Maximale efficiëntie: Lucht als hulpgas bij lasersnijden

Lasersnijden, een transformatieve technologie die in de jaren 1960 werd geïntroduceerd, is een integraal onderdeel geworden van verschillende industrieën vanwege de ongeëvenaarde precisie en efficiëntie bij het verwerken van materialen. Deze geavanceerde snijmethode heeft productieprocessen in verschillende sectoren aanzienlijk gestroomlijnd.

De wijdverspreide toepassing van lasersnijtechnologie heeft echter de concurrentie op de markt geïntensiveerd, wat heeft geleid tot prijsdruk en kleinere winstmarges voor fabrikanten van apparatuur en dienstverleners. Om concurrerend te blijven, moeten bedrijven zich richten op het optimaliseren van hun productieprocessen en het verbeteren van de algehele operationele efficiëntie.

Een effectieve strategie om kosten te besparen bij het lasersnijden is het gebruik van lucht als hulpgas. Deze aanpak biedt verschillende voordelen ten opzichte van traditionele gassen zoals stikstof of zuurstof:

1. Kosteneffectiviteit: Lucht is aanzienlijk goedkoper dan gespecialiseerde gassen, waardoor de operationele kosten aanzienlijk dalen.
2. Beschikbaarheid: Omdat lucht gemakkelijk toegankelijk is, zijn er geen complexe gasopslag- en leveringssystemen nodig.
3. Veelzijdigheid: Lucht kan effectief gebruikt worden voor het snijden van een breed scala aan materialen, waaronder zacht staal, roestvrij staal en aluminium, afhankelijk van de specifieke toepassing en de gewenste snijkwaliteit.

Om lasersnijden met luchtondersteuning effectief te implementeren, moet je de volgende best practices in acht nemen:

1. Goed filteren en drogen van de lucht: Zorg ervoor dat de lucht schoon en droog is om verontreiniging te voorkomen en de snijkwaliteit te behouden.
2. Geoptimaliseerde luchtdruk: Pas de luchtdruk aan op basis van materiaaldikte en -type voor optimale snijprestaties.
3. Ontwerp mondstukken: Gebruik gespecialiseerde mondstukken die ontworpen zijn voor snijden met luchtondersteuning om de snijefficiëntie en -kwaliteit te maximaliseren.
4. Snijparameteroptimalisatie: Stel het laservermogen, de snijsnelheid en de positie van het brandpunt nauwkeurig af voor de beste resultaten met luchtondersteuning.

Hoewel snijden met luchtondersteuning niet voor alle toepassingen geschikt is, vooral niet voor toepassingen waarbij oxidevrij moet worden gesneden of waarbij sterk reflecterende materialen moeten worden gesneden, kan het de operationele kosten voor een groot aantal snijtaken aanzienlijk verlagen.

Het implementeren van lasersnijden met luchtondersteuning moet deel uitmaken van een alomvattende strategie om productieprocessen te verbeteren, de efficiëntie te verhogen en te focussen op activiteiten met toegevoegde waarde. Deze aanpak, in combinatie met voortdurende investeringen in onderzoek en ontwikkeling, kan bedrijven helpen om een concurrentievoordeel te behouden in de zich ontwikkelende lasersnijmarkt.

De invloed van verschillende hulpgassen op de snijkwaliteit

Laten we eerst de proces van lasersnijden:

De laser die gegenereerd wordt door de lasergenerator wordt gefocust door een lens en convergeert om een kleine, intense lichtvlek te vormen. De afstand tussen de lens en de plaat wordt zorgvuldig geregeld om de stabiliteit van de laserspot in de richting van de materiaaldikte te garanderen.

Op dit punt focust de lens het licht in een punt met een hoge vermogensdichtheid, meestal 106-109W/cm2. Het materiaal absorbeert de energie van de lichtspot, waardoor het onmiddellijk smelt. Het gesmolten materiaal wordt vervolgens verwijderd door een stroom hulpgas, waardoor het snijproces voltooid is.

Tijdens het hele snijproces dient het hulpgas twee hoofddoelen: de nodige kracht leveren om te snijden en het gesmolten materiaal van het werkstuk verwijderen.

