Immaginate di tagliare l'acciaio inossidabile di 230 mm di spessore come se fosse burro. I laser in fibra ad altissima potenza, da 10kW a 40kW, rivoluzionano il settore del taglio con velocità e precisione senza precedenti. Questo articolo esplora gli incredibili progressi della tecnologia laser, rivelando come questi potenti laser aumentino significativamente la produttività e riducano i costi. Scoprite come l'utilizzo dell'aria al posto dei gas tradizionali come azoto e ossigeno renda il taglio più veloce ed efficiente. Immergetevi nel mondo del taglio laser in fibra ad altissima potenza e scoprite come sta trasformando la lavorazione dei metalli.
I laser in fibra ad altissima potenza sono in grado di ottenere un taglio rapido e di alta qualità di lamiere spesse, che include l'uso di aria come gas ausiliario per tagliare l'acciaio inossidabile, e offrono diversi vantaggi rispetto ad altri metodi di taglio.
Negli ultimi anni, i laser in fibra ad altissima potenza (UHP), con potenze comprese tra 10kW e 40kW, sono stati rapidamente adottati nel mercato del taglio e si prevede che la potenza massima del laser per le applicazioni di taglio continuerà ad aumentare.
In questo articolo illustreremo gli effetti delle applicazioni di taglio all'interno di questa gamma di potenza e discuteremo i principali fattori che guidano l'applicazione dei laser in fibra ad altissima potenza, tra cui i significativi vantaggi in termini di produttività, i miglioramenti nella qualità del taglio e la capacità di tagliare materiali più spessi, come l'acciaio inossidabile spesso 230 mm a 40kW.
Ai fini di questo articolo, per laser ad altissima potenza si intendono quelli con una potenza superiore a 10kW, che consentono nuovi metodi di processo in grado di espandere taglio laser in nuovi mercati. Uno di questi metodi è l'uso dell'aria come gas ausiliario per tagliare l'acciaio inossidabile fino a 50 mm di spessore, ottenendo velocità di taglio fino a 4 volte superiori rispetto alle macchine ad alta potenza. Taglio al plasma.
I risultati dell'applicazione dimostrano che i laser ad altissima potenza stanno trasformando il taglio dell'acciaio inox utilizzando taglio ad aria invece della tecnologia di taglio con azoto e ossigeno, ottenendo un taglio di alta qualità, ad alta velocità ed economico.
Tendenza di sviluppo a 6 anni: massima potenza del laser per applicazioni di taglio
Fig. 1: Crescita della potenza massima del laser a fibra utilizzato nelle apparecchiature di taglio dal 2016
La tecnologia del taglio laser è nata più di 50 anni fa e da allora ha conosciuto un rapido sviluppo. Negli anni '70 è stata introdotta la prima macchina da taglio laser commerciale, che i primi utilizzatori hanno utilizzato per la produzione di massa.
Negli anni '80, Taglio laser CO2 e alla fine degli anni '90 e all'inizio degli anni 2000 sono stati introdotti i laser in fibra ad alta potenza. Alla fine degli anni 2000, lo sviluppo di laser ottici della classe kilowatt taglio laser in fibra macchine hanno reso il taglio laser una tecnologia di produzione mainstream a partire da un'applicazione su piccola scala.
Le macchine per il taglio laser in fibra occupano una posizione di rilievo nel settore del metallo. taglio laser delle lastre per la facilità di integrazione, l'affidabilità, i bassi costi di manutenzione e di esercizio, l'elevata potenza di taglio e la possibilità di espansione della potenza.
Tra la fine degli anni 2010 e l'inizio del 2020, il mercato del taglio laser ha registrato una crescita in due direzioni. La prima tendenza riguarda la fascia di mercato a bassa potenza, con un forte aumento della domanda di macchine da taglio da 1-3kW in seguito alla diminuzione dei costi di capitale delle apparecchiature.
La seconda tendenza riguarda il mercato finale ad alta potenza, che porta a un aumento della domanda di laser ad altissima potenza. Ciò è dovuto all'elevata produttività e alle capacità tecniche offerte dai laser ad altissima potenza con un elevato rapporto costo-prestazioni. Il settore del taglio laser ha subito una "trasformazione di potenza" senza precedenti, che non ha eguali in altri settori. produzione di lamiere processi dello stesso periodo.
