Materiaalsamenstelling en lasersnijkwaliteit: De relatie begrijpen

Lasersnijtechnologie heeft geleidelijk de traditionele methoden voor metaalbewerking vervangen vanwege de lage verwerkingskosten, snelle productie-efficiëntie, precieze snijprecisie en uitstekende verwerkingskwaliteit. Deze technologie wordt veel gebruikt bij de verwerking van koolstofstaal, roestvrij staal, koper, aluminium en andere non-ferrometalen en wordt op deze gebieden als onvervangbaar beschouwd.

Met het wijdverbreide gebruik van lasersnijtechnologie zijn er echter enkele problemen ontstaan. Een van de belangrijkste problemen is dat bij het snijden van koolstofstalen platen met dezelfde dikte en verschillende samenstellingen met dezelfde lasersnijmachine en snijprocesparameters, er merkbare verschillen zijn in de oppervlaktekwaliteit van de sneden.

Om de invloed van de plaatsamenstelling op de snijkwaliteit te begrijpen, werden tests uitgevoerd op koolstofstalen platen met verschillende diktes en samenstellingen, waarbij fiberlasers met vermogens tussen 6-30KW werden gebruikt en zowel met zuurstof als met lucht werd gesneden.

Gerelateerde lectuur: De toepassing van lucht als hulpgas bij het lasersnijden

1. Experimentele uitrusting en methoden

1.1 Experimentele uitrusting

Het experiment werd uitgevoerd met een 30KW fiberlaser, een multimode laser met continue output met een bundelgolflengte van 1080nm en een kerndiameter van 150 μm. De laserkop gebruikt in het experiment was de Genius 30 (30KW) laserkop.

De quasi-diameter brandpuntsafstand van de laserkop was 100 mm en de focusspiegel had een brandpuntsafstand van 200 mm, waardoor automatisch scherpstellen mogelijk was. Om een stabiele werking van de 30KW fiberlaser te garanderen en de optimale prestaties te behouden, werd een waterkoeler met een koelcapaciteit van 70.0KW gebruikt als hulpapparatuur.

Fig. 1 - Experimentele laser, laserkop

1.2 Hulpmaterialen

Om de nauwkeurigheid, efficiëntie en duidelijkheid van de experimentele gegevens te garanderen, werden in dit experiment koolstofstalen platen van verschillende diktes gebruikt, waaronder Q235, Q345en Q460 koolstofstaal. Raadpleeg voor meer informatie het gegevensblad van de experimentele plaat.

Het gebruikte hulpgas was 99,9% zuurstof, met een luchttoevoerdruk van 5 bar. Om een voldoende aantal straalpijpen te garanderen, werden de straalpijpen die vermeld staan op het gegevensblad van de experimentele straalpijp voorbereid voor het experiment.

Tabel 1 Gegevensblad van experimentele plaat

Tabel 2 Gegevensblad van experimentele straalpijp

1.3 Experimentele methoden

Onder de voorwaarde dat de spotkwaliteit van de apparatuur (de optische vezel en laserkop waren schoon en onbeschadigd, geverifieerd door middel van een fotopapiertest), luchtdruk (zuurstof werd op een stabiele 5 bar gehouden en lucht werd op een stabiele 11 bar gehouden) en interne lenzen van de laserkop (schoon, vrij van vuil en brandplekken) normaal waren, werden de interne modules bestuurd via de interne besturingssoftware van de laser en werd het maximale uitgangsvermogen ingesteld op respectievelijk 12KW, 20KW en 30KW.

Er werden snij-experimenten uitgevoerd op verschillende soorten en diktes platen zoals beschreven in tabel 1, onder de drie hierboven genoemde vermogenstoestanden. De omtrek van het gesneden monster was 205,6 mm, zoals getoond in Fig. 2.

De gesneden monsters werden geanalyseerd en vergeleken door de porositeitsdichtheid, ruwheid en overeenkomstige procesparameters op het oppervlak van de gesneden monsters te onderzoeken.

Fig. 2 - Schematisch diagram van snijmonster

2. Testresultaten

2.1 Analyse van snijparameters

Tijdens het experiment werden de vijf factoren die de snijsnelheid (laservermogenEr werd rekening gehouden met de druk van het snijgas, de focus en de opening van het mondstuk om ervoor te zorgen dat de monsters na het snijden automatisch loskwamen, zonder slak, verbranding of druppels en met een hoge oppervlakteafwerking. De procesparameters werden aangepast om het beste snijeffect te bereiken voor verschillende materialen en diktes.