In dit proces hebben verschillende soorten gassen verschillende effecten op materialen en secties:

(1) Zuurstof

Zuurstof, als hulpgas bij het lasersnijden, dient een dubbel doel: het versnelt de verwijdering van gesmolten metaal en katalyseert een exotherme oxidatiereactie. Dit synergetische effect verhoogt de snijcapaciteit van de laser aanzienlijk, vooral bij dikkere materialen. De oxidatiereactie genereert extra warmte, waardoor de energiedichtheid in de snijzone toeneemt en de algehele procesefficiëntie verbetert.

Het gebruik van zuurstof heeft echter zijn nadelen. Het snijoppervlak ondergaat aanzienlijke oxidatie, waardoor nabewerking nodig kan zijn voor toepassingen die ongerepte oppervlakken vereisen. Interessant is dat de snelle afkoeling door de zuurstofstraal een plaatselijke warmte-beïnvloede zone (HAZ) creëert met een verhoogde hardheid. Deze metallurgische verandering kan voordelig zijn voor bepaalde vervolgprocessen, waardoor er mogelijk minder warmtebehandelingsstappen nodig zijn.

(2) Stikstof

Stikstof, een inert gas, creëert een beschermende atmosfeer tijdens het lasersnijden, waardoor het gesmolten metaal effectief wordt beschermd tegen oxidatie. Dit resulteert in hoogwaardige, oxidevrije snijoppervlakken, wat cruciaal is voor materialen die gevoelig zijn voor oxidatie of toepassingen die een superieure oppervlakteafwerking vereisen. In tegenstelling tot zuurstof heeft stikstof echter niet het vermogen om extra thermische energie bij te dragen door middel van exotherme reacties, waardoor de snijcapaciteit in vergelijking met zuurstof beperkt is, vooral voor dikkere materialen.

Het gebruik van stikstof als hulpgas vereist doorgaans hogere stroomsnelheden om een effectieve afscherming en uitworp van gesmolten metaal te bereiken. Dit hogere verbruik, in combinatie met de hogere kosten van stikstof in vergelijking met lucht of zuurstof, leidt tot hogere operationele kosten. Deze kosten moeten echter worden afgewogen tegen de voordelen van een betere snijkwaliteit en minder nabewerking bij veel toepassingen.

(3) Lucht

Lucht, een direct beschikbare en kosteneffectieve optie, biedt een gebalanceerde benadering van lasersnijden. De samenstelling van ongeveer 78% stikstof en 21% zuurstof zorgt voor een unieke combinatie van gedeeltelijke oxidatie en gedeeltelijke afscherming. Dit resulteert in gematigde oxidatie aan de snijrand, terwijl het overheersende stikstofgehalte overmatige oxidatie vermindert en bijdraagt aan de warmteoverdracht door convectie.

De snijprestaties met lucht liggen tussen die van zuivere zuurstof en zuivere stikstof in. Hoewel het misschien niet de snijsnelheid van zuurstof voor dikke materialen of de oppervlaktekwaliteit bereikt met stikstof evenaart, biedt lucht een veelzijdige en economische oplossing voor een breed scala aan toepassingen. De belangrijkste kosten in verband met het gebruik van lucht zijn het stroomverbruik van de luchtcompressor en het onderhoud van het luchtfiltersysteem, die over het algemeen lager zijn dan de kosten die gemaakt worden met pure gassystemen.

De keuze tussen deze hulpgassen hangt af van factoren zoals materiaalsoort, dikte, gewenste snijkwaliteit en economische overwegingen. Moderne lasersnijsystemen bieden vaak de mogelijkheid om dynamisch te wisselen tussen gassen, zodat operators de gasselectie kunnen optimaliseren op basis van specifieke jobvereisten.

Het effect van verschillende hulpgassen op de snijkosten

FIG. 1 illustreert het snijsectie-effect van 1.5mm dik 304 roestvrij staal met stikstof en lucht als hulpgas. Zoals te zien is in de afbeelding, is de doorsnede glanzend en helder wanneer stikstof wordt gebruikt als hulpgas, terwijl de doorsnede lichtgeel is wanneer lucht wordt gebruikt.

