di ottenere un taglio rapido e di alta qualità di lastre spesse, compreso l'utilizzo di aria come gas ausiliario per taglio dell'acciaio inossidabilee molti vantaggi rispetto ad altre soluzioni di taglio.

Negli ultimi anni, i laser in fibra ad altissima potenza (UHP), con potenze che vanno da 10kW a 40kW, sono stati rapidamente applicati nel mercato del taglio e si prevede che la massima potenza laser utilizzata per le applicazioni di taglio continuerà ad aumentare.

Dimostreremo l'effetto delle applicazioni di taglio in questa gamma di potenza e discuteremo i principali fattori che guidano l'applicazione dei laser in fibra ad altissima potenza: significativi vantaggi in termini di produttività, migliore qualità del taglio e capacità di tagliare fino allo spessore limite (ad esempio, come mostrato in questo articolo, taglio di acciaio inossidabile di 230 mm di spessore con una potenza di 40kW).

In questo articolo, per laser ad altissima potenza si intendono i laser con potenza superiore a 10kW. Essi consentono nuovi metodi di processo per promuovere taglio laser l'espansione in nuovi mercati (ad esempio, l'utilizzo dell'aria come gas ausiliario per tagliare acciaio inossidabile fino a 50 mm di spessore a velocità 4 volte superiori rispetto al taglio al plasma ad alta potenza).

I risultati dell'applicazione dimostrano che i laser ad altissima potenza stanno cambiando il modo in cui viene tagliato l'acciaio inossidabile, utilizzando la tecnologia di taglio ad aria invece di quella ad azoto e ossigeno per ottenere un taglio di alta qualità, ad alta velocità ed economico.

Tendenza di sviluppo a 6 anni: Il più alto Potenza laser Utilizzato per applicazioni di taglio

Più di 50 anni fa è emersa la tecnologia del taglio laser. Da allora, il taglio laser è entrato in un periodo di rapido sviluppo tecnologico.

Negli anni '70 sono state introdotte macchine di taglio laser commerciali e i primi utilizzatori le hanno impiegate per la produzione su larga scala.

Negli anni '80 si sono diffuse le apparecchiature di taglio laser ad anidride carbonica (CO2).

Tra la fine degli anni '90 e l'inizio degli anni 2000 sono stati introdotti laser in fibra ad alta potenza.

Lo sviluppo del livello di kilowatt macchine per il taglio laser in fibra alla fine degli anni 2000 ha trasformato il taglio laser da un'applicazione su piccola scala a un processo di produzione mainstream.

Le macchine per il taglio laser in fibra occupano una posizione importante nel settore del lamiera mercato del taglio laser, soprattutto grazie alla facilità di integrazione, all'affidabilità, alla bassa manutenzione, ai costi di investimento e di esercizio relativamente bassi, all'elevata potenza di taglio e alla possibilità di scalare la potenza dei laser in fibra.

Tra la fine degli anni 2010 e l'inizio del 2020, il mercato del taglio laser presenta due percorsi di crescita.

La prima tendenza riguarda la fascia di mercato a bassa potenza, dove la domanda di macchine da taglio da 1-3kW è aumentata grazie ai minori costi di capitale delle apparecchiature.

La seconda tendenza riguarda la fascia di mercato ad alta potenza, che ha portato a un aumento della domanda di laser in fibra ad altissima potenza.

Ciò è dovuto all'elevato rapporto costo-efficacia dei laser ad altissima potenza, che garantiscono un'elevata produttività e capacità tecniche.

Inoltre, il settore del taglio laser ha subito un rivoluzionario "cambio di potenza", che non ha precedenti in altri settori. produzione di lamiere nello stesso periodo.

Dalle mostre di produzione, possiamo vedere che la massima potenza laser esposta nelle macchine da taglio è aumentata da 6kW nel 2015 a 40kW previsti per il 2022, con una crescita di quasi sette volte (si veda la Figura 1).

Negli ultimi tre anni, la potenza massima delle apparecchiature laser è passata da 15kW a 40kW, con un'impennata di 2,5 volte!

Perché questo è il momento migliore?

I laser in fibra ad alta potenza affidabili erano già emersi qualche anno prima che iniziasse la tendenza del taglio ad altissima potenza. Già nel 2013 erano disponibili laser industriali in fibra con potenza di 100kW.

