Состав материала и качество лазерной резки: Понимание взаимосвязи

Технология лазерной резки произвела революцию в металлообработке, превзойдя традиционные методы благодаря своей экономичности, высокой скорости производства, точности и превосходному качеству. Эта передовая техника стала незаменимой при изготовлении изделий из углеродистой стали, нержавеющей стали, меди, алюминия и различных цветных металлов, утвердившись в качестве краеугольного камня в современной металлообработке.

Несмотря на широкое распространение, лазерная резка сталкивается с определенными проблемами. Особые проблемы возникают при обработке листов углеродистой стали одинаковой толщины, но разного состава с использованием постоянных параметров лазерной резки. Качество поверхности в результате резки значительно отличается, что подчеркивает сложную взаимосвязь между свойствами материала и взаимодействием лазера с материалом.

Для выяснения взаимосвязи между составом пластин и качеством реза были проведены комплексные исследования. В этих исследованиях использовались пластины из углеродистой стали различной толщины и химического состава с применением мощных волоконных лазеров от 6 до 30 кВт. В экспериментах изучались процессы резки как с кислородным, так и с воздушным сопровождением, что позволило получить широкий спектр данных для анализа.

Это исследование направлено на оптимизацию параметров лазерной резки для конкретных составов материалов, повышение качества резки и эффективности процесса. Понимание этих нюансов имеет решающее значение для достижения стабильных и высококачественных результатов для различных марок углеродистой стали, что в конечном итоге повышает точность производства и сокращает отходы материалов в промышленности.

Похожие статьи: Применение воздуха в качестве вспомогательного газа при лазерной резке

1. Экспериментальное оборудование и методы

1.1 Экспериментальное оборудование

Эксперимент проводился с использованием волоконного лазера мощностью 30 кВт, который представляет собой многомодовый лазер непрерывного излучения с длиной волны 1080 нм и диаметром сердцевины 150 мкм. Сайт лазерная головка В эксперименте использовалась лазерная головка Genius 30 (30 кВт).

Квазидиаметральное фокусное расстояние лазерной головки составляло 100 мм, а фокусирующее зеркало имело фокусное расстояние 200 мм, что позволяло осуществлять автоматическую фокусировку. Для обеспечения стабильной работы волоконного лазера мощностью 30 кВт и поддержания его оптимальной производительности в качестве вспомогательного оборудования использовался водяной радиатор с мощностью охлаждения 70,0 кВт.

Рис. 1 - Экспериментальный лазер, лазерная головка

1.2 Вспомогательные материалы

Для обеспечения точности, эффективности и ясности экспериментальных данных в качестве материалов для испытаний использовались листы углеродистой стали различной толщины, в том числе Q235, Q345, и углеродистой стали Q460. Для получения более подробной информации, пожалуйста, обратитесь к листу данных экспериментальной пластины.

В качестве вспомогательного газа использовался кислород 99,9%, давление подачи воздуха составляло 5 бар. Чтобы обеспечить достаточное количество сопел, для эксперимента были подготовлены сопла, указанные в паспорте экспериментального сопла.

Таблица 1 Данные экспериментальной плиты

Таблица 2 Таблица данных экспериментального сопла

1.3 Экспериментальные методы

При условии, что качество пятна (оптическое волокно и лазерная головка были чистыми и неповрежденными, проверено с помощью теста фотобумаги), давление воздуха (кислород поддерживался на стабильном уровне 5 бар, а воздух - на стабильном уровне 11 бар) и внутренние линзы лазерной головки (чистые, без грязи и следов ожогов) были в норме, внутренние модули контролировались с помощью внутреннего программного обеспечения управления лазера, и максимальная выходная мощность была настроена на 12 кВт, 20 кВт и 30 кВт соответственно.

Эксперименты по резке проводились на пластинах различных типов и толщин, описанных в таблице 1, при трех вышеуказанных режимах мощности. Периметр разрезанного образца составлял 205,6 мм, как показано на рис. 2.

Вырезанные образцы были проанализированы и сравнены путем изучения плотности пористости, шероховатости и соответствующих параметров процесса на поверхности вырезанных образцов.

Рис. 2 - Схематическое изображение образца для резки

2. Результаты испытаний

2.1 Анализ параметров резания

В ходе эксперимента пять факторов, влияющих на скорость резания (мощность лазерадавление режущего газа, фокус и отверстие сопла) учитывались для того, чтобы образцы после резки автоматически отделялись, не содержали шлака, гари, капель и имели высокую чистоту поверхности. Параметры процесса регулировались для достижения наилучшего эффекта резки для различных материалов и толщин.