Tabel 1 toont een vergelijking van de snijkosten van lucht en stikstof als hulpgassen voor 1,5 mm dik 304 roestvast staal. De vergelijking maakt gebruik van de nieuwste generatie fiber lasersnijmachines uitgerust met zelfontwikkelde fiberlasergeneratoren.

Uit de kostenanalyse blijkt dat het gebruik van lucht als hulpgas resulteert in een daling van 23,7% van de snijkosten per uur in vergelijking met het gebruik van stikstof. Deze verlaging van de snijkosten kan een aanzienlijke impact hebben op de totale verwerkingskosten van de fabriek.

Verder wordt het stroomverbruik van de luchtcompressor als volgt geanalyseerd:

Veel bedrijven gebruiken momenteel niet-variabele schroefcompressoren. Als er een permanentmagneet frequentie schroefcompressor wordt gebruikt, kan dat alleen al voor de luchtcompressor een besparing opleveren tot 50% aan elektriciteit.

Wanneer lucht als hulpgas wordt gebruikt, zijn de snijkosten 36,2% lager dan wanneer stikstof wordt gebruikt.

Tabel 1 Vergelijking van maaikosten

Opmerking:

(1) De hierboven vermelde kostenanalyse werd berekend met de volgende veronderstellingen:

• De bewerkingsverhouding van de gereedschapsmachine werd verondersteld 70% te zijn.
• De elektrische lading werd verondersteld 1 yuan/KW te zijn.
• De kosten van stikstof werden berekend op basis van de prijs van vloeibare stikstof van 1,5 yuan/kg.

(2) Het stroomverbruik van de luchtcompressor tijdens het snijden met lucht werd berekend voor een niet-variabele schroefcompressor met een capaciteit van 17,5 kW, een druk van 1,26MPa en een debiet van 2,3m.³/min.

(3) Wanneer stikstof wordt gebruikt als hulpgas voor het snijden, moet de luchtcompressor nog steeds gas leveren aan de machine, wat elektriciteitskosten met zich meebrengt.

(a) Het snijgedeelte met stikstof als hulpgas

(b) Het snijgedeelte met lucht als hulpgas

(c) Doorsnedevergelijking van twee delen (stikstof links en lucht rechts)

Fig.1 Doorsnede-effect bij gebruik van stikstof en lucht als hulpgas

Het toepassingsgebied bij gebruik van lucht als hulpgas

(1) Koolstofstaalplaat /Q235 staalplaat

Als de plaatdikte meer dan 1,5 mm bedraagt, zal er een zekere braam ontstaan op het snijgedeelte. De bramen zijn echter niet scherp genoeg om krassen op papier te maken.

De maximale dikte die kan worden gesneden met lucht als hulpgas varieert afhankelijk van het vermogen en type laser generator.

(2) Roestvrij stalen plaat /SUS304 stalen plaat

Het snijgedeelte produceert een gele oxidelaag.

(3) Aluminium plaat /A1050 plaat & Plaat van aluminiumlegering /A5052 plaat

De snijbraam zal afnemen in vergelijking met het gebruik van stikstof als hulpgas.

Tabel 2 toont het snijbereik wanneer lucht wordt gebruikt als hulpgas voor zowel kooldioxidelasersnijmachines als lasersnijmachines. fiber lasersnijden machines.

Tabel 2 De maximale dikte van de plaat wordt gesneden wanneer lucht als hulpgas wordt gebruikt

Het effect van lucht als hulpgas op snijden

(1) Voor koolstofstaalplaat

Wanneer lucht wordt gebruikt als hulpgas tijdens het lasersnijden van koolstofstaal, produceert het snijsecties met minimale bramen. Deze bramen zijn meestal minder scherp en beter beheersbaar dan die van andere gassen. Dit resultaat is vooral voordelig voor componenten met gematigde eisen wat betreft braamtolerantie. De oxidatiereactie tussen de lucht en het gesmolten staal creëert een dunne oxidelaag die kan helpen bij het uitwerpen van gesmolten materiaal, wat resulteert in schonere sneden.