Dalle fiere di lavorazione e produzione, possiamo vedere che la potenza massima del laser delle macchine da taglio esposte è passata da 6kW nel 2015 a 40kW nel 2022, con un aumento di quasi 7 volte (vedi Fig. 1). Solo negli ultimi tre anni, la potenza massima delle apparecchiature laser è passata da 15kW a 40kW, con un netto aumento di 2,5 volte!
Prima che emergesse la tendenza del taglio ad altissima potenza, già alcuni anni fa erano disponibili laser in fibra affidabili ad alta potenza. Già nel 2013 sono stati introdotti laser in fibra industriali con una potenza di 100kW.
Tuttavia, solo negli ultimi anni il prezzo per kilowatt dei laser è diminuito rapidamente, abbassando la soglia per il taglio laser ad altissima potenza. A questa tendenza ha contribuito anche lo sviluppo di teste di taglio in grado di sopportare potenze laser elevate in ambienti di taglio difficili.
Inoltre, il database di taglio in grado di adattarsi alle apparecchiature di taglio ad altissima potenza è in continuo miglioramento, fornendo capacità di taglio più precise.
Questo test impiega i laser in fibra IPG 40kW YLS-40000 e IPG 30kW YLS-30000-ECO2 ad alta efficienza di conversione elettro-ottica, insieme a un nucleo di fibra di 100 µm di diametro e alla testa di taglio IPGCut-HP, per valutare la velocità e la qualità di taglio di vari metalli.
A nostra conoscenza, la potenza laser di 40kW e il diametro del nucleo della fibra di 100 µm rappresentano la più alta potenza laser disponibile in ambito industriale. luce di taglio laser fonte.
Abbiamo scelto un diametro del nucleo della fibra di 100 µm in quanto fornisce una velocità di taglio 10-25% superiore a quella di un nucleo di 150 µm.
Taglio di acciaio al carbonio con aria come gas ausiliario
Velocità di taglio in funzione della potenza del laser
Fig. 2: Schema della velocità di taglio e della potenza del taglio ad aria libera di scorie di acciaio al carbonio
I nostri esperimenti dimostrano che il velocità di taglio laser aumenta all'aumentare della potenza media (fino a 40kW) per tutti i metalli testati, compresi acciaio inossidabile, acciaio al carbonio e alluminio.
La Figura 2 illustra la relazione tra la velocità di taglio e la potenza del laser per l'acciaio al carbonio da 6 a 40 mm con aria, tra 12kW e 40kW. La velocità di crescita aumenta con lo spessore del metallo.
Ad esempio, nel taglio di acciaio al carbonio di 12 mm di spessore, la velocità di taglio di 40kW è 280% più veloce di quella di 15kW (con 270% di potenza in più). Tagliando acciaio al carbonio di 20 mm di spessore con 40kW si ottiene una velocità di taglio superiore di 420% rispetto a quella di 15kW. Il taglio di acciaio al carbonio di 30 mm con un aumento di potenza di 33%, da 30 kW a 40 kW, comporta un aumento della velocità di taglio di 66%.
Pertanto, i laser ad altissima potenza, con livelli di potenza più elevati, possono migliorare ulteriormente l'efficienza dei laser ad alto spessore. taglio delle lastre. Tuttavia, per abbreviare significativamente il ciclo di produzione sfruttando la maggiore velocità di taglio offerta dal laser ad altissima potenza, è essenziale tagliare i pezzi, soprattutto quelli più sottili, ad alta accelerazione.
Negli ultimi anni, l'accelerazione massima delle macchine da taglio laser è aumentata da 1G a 3G per adattarsi a potenze laser più elevate. Nel mercato di fascia alta, l'accelerazione delle macchine per il taglio laser ad altissima potenza può raggiungere al massimo i 6G e il loro design meccanico garantisce che non ci siano deviazioni evidenti nel percorso di taglio.
Rispetto alle opzioni di potenza inferiore, il taglio laser ad altissima potenza riduce in modo significativo il costo di lavorazione dei pezzi, portando a un più rapido ritorno dell'investimento e a una maggiore redditività.
Nel taglio laser, il costo di lavorazione deriva principalmente dal consumo di gas, che in genere aumenta con lo spessore del componente. Tuttavia, 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. La velocità di taglio del laser ad altissima potenza è più elevata, il che riduce il consumo di gas. tempo di taglio di parti dell'unità e riduce notevolmente il consumo di gas.
Ad esempio, un laser da 30 kW può tagliare un tipico pezzo in acciaio inossidabile di 16 mm di spessore nella metà del ciclo di produzione di un laser da 15 kW, riducendo il consumo di gas della metà.