Gerelateerde lectuur: Lasersnijden dikte en snelheid

Zie Tabel 3 voor specifieke parameters.

Tabel 3 Tabel met experimentele parameters

2.1.1 Analyse van de snijsnelheid

De gegevens in Tabel 3 laten zien dat, met een laservermogen van 20KW als testachtergrond, de snijsnelheden van platen met een dikte van 20mm en 30mm gemaakt van Q345, 45# staal, NM400 en T10 werden vergeleken, zoals getoond in Figuur 3.

Met hetzelfde laservermogen, dezelfde plaatdikte en zuurstof als hulpgas had de T10 plaat de langzaamste snijsnelheid, terwijl NM400 de snelste had. Er was geen significant verschil tussen de snijsnelheden van Q345 en 45# staal.

Er kan worden geconcludeerd dat het koolstofgehalte in het snijmateriaal de belangrijkste invloed heeft op de snijsnelheid. Naarmate de koolstofgehalte in de plaat toeneemt, de snijsnelheid van de plaat met gelijke dikte geleidelijk afneemt. Ook neemt de snijsnelheid geleidelijk af naarmate het gehalte aan zeldzame elementen (zoals Cr en Ni) in de plaat toeneemt.

Fig. 3-20KW Snijsnelheidsvergelijking

2.1.2 Analyse van de hulpluchtdruk

Lasersnijden koolstofstaal met zuurstof als hulpgas werkt door gebruik te maken van de energie die wordt gegenereerd door de laserlichtbron en de oxidatiereactie tijdens het snijproces.

Het is duidelijk dat de zuurstofdruk een aanzienlijk effect heeft op verschillende soorten platen.

Tabel 4 in de procesgegevens van het snijden van 20mm en 30mm Q345, 45# staal, en T10 met een 20KW laser, zoals weergegeven in Tabel 3, laat zien dat voor verschillende soorten platen met dezelfde dikte, de hulpgasdruk toeneemt naarmate het koolstofgehalte in de platen toeneemt, voor optimale snijresultaten.

Fig. 4-20KW Hulpluchtdruk Vergelijkingsdiagram

2.1.3 Analyse van de snijfocus

Uit de gegevens van de vorige test blijkt dat bij het snijden van Q235, Q345, 45# staal en T10 met dezelfde dikte en met zuurstof als snijhulpgas, 45# staal en T10 staal meer koolstof bevatten dan Q235 en Q345.

Tijdens het snijden vormt zich een groot aantal koolstofdioxideporiën op het oppervlak, waardoor een ruw oppervlak ontstaat.

Het snijeffect blijft ongewijzigd als de snijscherpte binnen ±1 verandert, dus de scherpte kan worden verlaagd om de snijsnelheid te verbeteren. Het snijeffect van Q235 en Q345 is echter gevoelig voor de snijscherpte, dus zij hebben dit voordeel niet.

2.2 Analyse van het inbedrijfstellingseffect

Onderstaande tabel toont de resultaten van het snijden van verschillende soorten platen en plaatdiktes met verschillende hulpgassen en snijvermogens.

Zoals te zien is in Tabel 4, is het duidelijk dat de snijeffecten van verschillende soorten platen met dezelfde dikte werden vergeleken door hetzelfde snijvermogen te gebruiken.

De resultaten wezen op een significant verschil in oppervlakteruwheid tussen de monsters gesneden uit verschillende materialen, waarbij het Q345B monster het beste snijresultaat liet zien. De oxidehuid aan het oppervlak was dun en de oppervlakteruwheid was minimaal.

Aan de andere kant vertoonde de oxidehuid op het snijoppervlak van het NM400 monster een duidelijke gelaagdheid. De bovenkant van het snijoppervlak was glad, terwijl de onderkant een dikkere oxidehuid had, wat leidde tot een hogere oppervlakteruwheid van het monster.

Het snijden van het 45# monster was ruw, met een duidelijke uitstulping van de oxidehuid aan de onderkant.

Het T10 monster had het slechtste snijeffect, met een ruw oppervlak, veel poriën en een duidelijke oxidehuid aan de onderkant.

Ter vergelijking: de snijoppervlakken van Q345B, NM400 en 45# hadden een betere oppervlakteruwheid van de oxidehuid dan de T10 plaat.

Tabel 4 Experimentele effecttabel

2.2.1 Analyse smeltpunt materiaal

In dit experiment werden vier soorten materialen getest: Q235, Q345B, NM400 en 45# koolstofstalen platen. Hun koolstofgehalte is respectievelijk 0,22%, 0,20%, 0,25% en 0,47%.