Похожие статьи: Диаграмма толщины и скорости лазерной резки

Конкретные параметры см. в таблице 3.

Таблица 3 Таблица экспериментальных параметров

2.1.1 Анализ скорости резания

Данные, приведенные в таблице 3, показывают, что при мощности лазера 20 кВт в качестве тестового фона скорость резки пластин толщиной 20 мм и 30 мм, изготовленных из Q345, сталь 45#, NM400 и T10 были сравнены, как показано на рисунке 3.

При одинаковой мощности лазера, толщине листа и использовании кислорода в качестве вспомогательного газа скорость резки листа T10 была самой низкой, а скорость резки NM400 - самой высокой. Между скоростями резки стали Q345 и 45# не было существенной разницы.

Можно сделать вывод, что содержание углерода в режущем материале оказывает наиболее значительное влияние на скорость резания. По мере увеличения содержание углерода в пластине увеличивается, скорость резания пластины с одинаковой толщиной постепенно снижается. Кроме того, при увеличении содержания редких элементов (таких как Cr, Ni) в пластине скорость резания постепенно снижается.

Рис. 3-20 кВт Сравнение скорости резки

2.1.2 Анализ давления вспомогательного воздуха

Лазерная резка углеродистой стали с кислородом в качестве вспомогательного газа работает за счет использования энергии, генерируемой источником лазерного излучения, и реакции окисления в процессе резки.

Очевидно, что давление кислорода оказывает значительное влияние на различные типы пластин.

Таблица 4. Данные процесса резки 20 мм и 30 мм стали Q345, 45# и T10 лазером мощностью 20 кВт, как показано в таблице 3, показывают, что для различных типов пластин одинаковой толщины давление вспомогательного газа увеличивается по мере увеличения содержания углерода в пластинах для достижения оптимальных результатов резки.

Рис. 4-20 кВт Сравнительная диаграмма давления вспомогательного воздуха

2.1.3 Анализ фокуса резки

Данные предыдущего испытания показывают, что при резке сталей Q235, Q345, 45# и T10 одинаковой толщины с использованием кислорода в качестве вспомогательного газа для резки, сталь 45# и сталь T10 содержат больше углерода, чем Q235 и Q345.

В процессе резки на поверхности образуется большое количество пор из углекислого газа, что приводит к образованию шероховатой поверхности.

Эффект резки остается неизменным при изменении фокуса резки в пределах ±1, поэтому фокус можно уменьшить для повышения скорости резки. Однако эффект резки Q235 и Q345 чувствителен к фокусу резки, поэтому они не имеют такого преимущества.

2.2 Анализ эффекта от ввода в эксплуатацию

В таблице ниже представлены результаты резки пластин различных типов и толщины с использованием различных вспомогательных газов и мощности резки.

Как видно из таблицы 4, при использовании одинаковой мощности резания сравнивались эффекты резания различных типов пластин одинаковой толщины.

Результаты показали значительную разницу в шероховатость поверхности среди образцов, вырезанных из различных материалов, причем образец Q345B показал наилучший эффект резания. Поверхностная оксидная пленка была тонкой, а шероховатость поверхности - минимальной.

С другой стороны, оксидная шкурка на поверхности резания образца NM400 демонстрировала явное расслоение. Верхняя сторона поверхности резания была гладкой, в то время как нижняя сторона имела более толстую оксидную кожу, что привело к более высокой шероховатости поверхности образца.

Срез образца 45# был грубым, с явным выступом оксидной шкурки на нижней стороне.

Образец T10 имел худший эффект резания, с шероховатой поверхностью, многочисленными порами и заметной оксидной шкуркой на нижней стороне.

Для сравнения, поверхности резания Q345B, NM400 и 45# имели лучшую шероховатость поверхности оксидной шкурки, чем пластина T10.

Таблица 4 Таблица экспериментальных эффектов

2.2.1 Анализ температуры плавления материала

В этом эксперименте были испытаны четыре типа материалов: Q235, Q345B, NM400 и 45# листы углеродистой стали. Содержание углерода в них составляет 0,22%, 0,20%, 0,25% и 0,47% соответственно.

Изучая фазовая диаграмма железо-углерод на рисунке 5 видно, что температура плавления этих четырех материалов составляет примерно 1500°C.

Лазерная резка углеродистой стали используется лазер в качестве источника тепла для предварительного нагрева и кислород в качестве вспомогательного газа. При этом происходит экзотермическая реакция окисления материалов с выделением значительного количества энергии окисления (как показано в следующей формуле).