Mentre il consumo di energia dei laser e dei refrigeratori di solito aumenta linearmente con la potenza del laser, il consumo di energia degli altri componenti del plotter rimane invariato. Pertanto, l'aumento della potenza del laser riduce il costo energetico totale di ciascun componente. Con il continuo sviluppo della tecnologia IPG, l'efficienza di conversione elettro-ottica dei laser in fibra ad alta potenza è superiore a 50%, con conseguente ulteriore risparmio energetico.
I laser ad altissima potenza consentono anche di risparmiare sul consumo di gas. L'aria ad alta pressione può essere utilizzata per tagliare rapidamente e senza scorie l'acciaio al carbonio spesso, evitando il più costoso azoto o la più lenta velocità di taglio dell'ossigeno. L'altissima potenza consente anche di ridurre la pressione dell'aria necessaria per il taglio senza scorie nel taglio con azoto e aria.
Ad esempio, l'utilizzo di un laser da 20kW o di potenza superiore per tagliare acciaio al carbonio di 20 mm di spessore richiede solo 10-12 bar di pressione dell'aria, mentre un laser da 15kW richiede più di 16 bar. Questa significativa depressurizzazione contribuisce a ridurre il consumo di gas e semplifica 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, mentre il prezzo delle apparecchiature non è doppio. Questo perché il costo per kilowatt diminuisce con l'aumentare della potenza del laser. Il costo dei laser di maggiore potenza è incluso nel costo totale dell'apparecchiatura e mostra una crescita marginale rispetto alle apparecchiature laser di minore potenza.
Pertanto, la macchina da taglio laser ad altissima potenza può raggiungere un'efficienza produttiva doppia grazie a una maggiore potenza laser, mentre il costo dell'apparecchiatura è aumentato solo di 30-40%. Grazie al significativo miglioramento dell'efficienza produttiva, le apparecchiature ad altissima potenza possono sostituire più apparecchiature a bassa potenza, riducendo lo spazio a terra, gli operatori e la preparazione della struttura.
Per assicurare l'efficienza della produzione, la potenza ultraelevata macchina per il taglio laser in fibra richiede una maggiore affidabilità della sorgente laser e della testa di taglio. Una potenza di uscita e una qualità del fascio stabili sono necessarie per la laser a fibra ottica che è influenzata dalla qualità dei diodi, dei componenti e dell'integrazione ottica. La testa di taglio ad altissima potenza deve sopportare un'elevata potenza laser, gas ad alta pressione, polvere, calore di processo e alta accelerazione per ottenere una lavorazione stabile e affidabile.
| Articolo | Ossigeno | Azoto | Aria ad alta pressione |
| Costo dell'attrezzatura per il gas | basso | da basso ad alto | alto |
| Costo del funzionamento del gas | basso | alto | molto basso |
| Flusso | basso | molto alto | molto alto |
| Scorie | Nessuno/Basso | medio | nessuno/basso |
| Ripetibilità a lungo termine della qualità della produzione | Medio/Alto | molto alto | molto alto |
| Sensibilità all'ambiente superficiale del materiale | Medio | basso | basso |
| Sensibilità a composizione del materiale | alto | basso | basso |
| Zona colpita dal calore | Medio | piccolo | piccolo |
| Capacità di tagliare pezzi complessi o ad alto rapporto d'aspetto | Medio | alto | alto |
| Grado di ossidazione della superficie di taglio | serio | nulla | moderato |
| Taglio rugosità della superficie (Rz) | basso | secondario | medio/alto |
| Grado estetico della superficie di taglio | buono | secondario | povero |
| Larghezza dell'intaglio | grande | piccolo | piccolo |
| Potenza laser necessaria per il taglio senza scorie | basso | N/D | medio |
L'acciaio al carbonio può essere tagliato con ossigeno, azoto o aria come gas ausiliario.
Sebbene l'ossitaglio sia efficace nel taglio di acciaio al carbonio spesso con una potenza laser inferiore grazie all'energia di ossidazione aggiuntiva, la velocità di taglio non è direttamente proporzionale alla potenza del laser. Questo può portare a una riduzione dell'efficienza produttiva.
D'altra parte, la velocità di taglio dell'acciaio al carbonio ad aria compressa è direttamente proporzionale alla potenza (vedere la Fig. 2).
Ad esempio, per l'acciaio al carbonio da 16 mm, la velocità di taglio con ossigeno rimane di circa 2 m/min quando la potenza è compresa tra 10kW e 30kW, mentre la velocità di taglio con aria è superiore a 9 m/min a 30kW, rendendola 4,5 volte più veloce della velocità di taglio con ossigeno.