Tuttavia, solo negli ultimi anni, quando il prezzo per kilowatt delle apparecchiature laser è diminuito rapidamente, la soglia di accesso al taglio laser ad altissima potenza è stata abbassata e sono diventate disponibili anche teste di taglio in grado di sostenere una potenza laser così elevata in ambienti di taglio difficili.

Inoltre, i database di taglio che possono essere adattati alle apparecchiature di taglio ad altissima potenza stanno diventando sempre più sofisticati.

Test di taglio

La tabella mostra la velocità di taglio e la qualità di metalli diversi valutato utilizzando i laser in fibra YLS-40000 con 40kW e YLS-30000-ECO2 con 30kW ad alta efficienza di conversione elettrico-ottica, configurati con un diametro del nucleo della fibra di 100μm e la testa di taglio IPGCut-HP.

Secondo le attuali conoscenze, la potenza laser di 40kW con un diametro del nucleo della fibra di 100μm è attualmente la massima potenza laser che può essere fornita da una sorgente laser utilizzata nel taglio laser industriale.

Abbiamo scelto un diametro del nucleo della fibra di 100μm perché fornisce un aumento della velocità di taglio di 10-25% rispetto a un diametro del nucleo della fibra di 150μm.

Velocità di taglio più elevata

I nostri esperimenti hanno dimostrato che per tutti i metalli testati, tra cui l'acciaio inossidabile, l'acciaio al carbonio e l'alluminio, la velocità di taglio laser aumenta con l'aumentare della potenza media (fino a 40 kW).

La Figura 2 mostra l'aumento della velocità di taglio con la potenza del laser per il taglio di acciaio al carbonio di spessore 6-40 mm utilizzando la tecnologia di taglio ad aria compressa in un intervallo compreso tra 12kW e 40kW.

Il tasso di incremento della velocità aumenta con l'aumentare dello spessore del metallo.

Ad esempio, per il taglio di acciaio al carbonio di 12 mm di spessore, la velocità di taglio a 40kW è più veloce di 280% rispetto a quella a 15kW (con un aumento di potenza di 270%), mentre per l'acciaio al carbonio di 20 mm di spessore, la velocità di taglio a 40kW è più veloce di 420% rispetto a quella a 15kW. Per l'acciaio al carbonio di 30 mm di spessore, con l'aumento della potenza da 30kW a 40kW (con un incremento di potenza di 33%), la velocità di taglio aumenta di 66%.

Pertanto, i laser ad altissima potenza di maggiore potenza miglioreranno ulteriormente la produttività della lavorazione ad alto spessore. taglio delle lastre.

Per sfruttare la maggiore velocità di taglio offerta dai laser ad altissima potenza e ridurre in modo significativo i cicli di produzione, è necessario tagliare i pezzi ad alta accelerazione, soprattutto quelli più sottili.

Negli ultimi anni, l'accelerazione massima delle macchine per il taglio laser è passata da 1G a 3G per adattarsi a una maggiore potenza laser.

Nel mercato di fascia alta, l'accelerazione massima delle macchine di taglio laser ad altissima potenza può raggiungere i 6G e la loro progettazione meccanica può garantire che la traiettoria di taglio non subisca deviazioni significative.

Ridurre i costi di lavorazione e ottenere un rapido ritorno sull'investimento

Rispetto alle potenze inferiori, il taglio laser ad altissima potenza riduce in modo significativo il costo di lavorazione per unità e consente un più rapido ritorno dell'investimento e una maggiore redditività.

Nel taglio laser, il costo della lavorazione deriva principalmente dal consumo di gas, che spesso aumenta in modo significativo con l'aumentare dello spessore del pezzo.

Il taglio laser ad altissima potenza richiede una pressione del gas e dimensioni dell'ugello uguali o inferiori a quelle del taglio a bassa potenza.

Tuttavia, i laser ad altissima potenza hanno velocità di taglio più elevate, che riducono i tempi di taglio. tempo di taglio per unità e ridurre notevolmente il consumo di gas.

Ad esempio, rispetto a un laser da 15 kW, un laser da 30 kW può tagliare un tipico pezzo in acciaio inossidabile di 16 mm di spessore nella metà del ciclo di produzione, riducendo il consumo di gas della metà.

Il consumo di energia dei laser e dei refrigeratori d'acqua aumenta solitamente in modo lineare con la potenza del laser.