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

Установлено, что температура в месте обработки пластины превысила 1726,85°C из-за энергии, выделяемой лазером, и процесса окисления во время лазерная обработка. Эта температура значительно выше, чем температуры плавления материалов Q235, Q345B, NM400 и 45#.

На основании этого анализа можно сделать вывод, что температуры плавления этих материалов оказывают ограниченное влияние на эффект образования оксидной окалины на поверхности после резки.

Рис. 5 - Фазовая диаграмма Fe-C

2.2.2 Анализ химического состава материалов

Химический состав различных стальных пластин, использованных в данном эксперименте, был определен с помощью спектрального анализатора. Результаты приведены в таблице 5.

Таблица 5 Анализ химических элементов

1) Анализ содержания элементов Mn

Согласно таблице 5, в которой сравниваются элементы Q235 и Q345B, оба материала классифицируются как низкоуглеродистая сталь. Содержание других элементов в материалах существенно не отличается, за исключением содержания марганца, которое составляет 0,65% для Q235 и 1,70% для Q345B. Эта разница в содержании марганца служит ориентиром для изучения взаимосвязи между качеством лазерной резки и содержанием марганца в материале.

Эффекты поверхности резания двух материалов показаны на рисунке 6. Результаты показывают, что поверхность чистая и яркая, с одинаковой шероховатостью, при этом экспериментальные параметры оставались постоянными.

Исходя из этих данных, можно сделать вывод, что элемент Mn оказывает незначительное влияние на эффект лазерной резки обычной низкоуглеродистой стали.

Q235-20kw-20mm

Q345B-20kw-20mm

Рис. 6

2) Анализ содержания S-элементов

Данные, приведенные в таблице, показывают, что максимальное различие в содержании элементов серы (S) между листами составляет всего 0,05%. Этой информации недостаточно для определения влияния содержания S-элемента на качество резки.

Дальнейший анализ данных показывает, что при содержании марганца (Mn) и серы (S) в пластине около 0,5% и 0,25% соответственно, шлак в нижней части поверхности резания увеличивается с увеличением толщины пластины, что приводит к постепенному снижению качества резания.

Таблица 6 Сравнение элементов S и Mn

3) Анализ содержания элементов Si

Было замечено, что когда содержание кремния (Si) в металлической пластине ниже 0,25%, скорость резки углерода стальная пластина с содержанием Si более 0,25% замедляется более чем на 20% по сравнению с пластиной из углеродистой стали с содержанием Si менее 0,25%. Кроме того, в нижней части листа образуется значительное количество шлака.

4) Анализ содержания элемента C

При сравнении содержания элементов в Q235, 45# и T10 выяснилось, что Q235 относится к низкоуглеродистой стали, 45# - к среднеуглеродистой, а T10 - к высокоуглеродистой.

Изучив таблицу элементов, можно заметить, что существенные различия наблюдаются только между углеродом (C) и марганцем (Mn).

При высокой температуре и достаточном количестве кислорода в качестве вспомогательного газа углерод реагирует с кислородом следующим образом:

C+O₂→CO₂(g)（393.5KJ/mol）

Теоретический анализ показывает, что при увеличении содержания углерода в материале количество углекислого газа, образующегося в результате реакции окисления, в присутствии кислорода в качестве вспомогательного газа также увеличивается, что приводит к увеличению количества пор на поверхности реза материала.

На рисунке 4 показано, что с увеличением содержания внутреннего углерода в стали Q235, 45# и T10 количество пор на поверхности резания также увеличивается.

Рис. 7 - Сравнительная диаграмма содержания углерода в материалах

При сравнении материалов Q235 и Q345B было обнаружено, что содержание марганца (Mn) оказывает минимальное влияние на эффект резания и может не учитываться.

На рис. 8 показан фактический эффект резания трех материалов с одинаковой толщиной. Результаты показывают, что поверхность Q235 яркая с низкой шероховатостью, поверхность 45# шероховатая со значительно более толстой оксидной шкуркой в нижней части, а поверхность T10 самая шероховатая с самой толстой оксидной шкуркой.

По результатам фактических испытаний можно сделать вывод, что содержание углерода в материале оказывает заметное влияние на эффект резания. С увеличением содержания углерода увеличивается количество пор на поверхности резания, толщина поверхностной оксидной пленки становится толще, а шероховатость поверхности - больше.