Door de fasendiagram ijzer-koolstof in Figuur 5 kan worden waargenomen dat de smeltpunttemperatuur van deze vier materialen ongeveer 1500°C is.

Lasersnijden van koolstofstaal maakt gebruik van de laser als voorverwarmingswarmtebron en zuurstof als hulpgas. Dit creëert een zeer exotherme oxidatiereactie met de materialen, waarbij een aanzienlijke hoeveelheid oxidatie-energie vrijkomt (zoals weergegeven in de volgende formule).

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

Er is vastgesteld dat de temperatuur op de verwerkingslocatie van de plaat hoger is dan 1726,85°C door de energie die vrijkomt van de laser en het oxidatieproces tijdens laserbewerking. Deze temperatuur is aanzienlijk hoger dan het smeltpunt van de materialen Q235, Q345B, NM400 en 45#.

Op basis van deze analyse kan worden geconcludeerd dat de smeltpunten van deze materialen een beperkte invloed hebben op het effect van de oxidehuid op het oppervlak na het snijden.

Fig. 5-Fe-C fasediagram

2.2.2 Analyse van de chemische samenstelling van materialen

De chemische samenstelling van de verschillende staalplaten die in dit experiment zijn gebruikt, is bepaald met een spectrumanalysator. De resultaten worden weergegeven in tabel 5.

Tabel 5 Chemische elementanalyse

1) Analyse van het Mn-elementgehalte

Volgens tabel 5, waarin de elementen van Q235 en Q345B worden vergeleken, worden beide materialen geclassificeerd als koolstofarm staal. De inhoud van andere elementen in de materialen is niet significant verschillend, behalve het mangaangehalte, dat 0,65% is voor Q235 en 1,70% voor Q345B. Dit verschil in mangaangehalte dient als benchmark voor het onderzoeken van de relatie tussen lasersnijkwaliteit en mangaangehalte in het materiaal.

De snijoppervlakte-effecten van de twee materialen worden getoond in Figuur 6. De resultaten laten zien dat het oppervlak schoon en helder is, met een vergelijkbare oppervlakteruwheid en de experimentele parameters werden constant gehouden.

Op basis van deze bevindingen kan geconcludeerd worden dat het Mn-element een kleine invloed heeft op het lasersnijden van conventioneel koolstofarm staal.

Q235-20kw-20mm

Q345B-20kw-20mm

Fig. 6

2) Inhoudelijke analyse van S-elementen

Uit de gegevens in de tabel blijkt dat het maximale verschil in het zwavelgehalte (S) tussen de platen slechts 0,05% is. Deze informatie is niet voldoende om de invloed van het S-elementgehalte op de snijkwaliteit te bepalen.

Verdere analyse van de gegevens onthult dat wanneer het mangaan (Mn) en zwavel (S) gehalte in de plaat respectievelijk rond 0,5% en 0,25% ligt, de slak aan de onderkant van het snijoppervlak toeneemt met de toename van de plaatdikte, wat leidt tot een geleidelijke afname van de snijkwaliteit.

Tabel 6 Vergelijking van S- en Mn-elementen

3) Analyse van het Si elementgehalte

Er is waargenomen dat wanneer het silicium (Si) elementgehalte in de metalen plaat lager is dan 0,25%, de snijsnelheid van koolstof staalplaat met een Si gehalte hoger dan 0,25% is meer dan 20% langzamer dan die van koolstofstaalplaat met een Si gehalte lager dan 0,25%. Bovendien wordt er een aanzienlijke hoeveelheid slak geproduceerd aan de onderkant van de plaat.

4) Inhoudelijke analyse van element C

Bij het vergelijken van het elementgehalte van Q235, 45# en T10 blijkt dat Q235 wordt geclassificeerd als staal met een laag koolstofgehalte, 45# als staal met een gemiddeld koolstofgehalte en T10 als staal met een hoog koolstofgehalte.

Als je de elemententabel bekijkt, zie je dat er alleen significante verschillen zijn tussen koolstof (C) en mangaan (Mn).

Onder hoge temperatuur en met voldoende zuurstof als hulpgas reageert koolstof op de volgende manier met zuurstof:

C+O₂→CO₂(g)（393,5KJ/mol）

Theoretische analyse toont aan dat naarmate het koolstofgehalte van het materiaal toeneemt, de hoeveelheid kooldioxidegas die door de oxidatiereactie wordt geproduceerd ook toeneemt in aanwezigheid van zuurstof als hulpgas, wat leidt tot een toename van het aantal poriën op het snijoppervlak van het materiaal.