Tuttavia, l'altro consumo energetico delle macchine da taglio rimane pressoché invariato. Pertanto, nel caso precedente in cui il ciclo di produzione per unità è stato dimezzato, abbiamo ridotto il consumo energetico totale per unità aumentando la potenza del laser.

Con il continuo sviluppo della tecnologia PG, l'efficienza di conversione elettro-ottica dei laser in fibra ad alta potenza supera i 50%, favorendo così il risparmio energetico.

Oltre a velocità di taglio più elevate, i laser ad altissima potenza consentono anche di risparmiare sul consumo di gas. Rispetto al taglio con azoto, più costoso, o con ossigeno, più lento, i laser ad altissima potenza consentono di tagliare rapidamente e senza scorie l'acciaio al carbonio spesso utilizzando aria ad alta pressione.

Con il taglio ad ammoniaca e ad aria, l'altissima potenza consente di ridurre la pressione del gas necessaria per un taglio senza scorie.

Ad esempio, per il taglio di acciaio al carbonio di 20 mm di spessore senza scorie con un laser da 15kW, è necessaria una pressione del gas superiore a 16ba, mentre è sufficiente una pressione di 10-12bar quando si utilizza una potenza di 20kW o superiore.

Poiché il consumo di gas varia in modo approssimativamente lineare con la pressione (a parità di dimensioni dell'ugello), una depressurizzazione significativa contribuisce a ridurre il consumo di gas e a semplificare le specifiche delle apparecchiature di generazione del gas.

L'efficienza produttiva delle apparecchiature di taglio laser ad alta potenza è doppia rispetto a quella delle apparecchiature di taglio laser a bassa potenza, ma il prezzo delle apparecchiature non è doppio. Questo perché il costo per kilowatt diminuisce con l'aumentare della potenza del laser.

Inoltre, il costo dei laser di maggiore potenza è incluso nel costo totale dell'apparecchiatura, che aumenta marginalmente (rispetto alle apparecchiature laser di minore potenza).

Pertanto, le macchine di taglio laser ad altissima potenza possono raggiungere un'efficienza produttiva doppia grazie a una maggiore potenza laser, mentre i costi delle attrezzature aumentano solo di 30-40%.

Grazie all'efficienza produttiva notevolmente migliorata, le apparecchiature ad altissima potenza possono sostituire più apparecchiature a bassa potenza, riducendo di conseguenza lo spazio a terra, il numero di operatori e la preparazione dell'impianto.

D'altra parte, per garantire l'efficienza produttiva, i requisiti di affidabilità delle sorgenti laser e delle teste di taglio sono più elevati per le macchine di taglio laser in fibra ad altissima potenza.

In altre parole, per le sorgenti laser in fibra sono necessarie una potenza di uscita e una qualità del fascio stabili a lungo termine, che sono influenzate dalla qualità dei diodi, dei componenti e dell'integrazione ottica.

Le teste di taglio ad altissima potenza devono resistere all'elevata potenza laser, ai gas ad alta pressione, alla polvere, al calore di processo e all'alta accelerazione per ottenere una lavorazione stabile e affidabile.

• 1. La scala di produzione determina la scelta del gas da taglio.
• 2. È necessaria un'apparecchiatura che pressurizzi l'aria e filtri l'umidità e l'olio.
• 3. L'ossitaglio utilizza una bassa pressione (di solito 5-20psi) e ugelli di piccolo diametro.
• 4. Il taglio con azoto utilizza alta pressione e ugelli di grandi dimensioni.
• 5. L'aria, in quanto risorsa di gas da taglio, non ha alcun costo.
• 6. Livello di ossidazione e spessore dello strato ossidato.

Nuovo piano di taglio per il taglio dell'acciaio inossidabile

L'acciaio al carbonio può essere tagliato utilizzando ossigeno, azoto o aria come gas ausiliario.

La Figura 3 riassume i vantaggi e gli svantaggi dell'utilizzo di ciascun tipo di gas ausiliario.

Sebbene l'ossitaglio sia adatto al taglio di acciai al carbonio spessi con una potenza laser inferiore grazie all'energia di ossidazione aggiuntiva, l'efficienza di produzione è ridotta poiché la velocità di taglio non è proporzionale alla potenza del laser.

Al contrario, la velocità di taglio dell'acciaio al carbonio assistito ad aria è proporzionale alla potenza (vedere Figura 2).

