Composizione del materiale e qualità del taglio laser: Comprendere la relazione

La tecnologia del taglio laser ha rivoluzionato la lavorazione dei metalli, superando i metodi tradizionali grazie alla sua economicità, alla rapidità di produzione, alla precisione e alla qualità superiore. Questa tecnica avanzata è diventata indispensabile per la lavorazione dell'acciaio al carbonio, dell'acciaio inossidabile, del rame, dell'alluminio e di vari metalli non ferrosi, affermandosi come una pietra miliare nella moderna lavorazione dei metalli.

Nonostante la sua ampia diffusione, il taglio laser deve affrontare alcune sfide. Un problema notevole si presenta quando si lavorano lastre di acciaio al carbonio di spessore identico ma di composizione diversa utilizzando parametri di taglio laser coerenti. La qualità della superficie tagliata presenta variazioni significative, evidenziando la complessa interazione tra le proprietà del materiale e le interazioni laser-materiale.

Per chiarire la relazione tra la composizione della lamiera e la qualità del taglio, sono stati condotti studi completi. Queste indagini hanno utilizzato lastre di acciaio al carbonio di diversi spessori e composizioni chimiche, impiegando laser a fibra ad alta potenza da 6 a 30 kW. Gli esperimenti hanno esplorato sia i processi di taglio assistiti dall'ossigeno che quelli assistiti dall'aria, fornendo un ampio spettro di dati da analizzare.

Questa ricerca mira a ottimizzare i parametri di taglio laser per specifiche composizioni di materiali, migliorando la qualità del taglio e l'efficienza del processo. La comprensione di queste sfumature è fondamentale per ottenere risultati coerenti e di alta qualità su diversi tipi di acciaio al carbonio, migliorando la precisione di produzione e riducendo gli scarti di materiale nelle applicazioni industriali.

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1. Attrezzature e metodi sperimentali

1.1 Attrezzature sperimentali

L'esperimento è stato condotto utilizzando un laser a fibra da 30KW, un laser multimodale a uscita continua con una lunghezza d'onda del fascio di 1080nm e un diametro del nucleo di 150 μm. Il testa del laser utilizzata nell'esperimento è stata la testa laser Genius 30 (30KW).

La lunghezza focale del quasi-diametro della testa laser era di 100 mm e lo specchio di messa a fuoco aveva una lunghezza focale di 200 mm, che consentiva la messa a fuoco automatica. Per garantire un funzionamento stabile del laser a fibre ottiche da 30KW e mantenerne le prestazioni ottimali, è stato utilizzato come apparecchiatura ausiliaria un raffreddatore ad acqua con una capacità di raffreddamento di 70,0KW.

Fig. 1 - Laser sperimentale, testa del laser

1.2 Materiali ausiliari

Per garantire l'accuratezza, l'efficienza e la chiarezza dei dati sperimentali, i materiali di prova utilizzati in questo esperimento sono stati piastre di acciaio al carbonio di diverso spessore, tra cui Q235, Q345e l'acciaio al carbonio Q460. Per maggiori dettagli, consultare la scheda tecnica della piastra sperimentale.

Il gas ausiliario utilizzato era ossigeno 99,9%, con una pressione di alimentazione dell'aria di 5 bar. Per garantire un numero sufficiente di ugelli, per l'esperimento sono stati preparati gli ugelli elencati nella scheda tecnica degli ugelli sperimentali.

Tabella 1 Scheda tecnica della piastra sperimentale

Tabella 2 Scheda tecnica dell'ugello sperimentale

1.3 Metodi sperimentali

A condizione che la qualità dello spot dell'apparecchiatura (la fibra ottica e la testa del laser erano pulite e non danneggiate, verificate attraverso un test su carta fotografica), la pressione dell'aria (l'ossigeno è stato mantenuto a 5 bar e l'aria a 11 bar) e le lenti interne della testa del laser (pulite, prive di sporcizia e bruciature) fossero normali, i moduli interni sono stati controllati attraverso il software di controllo interno del laser e la potenza massima di uscita è stata regolata rispettivamente a 12KW, 20KW e 30KW.

Gli esperimenti di taglio sono stati eseguiti su diversi tipi e spessori di lastre descritti nella Tabella 1, con i tre stati di potenza sopra menzionati. Il perimetro del campione tagliato era di 205,6 mm, come illustrato nella Fig. 2.

I campioni tagliati sono stati analizzati e confrontati esaminando la densità di porosità, la rugosità e i corrispondenti parametri di processo sulla superficie dei campioni tagliati.