Figuur 4 laat zien dat naarmate het interne koolstofgehalte van Q235, 45# staal en T10 toeneemt, ook het aantal poriën op het snijoppervlak navenant toeneemt.

Fig. 7 - Vergelijkende grafiek van koolstofgehalte van materialen

Bij het vergelijken van de materialen Q235 en Q345B werd in eerste instantie vastgesteld dat het mangaangehalte (Mn) een minimale invloed heeft op het werkelijke snijeffect en buiten beschouwing kan worden gelaten.

Figuur 8 toont het werkelijke snijeffect van de drie materialen met dezelfde dikte. De resultaten laten zien dat het oppervlak van Q235 helder is met een lage ruwheid, het oppervlak van 45# ruw is met een aanzienlijk dikkere oxidehuid aan de onderkant, en het oppervlak van T10 het ruwst is met de dikste oxidehuid.

Uit de feitelijke testresultaten kan worden geconcludeerd dat het koolstofgehalte in het materiaal een merkbare invloed heeft op het snijeffect. Naarmate het koolstofgehalte toeneemt, neemt het aantal poriën op het snijoppervlak toe, wordt de dikte van de oxidehuid aan het oppervlak dikker en wordt de oppervlakteruwheid groter.

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

5) Analyse van het gehalte aan nikkelelementen

Tabel 7 toont de soorten en gehaltes aan chemische elementen in de materialen Q235 en Q460. Het verschil in nikkel (Ni) elementgehalte tussen de twee materialen is duidelijk.

Bijgevolg werden voor beide materialen snijtests uitgevoerd op platen van dezelfde dikte. De resultaten van de werkelijke snijkwaliteit worden getoond in afbeelding 10.

Er is geen merkbaar verschil in de oppervlakte strepen, oxidehuid dikte en oppervlakteruwheid.

Op basis van deze resultaten kan worden geconcludeerd dat in conventioneel koolstofarm staal het nikkelgehalte geen significante invloed heeft op de snijkwaliteit van lasers met hoog vermogen.

Fig. 9 - Vergelijkende grafiek van het nikkelgehalte in materialen

Tabel 7 Vergelijking van nikkelelementen

Q460-20mm-20KW

Q235-20mm-20KW

Fig. 10

6) Analyse van de Cr-elementinhoud

Bij het vergelijken van de elementgehaltes in de plaat wordt opgemerkt dat de chroom (Cr) elementgehaltes in de materialen NM400 en Q690 significant hoger zijn dan in andere materialen, zoals geïllustreerd in afbeelding 4.2-5.

Fig. 11 Vergelijkende grafiek van chroomgehalte in materialen

Tijdens de lasersnijprocesDe meeste elementen in de plaat zullen oxideren met het hulpgas zuurstof en een grote hoeveelheid warmte afgeven wanneer de laser warmte afgeeft. Dit resulteert in de vorming van een aanzienlijke warmte-beïnvloede zone op het oppervlak van de plaat.

In deze warmte-beïnvloede zone zal het chroom (Cr) in de plaat met zuurstof oxideren en dicht Cr₂O₃ en andere oxiden, die zullen toenemen met de lokale temperatuur. Het oxide groeit geleidelijk en vormt een clusterachtige korrelstructuur, zoals getoond in Figuur 12.

Na verloop van tijd kan een Cr₂O₃ oxidehuid met hoge oppervlaktespanning en minder gevoelig voor barsten vormt op de metaal snijden oppervlak, waardoor de oxidatiereactie tussen elementen onder het Cr₂O₃ oxidatie en O₂ (zie afbeelding 13). Dit resulteert in een beduidend slechte oppervlakteruwheid aan de onderkant van de NM400 en Q690 snijvlakken (zoals te zien in Afbeelding 14).

Er kan worden geconcludeerd dat het snijeffect verslechtert met de toename van het Cr-gehalte in het materiaal en dat de oxidehuid aan de onderkant van het monster dikker wordt.

Fig. 12 - Fasediagram van geclusterde deeltjes

Fig. 13 - Analysediagram van de oxidelaag op het lasersnijoppervlak

Snijeffect display 20mm NM400

Snijeffect display 20mm Q690

Fig. 14

2.3 Analyse van de warmte beïnvloede zone

De kwaliteit van het lasersnijden is gerelateerd aan de warmte-beïnvloede zone op het oppervlak van de te snijden plaat. Als de warmte-beïnvloede zone niet onder controle is, kan dit leiden tot vervormingen, scheuren, broosheid, enz. op het oppervlak van de gesneden plaat.