Ad esempio, per l'acciaio al carbonio da 16 m con una potenza compresa tra 10kW e 30kW, la velocità di taglio con ossigeno rimane invariata a circa 2 m/min, mentre la velocità di taglio con aria è superiore a 9 m/min a 30kW, ovvero 4,5 volte più veloce della velocità di taglio con ossigeno.

Lo spessore che un tempo veniva tagliato solo con l'ossigeno a bassa potenza e velocità può ora essere lavorato con laser ad altissima potenza e aria, il che ha migliorato notevolmente la velocità e la qualità.

Per i laser a bassa potenza, il taglio in aria può causare scorie difficili da rimuovere e una scarsa qualità della superficie.

Per industrie come la produzione di attrezzature per l'edilizia e l'industria pesante con enormi quantità di lavorazione di lamiere spesse, questo innovativo ed efficiente piano di lavorazione ad altissima potenza è molto apprezzato.

(a) Taglio di acciaio inossidabile di 70 mm di spessore con azoto a una potenza di 30 kW;

(b) Taglio di acciaio al carbonio di 230 mm di spessore con aria ad una potenza di 40 kW.

Miglioramento dello spessore, della resa e della qualità del taglio della lamiera

I test hanno dimostrato che all'aumentare della potenza dei laser ad altissima potenza aumenta anche lo spessore di taglio. Ad esempio, la Figura 4 mostra il taglio di acciaio inossidabile di 70 mm di spessore con azoto a 30kW e il taglio di acciaio al carbonio di 230 mm di spessore con aria a 40kW, entrambi eseguiti in modalità di taglio a impulsi.

(a) Taglio ad aria di acciaio al carbonio di 28 mm di spessore a 4,5 m/min (177ipm) con laser IPG40 KW YLS;

(b) Taglio ad aria di acciaio inox di 40 mm di spessore a 2,3 m/min (90ipm) con laser YLS IPG40 kW;

(c) Taglio con azoto di acciaio inossidabile di spessore compreso tra 3 e 25 mm. profili in acciaio con laser IPG30 kW YLS-ECO;

(d) Taglio di acciaio al carbonio di 30 mm di spessore con ossigeno a una potenza di 15 kW.

Nella modalità di taglio a velocità piena a onda continua (CW), l'aria non scoria da 20 kW viene utilizzata per tagliare l'acciaio al carbonio di 20 mm di spessore, l'aria non scoria da 40 kW viene utilizzata per tagliare l'acciaio al carbonio di 30 mm di spessore e l'aria non scoria da 40 kW viene utilizzata per tagliare l'acciaio al carbonio di 40 mm di spessore (vedere Figura 2 e Figura 5). Per taglio dell'acciaio inossidabileè più facile ottenere un effetto anti-slag, quindi lo spessore massimo di taglio è maggiore di quello dell'acciaio al carbonio (vedere Figura 5b e Figura 5c).

Per il taglio continuo con azoto e aria, solo un certo spessore può ottenere un taglio senza scorie e una buona superficie di taglio a qualsiasi potenza. Oltre un certo spessore, per ottenere una qualità qualificata è necessario utilizzare il taglio a impulsi (a velocità inferiore rispetto a quello continuo), altrimenti è necessario aumentare la potenza del laser.

Di solito, una velocità di taglio inferiore a 2 m/min significa che la potenza del laser in modalità continua è insufficiente per ottenere la migliore qualità di taglio.

Per il taglio a ossigeno dell'acciaio al carbonio, aumentando la potenza si aumenta lo spessore massimo di taglio, garantendo al contempo una "superficie di taglio liscia". Ad esempio, lo spessore massimo di taglio con 4kW è di circa 6-8mm, mentre lo spessore massimo di taglio con 15kW è di 30mm. La Figura 5d mostra un campione di acciaio al carbonio di 30 mm di spessore tagliato con un laser da 15kW.

Piercing più veloci e puliti

Utilizzando l'elevata potenza di picco del laser ad altissima potenza in modalità impulsiva, è possibile perforare rapidamente i metalli spessi con meno schizzi. Il tempo di perforazione dell'acciaio inossidabile da 16 mm è stato notevolmente ridotto da >1 secondo a 6kW a 0,5 secondi a 10kW e 0,1 secondi a 20kW.