Fig. 2 - Schema di taglio del campione

2. Risultati del test

2.1 Analisi dei parametri di taglio

Durante l'esperimento, i cinque fattori che influenzano la velocità di taglio (potenza del laserpressione del gas di taglio, focalizzazione e apertura dell'ugello) sono stati presi in considerazione per garantire che i campioni dopo il taglio si stacchino automaticamente, senza scorie, bruciature e goccioline, e abbiano un'elevata finitura superficiale. I parametri del processo sono stati regolati per ottenere il miglior effetto di taglio per diversi materiali e spessori.

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Per i parametri specifici, vedere la Tabella 3.

Tabella 3 Tabella dei parametri sperimentali

2.1.1 Analisi della velocità di taglio

I dati riportati nella Tabella 3 mostrano che, con una potenza laser di 20KW come sfondo di prova, le velocità di taglio di piastre di spessore 20 mm e 30 mm in Q345, Acciaio 45#, NM400 e T10 sono stati confrontati, come mostrato nella Figura 3.

A parità di potenza laser, di spessore della lastra e di ossigeno come gas ausiliario, la lastra T10 presentava la velocità di taglio più bassa, mentre la NM400 quella più veloce. Non è stata riscontrata alcuna differenza significativa tra le velocità di taglio dell'acciaio Q345 e 45#.

Si può concludere che il contenuto di carbonio nel materiale da taglio ha l'impatto più significativo sulla velocità di taglio. Con l'aumentare del contenuto di carbonio nella lastra aumenta, la velocità di taglio della lastra di uguale spessore diminuisce gradualmente. Inoltre, all'aumentare del contenuto di elementi rari (come Cr, Ni) nella lastra, la velocità di taglio diminuisce gradualmente.

Fig. 3-20KW Confronto della velocità di taglio

2.1.2 Analisi della pressione dell'aria ausiliaria

Taglio laser acciaio al carbonio con ossigeno come gas ausiliario funziona sfruttando l'energia generata dalla sorgente di luce laser e la reazione di ossidazione durante il processo di taglio.

È evidente che la pressione dell'ossigeno ha un effetto significativo sui vari tipi di lastre.

La tabella 4 dei dati di processo relativi al taglio di lamiere Q345, 45# e T10 da 20 mm e 30 mm con un laser da 20KW, come mostrato nella tabella 3, rivela che per diversi tipi di lamiere con lo stesso spessore, la pressione del gas ausiliario aumenta all'aumentare del contenuto di carbonio nelle lamiere, per ottenere risultati di taglio ottimali.

Fig. 4-20KW Diagramma di confronto della pressione dell'aria ausiliaria

2.1.3 Analisi del taglio

I dati del test precedente mostrano che quando si tagliano acciaio Q235, Q345, 45# e T10 con lo stesso spessore e si utilizza l'ossigeno come gas ausiliario di taglio, l'acciaio 45# e l'acciaio T10 contengono più carbonio rispetto a Q235 e Q345.

Durante il processo di taglio, sulla superficie si forma un gran numero di pori di anidride carbonica che causano una superficie ruvida.

L'effetto di taglio rimane invariato quando il fuoco di taglio varia entro ±1, quindi il fuoco può essere ridotto per migliorare la velocità di taglio. Tuttavia, l'effetto di taglio di Q235 e Q345 è sensibile al fuoco di taglio, quindi non hanno questo vantaggio.

2.2 Analisi dell'effetto della messa in servizio

La tabella seguente mostra i risultati del taglio di diversi tipi e spessori di lastre utilizzando vari gas ausiliari e potenze di taglio.

Come mostrato nella Tabella 4, è evidente che gli effetti di taglio di diversi tipi di lastre con lo stesso spessore sono stati confrontati utilizzando la stessa potenza di taglio.

I risultati hanno indicato una differenza significativa in rugosità della superficie tra i campioni tagliati da diversi materiali, con il campione Q345B che ha mostrato il miglior effetto di taglio. La pelle di ossido superficiale era sottile e la rugosità superficiale era minima.

D'altra parte, la pelle di ossido sulla superficie di taglio del campione NM400 ha mostrato un'evidente stratificazione. Il lato superiore della superficie di taglio era liscio, mentre il lato inferiore presentava una pelle di ossido più spessa, con conseguente maggiore rugosità superficiale del campione.

Il taglio del campione 45# era ruvido, con un'evidente sporgenza della pelle di ossido sul lato inferiore.