Per gli spessori che richiedono il taglio con ossigeno solo a bassa potenza e velocità, sono ora disponibili laser ad altissima potenza e aria per la lavorazione, che è diverse volte più veloce e produce una finitura di migliore qualità.
Tuttavia, nel caso di laser a bassa potenza, il taglio in aria può portare alla formazione di scorie, che possono essere difficili da rimuovere e produrre una scarsa qualità superficiale.
Lo sviluppo di questo innovativo ed efficiente schema di lavorazione ad altissima potenza sta guadagnando popolarità in settori come la produzione di attrezzature per l'edilizia e l'industria pesante, che richiedono una quantità significativa di lavorazione di lamiere spesse.
Parleremo della storia dello sviluppo e dei vantaggi di taglio dei laser in fibra ad altissima potenza. Nel prossimo numero continueremo a illustrare i vantaggi competitivi del taglio laser ad altissima potenza attraverso casi di studio reali.
Figura 4. Taglio di acciaio inossidabile di grande spessore in modalità impulsiva con un ultra-taglierina laser ad alta potenza
(a) Potenza di 30 kW, taglio ad azoto di 70 mm di spessore in acciaio inox;
(b) Potenza 40kW, taglio ad aria compressa di 230 mm di spessore in acciaio al carbonio.
I risultati dei test indicano che, all'aumentare della potenza del laser ad altissima potenza, aumenta anche la capacità di taglio dello spessore. Ad esempio, nella Fig. 4 è stato dimostrato il taglio di acciaio inossidabile di 70 mm di spessore con azoto a 30 kW e di acciaio al carbonio di 230 mm di spessore con aria a 40 kW in modalità di taglio a impulsi.
Fig. 5 Taglio a velocità piena in modalità continua
(a) Il laser IPG 40kW YLS viene utilizzato per tagliare acciaio al carbonio di 28 mm di spessore attraverso l'aria a una velocità di 4,5 m/min (177 ipm).
(b) Il laser IPG 40kW YLS viene utilizzato per tagliare in aria l'acciaio inossidabile di 40 mm di spessore alla velocità di 2,3 m/min (90 ipm).
(c) Il laser YLS-ECO IPG da 30 kW, in combinazione con l'azoto, viene utilizzato per tagliare acciaio inossidabile di spessore compreso tra 3 e 25 mm. profili in acciaio.
(d) Tagliare acciaio al carbonio di 30 mm di spessore con una potenza di 15 kW e ossigeno.
In modalità di taglio ad onda continua (CW) a velocità piena, si utilizza un'aria priva di scorie da 20 kW per tagliare l'acciaio al carbonio di 20 mm di spessore, un'aria priva di scorie da 40 kW per tagliare l'acciaio al carbonio di 30 mm di spessore e un'aria priva di scorie da 40 kW per tagliare l'acciaio al carbonio di 40 mm di spessore (vedere le figure 2 e 5a nella sezione precedente).
Quando taglio dell'acciaio inossidabileIl raggiungimento di un effetto senza scorie è più facile, quindi lo spessore limite di taglio è più spesso di quello dell'acciaio al carbonio (vedere Figura 5b e Figura 5c).
Per il taglio continuo con azoto e aria, è possibile ottenere un taglio privo di scorie e una buona superficie di taglio solo entro un certo spessore con una determinata potenza. Se si supera un certo spessore, per ottenere una qualità accettabile si deve ricorrere al taglio a impulsi (che è più lento del taglio continuo), altrimenti si deve aumentare la potenza del laser.
In genere, 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, premesso che la superficie di taglio è liscia, aumentando la potenza si aumenta lo spessore limite di taglio. Ad esempio, lo spessore limite di taglio di 4 kW è di circa 6-8 mm, mentre quello di 15 kW è di 30 mm.
La Fig. 5d mostra un campione di acciaio al carbonio di 30 mm di spessore tagliato con 15 kW.
Utilizzando la potenza di picco di un laser ad altissima potenza in modalità impulsiva è possibile perforare rapidamente metalli spessi con spruzzi minimi.
Il tempo di perforazione dell'acciaio inossidabile da 16 mm si riduce significativamente da oltre 1 secondo a 6 kW a 0,5 secondi a 10 kW e a 0,1 secondi a 20 kW.
Nelle applicazioni pratiche, un tempo di perforazione inferiore o uguale a 0,1 secondi è generalmente considerato "istantaneo".