(2) Voor roestvrijstalen plaat

Het gebruik van lucht als hulpgas bij het snijden van roestvaststalen platen veroorzaakt oxidatie, wat tot verschillende uitdagingen kan leiden. De snijranden kunnen defecten ontwikkelen zoals slakvorming en porositeit (stoma) in de toekomstige laszone. Deze onvolkomenheden kunnen de integriteit van latere laswerkzaamheden aanzienlijk in gevaar brengen en mogelijk de sterkte en kwaliteit van de lasverbinding verminderen.

Om deze problemen te beperken, is het van cruciaal belang om het oppervlak na het snijden voor te bereiden. Dit omvat meestal het mechanisch verwijderen van de oxidelaag van de snijranden door zorgvuldig slijpen of polijsten. Deze stap is essentieel om het oppervlak weer geschikt te maken voor lassen van hoge kwaliteit, zodat de sterkte en prestaties van de verbinding optimaal zijn.

Bovendien zal het gesneden deel een karakteristieke geelbruine oxidelaag ontwikkelen. Deze verkleuring kan problematisch zijn voor extern zichtbare onderdelen waar esthetiek belangrijk is. De oxidelaag interfereert ook met lasprocessen door onzuiverheden te introduceren en de oppervlakte-eigenschappen van het materiaal te veranderen. Daarom is het noodzakelijk om deze laag te verwijderen door polijsten of chemische behandeling voorafgaand aan laswerkzaamheden om een goede versmelting en integriteit van de verbinding te garanderen.

(3) Voor aluminiumplaat en plaat van aluminiumlegeringen

In het geval van platen van aluminium en aluminiumlegeringen biedt het gebruik van lucht als hulpgas tijdens het snijden een duidelijk voordeel op het gebied van braamreductie. Het oxidatieproces dat optreedt bij lucht helpt bij het beheren van de stroom gesmolten metaal, wat resulteert in kleinere, meer gecontroleerde bramen langs de snijranden. Dit in tegenstelling tot het gebruik van stikstof als hulpgas, dat weliswaar een zuivere snede oplevert, maar de neiging heeft om grotere bramen te produceren door de afwezigheid van het oxidatie-effect.

De keuze tussen lucht en stikstof voor het snijden van aluminium hangt vaak af van de specifieke samenstelling van de legering, de plaatdikte en de beoogde toepassing van de gesneden onderdelen. Voor toepassingen waarbij minimale nabewerking gewenst is en lichte oxidatie acceptabel is, kan lucht de voorkeurskeuze zijn. Voor onderdelen met een hoge precisie of waar een volledig oxidevrij oppervlak vereist is, kan stikstof echter nog steeds de voorkeur genieten, ondanks de grotere bramen, omdat deze gemakkelijker verwijderd kunnen worden bij nabewerkingen.

Eisen voor luchttoevoerapparaat bij gebruik van lucht als hulpgas

Bij het gebruik van lucht als hulpgas in metaalbewerkingsprocessen is een constante druk van 0,9MPa essentieel. Om aan deze vereiste te voldoen, wordt aanbevolen om een schroefcompressor te gebruiken met een nominale werkdruk van 1,26MPa en een debiet van 2,3m³/min. Deze specificatie garandeert voldoende druk en volume voor optimale prestaties.

De luchtkwaliteit is cruciaal voor precisiesnij- en lastoepassingen. De perslucht moet een droogsnelheid van 99% bereiken met een vochtgehalte van minder dan 1/100. Om deze hoge norm te handhaven, moet een meerfasig filtratiesysteem in de persluchtleiding worden geïmplementeerd, met HEPA-filters (High Efficiency Particulate Air) en coalescentiefilters. Regelmatig onderhoud en vervanging van deze filterelementen zijn van cruciaal belang om de luchtkwaliteit op lange termijn op peil te houden.