Il campione T10 ha avuto l'effetto di taglio più scadente, con una superficie ruvida, numerosi pori e un'evidente pelle di ossido sul lato inferiore.

In confronto, le superfici di taglio Q345B, NM400 e 45# presentavano una migliore rugosità superficiale della pelle di ossido rispetto alla piastra T10.

Tabella 4 Tabella degli effetti sperimentali

2.2.1 Analisi del punto di fusione dei materiali

Questo esperimento ha testato quattro tipi di materiali: Q235, Q345B, NM400 e piastre di acciaio al carbonio 45#. Il loro contenuto di carbonio è rispettivamente 0,22%, 0,20%, 0,25% e 0,47%.

Esaminando il diagramma di fase ferro-carbonio nella Figura 5, si può osservare che la temperatura del punto di fusione di questi quattro materiali è di circa 1500°C.

Taglio laser dell'acciaio al carbonio utilizza il laser come fonte di calore di preriscaldamento e l'ossigeno come gas ausiliario. Questo crea una reazione di ossidazione altamente esotermica con i materiali, rilasciando una quantità significativa di energia di ossidazione (come mostrato nella seguente formula).

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

È stato accertato che la temperatura nel punto di lavorazione della lastra ha superato i 1726,85°C a causa dell'energia rilasciata dal laser e del processo di ossidazione durante la lavorazione. lavorazione laser. Questa temperatura è significativamente superiore ai punti di fusione dei materiali Q235, Q345B, NM400 e 45#.

Sulla base di questa analisi, si può concludere che i punti di fusione di questi materiali hanno un impatto limitato sull'effetto delle scaglie di ossido sulla superficie dopo il taglio.

Fig. 5 Diagramma di fase Fe-C

2.2.2 Analisi della composizione chimica dei materiali

La composizione chimica delle diverse piastre di acciaio utilizzate in questo esperimento è stata determinata con un analizzatore di spettro. I risultati sono riportati nella Tabella 5.

Tabella 5 Analisi degli elementi chimici

1) Analisi del contenuto di elementi Mn

Secondo la Tabella 5, che confronta gli elementi del Q235 e del Q345B, entrambi i materiali sono classificati come acciai a basso tenore di carbonio. Il contenuto di altri elementi nei materiali non è significativamente diverso, ad eccezione del contenuto di manganese, che è 0,65% per il Q235 e 1,70% per il Q345B. Questa differenza nel contenuto di manganese serve come punto di riferimento per esplorare la relazione tra la qualità del taglio laser e il contenuto di manganese nel materiale.

Gli effetti della superficie di taglio dei due materiali sono riportati nella Figura 6. I risultati mostrano che la superficie è pulita e brillante, con una rugosità superficiale simile, e i parametri sperimentali sono stati mantenuti costanti.

Sulla base di questi risultati, si può concludere che l'elemento Mn ha un leggero impatto sull'effetto di taglio laser dell'acciaio convenzionale a basso tenore di carbonio.

Q235-20kw-20mm

Q345B-20kw-20mm

Fig. 6

2) Analisi del contenuto degli elementi S

I dati forniti nella tabella mostrano che la differenza massima nel contenuto di elementi di zolfo (S) tra le lastre è solo di 0,05%. Questa informazione non è sufficiente per determinare l'impatto del contenuto di elementi S sulla qualità del taglio.

Un'ulteriore analisi dei dati rivela che quando il contenuto di manganese (Mn) e di zolfo (S) nella piastra si aggira rispettivamente intorno a 0,5% e 0,25%, le scorie sul fondo della superficie di taglio aumentano con l'aumentare dello spessore della piastra, portando a una graduale diminuzione della qualità di taglio.

Tabella 6 Confronto tra gli elementi S e Mn

3) Analisi del contenuto di elementi Si

È stato osservato che quando il contenuto di elementi di silicio (Si) nella lastra metallica è inferiore a 0,25%, la velocità di taglio della lastra di carbonio è inferiore a 0,25%. lamiera d'acciaio con un contenuto di Si superiore a 0,25% è più lento di 20% rispetto a quello delle lamiere di acciaio al carbonio con un contenuto di Si inferiore a 0,25%. Inoltre, sul fondo della piastra si produrrà una quantità sostanziale di scorie.

4) Analisi del contenuto dell'elemento C

Confrontando il contenuto di elementi di Q235, 45# e T10, si scopre che Q235 è classificato come acciaio a basso tenore di carbonio, 45# come acciaio a medio tenore di carbonio e T10 come acciaio ad alto tenore di carbonio.