Una maggiore potenza di picco aumenta il rapporto profondità/larghezza del bagno di fusione, consentendo una colmatura più rapida dei materiali più spessi con una minore fusione trasversale.
La riduzione della fusione trasversale minimizza anche gli schizzi sulla superficie superiore.
Negli ultimi sei anni, diversi sviluppi tecnologici hanno contribuito a migliorare le prestazioni del taglio laser. Questi sviluppi includono:
Sebbene le esigenze dei vari settori siano diverse, tutte le tecnologie abilitanti sono utilizzate in aree specifiche. Tuttavia, il taglio laser ad altissima potenza è una delle principali tendenze tecnologiche che promuove il miglioramento delle prestazioni del taglio laser.
Ciò può essere verificato dall'uso diffuso di laser ad altissima potenza nelle macchine di taglio laser globali. Con una maggiore esposizione ai laser ad altissima potenza, gli ingegneri applicativi hanno scoperto molteplici vantaggi in termini di produzione e qualità, che superano quelli di una tecnologia di potenza laser inferiore con una minore complessità.
I laser ad altissima potenza presentano vantaggi significativi in termini di spessore di taglio, qualità ed efficienza economica nel taglio di lamiere spesse, soprattutto a livelli di potenza di 15kW e superiori. Sono più competitivi delle macchine per il taglio al plasma ad alta corrente.
I test di confronto hanno dimostrato che, per l'acciaio inossidabile fino a 50 mm di spessore, il laser a fibra da 20 kW è 1,5-2,5 volte più veloce della taglierina al plasma ad alta intensità di corrente (300A).
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Per l'acciaio al carbonio, il taglio fino a 15 mm di spessore è più che doppio, come dimostrato da prove empiriche.
Secondo i calcoli, il costo totale del taglio per metro di acciaio al carbonio di 15 mm di spessore utilizzando un laser da 20 kW è circa due volte inferiore a quello del plasma.
Rispetto al plasma ad alta potenza, l'utilizzo di un laser da 40 kW per tagliare sezioni di acciaio inossidabile di spessore compreso tra 12 e 50 mm è da tre a quattro volte più veloce, mentre il taglio di sezioni di acciaio a basso tenore di carbonio di spessore compreso tra 12 e 30 mm è da tre a cinque volte più veloce, con conseguenti differenze di produttività significativamente maggiori.
Rispetto ai laser a bassa potenza e ad altri processi di taglio, come il taglio al plasma, la principale forza trainante dei laser ad altissima potenza è l'aumento della produttività e la riduzione dei costi di taglio per ciascun componente.
L'uso di laser ad altissima potenza comporta aumenti di velocità che consentono ai produttori di realizzare economie di scala. Ad esempio, aumentando la potenza da 30kW a 40kW si ottiene un aumento di 33% della velocità e di 66% della velocità di taglio.
I laser ad altissima potenza possono ottenere un taglio ad aria di alta qualità e rapido dell'acciaio al carbonio, più vantaggioso rispetto al lento taglio con ossigeno e al costoso taglio con azoto. Nei nostri test, l'utilizzo di 40kW ad aria compressa per tagliare acciaio al carbonio fino a 50mm di spessore è stato da tre a quattro volte più veloce rispetto all'utilizzo di plasma ad alta potenza.
Il laser ad altissima potenza rende il taglio laser più competitivo sotto molti altri aspetti. Può aumentare lo spessore e la qualità del taglio (è possibile tagliare materiali fino a 230 mm di spessore), ridurre o eliminare i costi di lavorazione successivi (che possono ridurre al minimo le scorie appese), ridurre lo spazio e i costi delle strutture, ridurre i requisiti di manodopera e migliorare la qualità e la produzione dei fori.
Con il continuo miglioramento della potenza e dell'efficienza energetica dei laser ad altissima potenza, questi vantaggi diventeranno sempre più evidenti, aumentando la loro capacità di adattarsi rapidamente ed economicamente alle applicazioni di taglio in vari settori industriali.
In qualità di fondatore di MachineMFG, ho dedicato oltre un decennio della mia carriera al settore della lavorazione dei metalli. La mia vasta esperienza mi ha permesso di diventare un esperto nei campi della fabbricazione di lamiere, della lavorazione, dell'ingegneria meccanica e delle macchine utensili per metalli. Penso, leggo e scrivo costantemente su questi argomenti, cercando di essere sempre all'avanguardia nel mio campo. Lasciate che le mie conoscenze e la mia esperienza siano una risorsa per la vostra azienda.
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