Nelle applicazioni pratiche, tempi di perforazione di ≤0,1 secondi sono solitamente considerati "istantanei". La maggiore potenza di picco aumenta il rapporto profondità/larghezza del bagno di fusione, consentendo una più rapida colmatura dello spessore con una minore fusione laterale. La riduzione della fusione laterale del materiale riduce inoltre al massimo gli spruzzi sulla superficie superiore.

Vantaggi competitivi del taglio laser ad altissima potenza

Negli ultimi sei anni, diversi sviluppi tecnologici hanno favorito il miglioramento delle prestazioni del taglio laser, tra cui:

• Determinazione della dimensione della macchia focale richiesta mediante la selezione di vari collimatori o fibre multi-core;
• Travi rotanti ad alta velocità che migliorano l'efficienza e la qualità della lavorazione di alcuni metalli;
• Laser continui ad alta potenza di picco per perforazioni e tagli complessi più rapidi e puliti;
• Laser ad altissima potenza.

Sebbene le esigenze dei diversi settori industriali siano diverse e tutte le tecnologie abilitanti siano utilizzate in aree specifiche, il taglio laser ad altissima potenza è una tendenza tecnologica di punta che guida il miglioramento delle prestazioni del taglio laser.

Ciò è dimostrato dalla diffusa adozione di laser ad altissima potenza nelle macchine da taglio laser in tutto il mondo.

Man mano che un numero sempre maggiore di tecnici applicativi adotta i laser ad altissima potenza, si rende conto che i vantaggi produttivi e qualitativi delle macchine da taglio ad altissima potenza sono molteplici e superano quelli delle tecnologie a bassa potenza laser con minore complessità.

I laser ad altissima potenza presentano vantaggi significativi in termini di spessore di taglio, qualità ed economicità per il taglio di lamiere spesse, soprattutto con potenze di 15kW e superiori, rendendoli più competitivi rispetto ai laser a corrente elevata. Taglio al plasma macchine.

I test comparativi mostrano che per l'acciaio inossidabile fino a 50 mm di spessore, un laser in fibra da 20 kW è 1,5-2,5 volte più veloce di una macchina per il taglio al plasma ad alta corrente (300A). Per l'acciaio al carbonio, inoltre, la velocità di taglio fino a 15 mm di spessore è più che doppia.

I calcoli mostrano che per l'acciaio al carbonio di 15 mm di spessore, il costo totale di taglio per metro con un laser da 20 kW è circa la metà di quello con il plasma.

Grazie alla velocità di taglio più elevata per sezioni di acciaio inossidabile di 12-50 mm di spessore e per sezioni di acciaio a basso tenore di carbonio di 12-30 mm di spessore rispetto al taglio al plasma ad alta potenza, l'utilizzo di un laser da 40 kW per questi materiali produce una differenza di produttività ancora maggiore.

Adozione di laser ad altissima potenza

Rispetto ai laser a bassa potenza e ad altri processi di taglio (come il taglio al plasma), la principale forza trainante dell'adozione dei laser ad altissima potenza per il taglio è la maggiore produttività e i minori costi di taglio per pezzo.

I vantaggi in termini di velocità derivanti dall'utilizzo di laser ad altissima potenza consentono ai produttori di realizzare economie di scala; ad esempio, aumentando la potenza da 30kW a 40kW la velocità di taglio aumenta di 66%.

I laser ad altissima potenza consentono un taglio ad aria di alta qualità e rapido dell'acciaio al carbonio, più vantaggioso rispetto al più lento taglio con ossigeno e al più costoso taglio con azoto. Nei nostri test, l'utilizzo di un taglio ad aria compressa da 40 kW per tagliare acciaio al carbonio fino a 50 mm di spessore è stato da tre a quattro volte più veloce del taglio al plasma ad alta potenza.

I laser ad altissima potenza rendono il taglio laser più competitivo in molti altri modi. Ad esempio, aumentando lo spessore e la qualità del taglio (si possono tagliare materiali fino a 230 mm di spessore), riducendo o eliminando i costi di post-lavorazione (riducendo al massimo le scorie appese), riducendo l'ingombro e i costi della struttura, diminuendo i requisiti di manodopera e migliorando la qualità e la resa della perforazione.

Con il continuo miglioramento della potenza e dell'efficienza dei laser ad altissima potenza, questi vantaggi diventeranno ancora più evidenti, aumentando la loro capacità di cambiare rapidamente ed economicamente le applicazioni di taglio in diversi settori.