Esaminando la tabella degli elementi, si nota che le uniche differenze significative sono tra il carbonio (C) e il manganese (Mn).

In presenza di temperature elevate e di una quantità sufficiente di ossigeno come gas ausiliario, il carbonio reagisce con l'ossigeno nel modo seguente:

C+O₂→CO₂(g)（393,5KJ/mol）

L'analisi teorica mostra che, all'aumentare del contenuto di carbonio nel materiale, aumenterà anche la quantità di anidride carbonica prodotta dalla reazione di ossidazione in presenza di ossigeno come gas ausiliario, con conseguente aumento del numero di pori sulla superficie di taglio del materiale.

La Figura 4 illustra che all'aumentare del contenuto interno di carbonio dell'acciaio Q235, 45# e T10, aumenta di conseguenza anche il numero di pori sulla superficie di taglio.

Fig. 7 - Grafico di confronto del contenuto di carbonio dei materiali

Confrontando inizialmente i materiali Q235 e Q345B, è emerso che il contenuto di manganese (Mn) ha un impatto minimo sull'effetto di taglio effettivo e può essere trascurato.

La Figura 8 mostra l'effetto di taglio effettivo dei tre materiali con lo stesso spessore. I risultati mostrano che la superficie del Q235 è brillante con bassa rugosità, la superficie del 45# è ruvida con una pelle di ossido significativamente più spessa nella parte inferiore e la superficie del T10 è la più ruvida con la pelle di ossido più spessa.

Dai risultati effettivi dei test, si può concludere che il contenuto di carbonio nel materiale ha un impatto notevole sull'effetto di taglio. All'aumentare del contenuto di carbonio, aumenta il numero di pori sulla superficie di taglio, lo spessore della pelle di ossido superficiale diventa più spesso e la rugosità della superficie diventa maggiore.

Fig. 8-Q235-30kw-40mm (sinistra), 45 # - 30kw-40mm (centro), T10-30kw (destra)

5) Analisi del contenuto di elementi di Ni

La Tabella 7 mostra i tipi e i contenuti di elementi chimici nei materiali Q235 e Q460. È evidente la differenza nel contenuto di elementi di nichel (Ni) tra i due materiali.

Di conseguenza, le prove di taglio sono state eseguite su lastre dello stesso spessore per entrambi i materiali. I risultati della qualità di taglio effettiva sono illustrati nella Figura 10.

Non si notano differenze nelle striature superficiali, nello spessore della pelle di ossido e nella rugosità della superficie.

Sulla base di questi risultati, si può concludere che nell'acciaio convenzionale a basso tenore di carbonio, il contenuto di nichel non ha un impatto significativo sulla qualità di taglio dei laser ad alta potenza.

Fig. 9 - Grafico di confronto del contenuto di nichel nei materiali

Tabella 7 Confronto tra gli elementi del Ni

Q460-20mm-20KW

Q235-20mm-20KW

Fig. 10

6) Analisi del contenuto degli elementi di Cr

Confrontando il contenuto di elementi nelle lastre, si osserva che il contenuto di cromo (Cr) nei materiali NM400 e Q690 è significativamente più alto rispetto agli altri materiali, come illustrato nella Figura 4.2-5.

Fig. 11 Grafico di confronto del contenuto di cromo nei materiali

Durante il processo di taglio laserLa maggior parte degli elementi della lastra si ossida con il gas ausiliario, l'ossigeno, e rilascia una grande quantità di calore quando il laser rilascia calore. Ciò comporta la formazione di una significativa zona termicamente alterata sulla superficie della lastra.

In questa zona termicamente alterata, il cromo (Cr) presente nella lastra si ossida con l'ossigeno e produce una massa densa di Cr₂O₃ e altri ossidi, che aumentano con la temperatura locale. L'ossido cresce gradualmente e forma una struttura granulare simile a un cluster, come mostrato nella Figura 12.

Nel corso del tempo, una Cr₂O₃ Sulla pelle dell'ossido si forma un'alta tensione superficiale e meno incline alla fessurazione. taglio del metallo che impedisce la reazione di ossidazione tra gli elementi sotto la superficie del Cr₂O₃ e l'ossidazione di O₂ (come mostrato nella Figura 13). Ciò comporta una rugosità superficiale significativamente bassa sul lato inferiore delle superfici di taglio NM400 e Q690 (come mostrato nella Figura 14).