Voor effectieve vochtverwijdering zijn er twee primaire drogeropties beschikbaar: regeneratieve adsorptiedrogers en koeldrogers. Hoewel beide voordelen hebben, genieten regeneratieve adsorptiedrogers de voorkeur vanwege hun superieure stabiliteit, lagere onderhoudsvereisten en langere operationele levensduur. Deze systemen maken gebruik van droogmiddelen om vocht te verwijderen en bieden consistente prestaties, zelfs onder wisselende omgevingscondities.

Bij het ontwerp van het persluchtdistributiesysteem moet zorgvuldig rekening worden gehouden met de diameter van de pijpleiding en de keuze van de drukregelaar. De dimensionering van deze componenten moet gebaseerd zijn op het debiet en de druk van de compressor om de drukval te minimaliseren en een stabiele persluchtlevering op het gebruikspunt te garanderen. Het implementeren van een ringleidingsysteem met headers en drop legs met de juiste afmetingen kan de drukstabiliteit en systeemefficiëntie verder verbeteren.

Overweeg om te investeren in een schroefcompressor met permanente magneet en variabele frequentieaandrijving (VFD) om het energieverbruik te optimaliseren. Deze geavanceerde systemen kunnen het elektriciteitsverbruik tot 50% verminderen in vergelijking met alternatieven met een vaste snelheid. Dankzij de VFD-technologie kan de compressor zijn vermogen aanpassen aan de vraag, wat leidt tot aanzienlijke energiebesparingen tijdens perioden met een lager luchtverbruik.

Daarnaast kan het implementeren van een uitgebreid persluchtmanagementsysteem de efficiëntie verder verbeteren door het monitoren van persluchtgebruikspatronen, het opsporen van lekken en het optimaliseren van de werking van compressoren. Regelmatige audits van het persluchtsysteem kunnen mogelijkheden identificeren voor verbetering van zowel de prestaties als de energie-efficiëntie.

Conclusie

In het sterk concurrerende industriële landschap van vandaag de dag kunnen bedrijven een aanzienlijk voordeel behalen door hun productieprocessen te optimaliseren, hun productontwerp te verfijnen en innovatieve productiestrategieën te implementeren.

Een bijzonder effectieve aanpak om een concurrentievoordeel te behalen ligt in het verlagen van de verwerkingskosten binnen bestaande workflows. Dit kan worden bereikt door gebruik te maken van geavanceerde technologieën en slimme procesoptimalisatie.

Eén zo'n kosteneffectieve oplossing is het gebruik van lucht als hulpgas bij snijbewerkingen, vooral voor bepaalde materialen en diktes. Deze aanpak kan de snijkosten aanzienlijk verlagen, vooral in vergelijking met traditionele methoden waarbij stikstof of zuurstof wordt gebruikt. De voordelen gaan verder dan alleen kostenbesparingen:

1. Minder impact op het milieu door lager gasverbruik
2. Vereenvoudigde logistiek en opslag
3. Potentieel voor hogere snijsnelheden in specifieke toepassingen
4. Verbeterde algemene operationele efficiëntie

Door waar nodig snijden met luchtondersteuning te implementeren, kunnen bedrijven niet alleen hun winstmarges vergroten, maar ook hun middelen effectiever toewijzen aan andere kritieke gebieden van bedrijfsontwikkeling. Deze strategische verschuiving in de toewijzing van middelen kan vitale ondersteuning bieden voor bredere transformatie- en upgradinginitiatieven, waardoor bedrijven concurrerend kunnen blijven in een steeds veranderend industrieel landschap.

Het is echter belangrijk op te merken dat de geschiktheid van lucht als hulpgas afhangt van factoren zoals materiaalsoort, dikte en vereiste snijkwaliteit. Bedrijven moeten grondige kosten-batenanalyses en kwaliteitsbeoordelingen uitvoeren voordat ze deze technologie in hun productielijnen implementeren.

Aangezien industrieën zich blijven ontwikkelen, zal het omarmen van dergelijke kosteneffectieve en efficiënte technologieën cruciaal zijn voor bedrijven die een concurrentievoordeel willen behouden en tegelijkertijd duurzame groei en innovatie nastreven.