Volgens de gegevensvergelijking in Figuur 15 is het bekend dat het lasersnijvermogen de belangrijkste factor is die de breedte van de snijsleuf beïnvloedt en dat de snijsnelheid de belangrijkste factor is die de strepen en ruwheid van het snijoppervlak beïnvloedt.

Daarom wordt bij het lasersnijden aanbevolen om de procesparameters zo veel mogelijk aan te passen om het gebied van de warmte-beïnvloede zone op het plaatoppervlak te minimaliseren om vervorming en verrijking van onderdelen te verminderen.

Fig. 15 - Invloed van vermogen en snelheid op kerf en snijoppervlak

Tijdens het eigenlijke testproces werden de snijprocesparameters geoptimaliseerd om te zorgen voor gladde snijoppervlakken en het vrij vallen van monsters van verschillende types en diktes.

Bij dezelfde snijkracht is er geen wezenlijk verschil in de breedte van de spleten tussen verschillende types en met dezelfde dikte.

Als gevolg hiervan is de oppervlakte van de warmte-beïnvloede zone van materialen met dezelfde dikte gelijk onder hetzelfde vermogen, wat slechts een kleine invloed heeft op de werkelijke oppervlakteruwheid en verwaarloosd kan worden.

3. Conclusie

De factoren die de snijkwaliteit van koolstofstaal door zuurstofsnijden beïnvloeden zijn onder andere de samenstelling van legeringen, materiaalmicrostructuur, thermische geleidbaarheid, smeltpunt en kookpunt.

Metalen met een hoog koolstofgehalte hebben meestal een hoog smeltpunt, waardoor ze moeilijk te smelten zijn en het snijden en doorboren langer duurt.

Dit resulteert in een bredere kerf en een grotere warmte-beïnvloede zone aan het oppervlak, waardoor de snijkwaliteit onstabiel wordt.

Gerelateerde lectuur: Dingen die je moet weten over lasergesneden kerf

Bovendien verhoogt een hoog gehalte aan legeringssamenstelling de viscositeit van vloeibaar metaal en de verhouding tussen spatten en slakken, waardoor er hogere eisen worden gesteld aan de aanpassing van het laservermogen en de blaasdruk tijdens het proces.

Gerelateerde lectuur: Hoe selecteer je het vermogen van een fiberlasersnijmachine?

Uit de bovenstaande tests blijkt dat wanneer zuurstof als hulpgas wordt gebruikt, het snijeffect verslechtert en de oppervlakteruwheid aanzienlijk toeneemt naarmate het gehalte aan C- en Cr-elementen in het materiaal toeneemt. Wanneer daarentegen lucht wordt gebruikt als hulpgas, blijft het snijeffect grotendeels onveranderd bij dezelfde dikte en hetzelfde vermogen.

Om de kwaliteit en efficiëntie van het snijden te garanderen, staan de aanbevolen soorten hulpgas voor verschillende snijvermogens en materialen in de volgende tabel:

1. Invloed van koolstofgehalte:

Bij hetzelfde laservermogen neemt de snijsnelheid geleidelijk af naarmate het koolstofgehalte toeneemt, terwijl het oppervlak van het monster ruwer wordt, de oxidehuid dikker wordt en het algehele effect verslechtert, wat leidt tot een vermindering van de diktelimiet van lasersnijplaten.

2. Invloed van chroomgehalte:

Met toenemend chroomgehalte hoopt de oxidehuid aan de onderkant van het oppervlak van het monster zich op en wordt merkbaar dikker, waardoor het snijoppervlak van boven naar beneden ruw wordt.

3. Invloed van siliciumgehalte:

Wanneer het siliciumgehalte in het materiaal hoger is dan 0,25%, neemt de snijsnelheid aanzienlijk af met toenemend siliciumgehalte en verschijnen er slakken op de bodem van het snijmonster.

4. Nikkelgehalte:

Het nikkelgehalte heeft weinig invloed op de kwaliteit van hoog vermogen laser knippen.

5. Invloed van mangaan en zwavel:

Als het mangaan- en zwavelgehalte in het materiaal respectievelijk 0,5% en 0,04% is, neemt de slak aan de onderkant van de snede geleidelijk toe naarmate de plaatdikte toeneemt.