Si può concludere che l'effetto di taglio peggiora con l'aumento del contenuto di Cr nel materiale e la pelle di ossido sul fondo del campione diventa più spessa.

Fig. 12 - Diagramma di fase delle particelle clusterizzate

Fig. 13 - Diagramma di analisi dello strato di ossido della superficie di taglio laser

Display effetto taglio 20 mm NM400

Display effetto taglio 20 mm Q690

Fig. 14

2.3 Analisi della zona colpita dal calore

È chiaro che la qualità del taglio laser è legata alla zona termicamente influenzata sulla superficie della lastra da tagliare. Se la zona di calore non è controllata, può causare distorsioni, crepe, fragilità, ecc. sulla superficie della lastra tagliata.

In base al confronto dei dati della Figura 15, è noto che la potenza di taglio del laser è il fattore principale che influenza la larghezza della fenditura di taglio, mentre la velocità di taglio è il fattore principale che influenza le striature e la rugosità della superficie di taglio.

Pertanto, nel taglio laser, si raccomanda di regolare i parametri di processo il più possibile per ridurre al minimo l'area della zona termicamente influenzata sulla superficie della lastra, al fine di ridurre la deformazione e l'arricchimento dei componenti.

Fig. 15 - Influenza della potenza e della velocità sul taglio e sulla superficie di taglio

Durante l'effettivo processo di prova, i parametri del processo di taglio sono stati ottimizzati per garantire superfici di taglio lisce e caduta libera di campioni di diverso tipo e spessore.

A parità di potenza di taglio, non vi è alcuna differenza sostanziale nella larghezza delle fenditure tra i diversi tipi e con lo stesso spessore.

Di conseguenza, l'area della zona colpita dal calore di materiali con lo stesso spessore è simile a parità di potenza e ha solo un impatto minimo sulla rugosità superficiale effettiva e può essere trascurata.

3. Conclusione

I fattori che influenzano la qualità di taglio dell'acciaio al carbonio attraverso l'ossitaglio includono la composizione delle leghe, la microstruttura del materiale, la conducibilità termica, il punto di fusione e il punto di ebollizione.

I metalli ad alto contenuto di carbonio hanno in genere punti di fusione elevati, che li rendono difficili da fondere, con conseguente aumento dei tempi di taglio e perforazione.

Ciò si traduce in un taglio più ampio e in un'espansione della zona superficiale interessata dal calore, con conseguente instabilità della qualità di taglio.

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Inoltre, un elevato contenuto di leghe aumenta la viscosità del metallo liquido e incrementa il rapporto tra spruzzi e scorie, imponendo maggiori esigenze di regolazione della potenza del laser e della pressione di soffiaggio dell'aria durante la lavorazione.

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I test sopra descritti mostrano che quando si utilizza l'ossigeno come gas ausiliario, l'effetto della superficie di taglio peggiora e la rugosità superficiale aumenta significativamente all'aumentare del contenuto di elementi C e Cr nel materiale. Quando invece si utilizza l'aria come gas ausiliario, l'effetto di taglio rimane sostanzialmente invariato a parità di spessore e potenza.

Per garantire la qualità e l'efficienza del taglio, i tipi di gas ausiliari consigliati per le diverse potenze di taglio e i diversi materiali sono elencati nella tabella seguente:

1. Impatto del contenuto di carbonio:

A parità di potenza laser, con l'aumento del contenuto di carbonio, la velocità di taglio diminuisce gradualmente, mentre la superficie del campione diventa più ruvida, la pelle di ossido diventa più spessa e l'effetto complessivo si deteriora, portando a una riduzione del limite di spessore delle piastre di taglio laser.

2. Impatto del contenuto di cromo:

Con l'aumento del contenuto di cromo, la pelle di ossido sul fondo della superficie del campione si accumula e si ispessisce notevolmente, causando la ruvidità della superficie di taglio dall'alto verso il basso.

3. Impatto del contenuto di silicio:

Quando il contenuto di silicio nel materiale supera 0,25%, la velocità di taglio diminuisce significativamente con l'aumentare del contenuto di silicio e le scorie compaiono sul fondo del campione di taglio.

4. Contenuto di nichel:

Il contenuto di nichel ha un effetto limitato sulla qualità del prodotto. laser ad alta potenza taglio.

5. Impatto del contenuto di manganese e zolfo:

Quando il contenuto di manganese e zolfo nel materiale è rispettivamente di 0,5% e 0,04%, le scorie sul fondo del taglio aumentano gradualmente all'aumentare dello spessore della piastra.