Рис. 8-Q235-30кВт-40мм (слева), 45 # - 30кВт-40мм (посередине), T10-30кВт (справа)

5) Анализ содержания элементов Ni

В таблице 7 представлены типы и содержание химических элементов в материалах Q235 и Q460. Разница в содержании никеля (Ni) в этих двух материалах очевидна.

Соответственно, испытания на резку проводились на пластинах одинаковой толщины для обоих материалов. Результаты фактического качества резки показаны на рис. 10.

Нет заметной разницы в разводах на поверхности, толщине оксидной пленки и шероховатости поверхности.

На основании этих результатов можно сделать вывод, что в обычной низкоуглеродистой стали содержание никеля не оказывает существенного влияния на качество резки мощными лазерами.

Рис. 9 - Сравнительная диаграмма содержания никеля в материалах

Таблица 7 Сравнение элементов Ni

Q460-20mm-20KW

Q235-20mm-20KW

Рис. 10

6) Анализ содержания элементов Cr

При сравнении содержания элементов в листе видно, что содержание элемента хрома (Cr) в материалах NM400 и Q690 значительно выше, чем в других материалах, как показано на рисунке 4.2-5.

Рис. 11 Сравнительная диаграмма содержания хрома в материалах

Во время процесс лазерной резкиБольшинство элементов в пластине окисляются вспомогательным газом, кислородом, и выделяют большое количество тепла при нагреве лазером. Это приводит к образованию значительной зоны термического влияния на поверхности пластины.

В этой зоне термического воздействия хром (Cr) в пластине окисляется кислородом и образует плотный Cr₂O₃ и других оксидов, которые увеличиваются с ростом температуры. Оксид постепенно растет и образует кластероподобную гранулированную структуру, как показано на рис. 12.

С течением времени в доме появляется₂O₃ Оксидная кожа с высоким поверхностным напряжением и меньшей склонностью к растрескиванию образуется на резка металла поверхность, что предотвращает реакцию окисления между элементами под Cr₂O₃ окисление и O₂ (как показано на рисунке 13). Это приводит к значительному снижению шероховатости поверхности на нижней стороне режущих поверхностей NM400 и Q690 (как показано на рис. 14).

Можно сделать вывод, что эффект резания ухудшается с увеличением содержания Cr в материале, а оксидная шкурка на дне образца становится толще.

Рис. 12 - Фазовая диаграмма кластеризованных частиц

Рис. 13 - Диаграмма анализа оксидного слоя поверхности лазерной резки

Дисплей с эффектом резки 20 мм NM400

Дисплей с эффектом резки 20 мм Q690

Рис. 14

2.3 Анализ зоны термического влияния

Понятно, что качество лазерной резки связано с зоной теплового воздействия на поверхности разрезаемого листа. Если зона термического воздействия не контролируется, это может привести к искажениям, трещинам, хрупкости и т.д. на поверхности разрезаемого листа.

Из сравнения данных на рисунке 15 следует, что мощность лазерной резки является основным фактором, влияющим на ширину щели, а скорость резки - основным фактором, влияющим на разводы и шероховатость поверхности реза.

Поэтому при лазерной резке рекомендуется максимально настроить параметры процесса, чтобы минимизировать площадь зоны термического влияния на поверхности пластины, чтобы уменьшить деформацию и обогащение деталей.

Рис. 15 - Влияние мощности и скорости на пропил и поверхность резания

В процессе испытаний параметры процесса резки были оптимизированы для обеспечения гладких поверхностей реза и свободного падения образцов различных типов и толщин.

При одинаковой мощности резания нет существенной разницы в ширине щелей между различными типами и одинаковой толщиной.

В результате площадь зоны термического воздействия материалов одинаковой толщины при одинаковой мощности оказывается одинаковой, что оказывает лишь незначительное влияние на фактическую шероховатость поверхности и может быть проигнорировано.

3. Заключение

К факторам, влияющим на качество резки углеродистой стали кислородной резкой, относятся состав сплавов, микроструктура материала, теплопроводность, температура плавления и кипения.

Металлы с высоким содержанием углерода обычно имеют высокую температуру плавления, что затрудняет их расплавление и приводит к увеличению времени резки и прокалывания.

Это приводит к расширению пропила и увеличению зоны термического влияния на поверхности, что вызывает нестабильное качество резки.

Похожие статьи: Что вы должны знать о лазерной резке пропила

Кроме того, высокое содержание легирующего состава увеличивает вязкость жидкого металла и повышает соотношение брызг и шлака, что предъявляет повышенные требования к регулировке мощности лазера и давления обдува в процессе обработки.

Похожие статьи: Как выбрать мощность станка для лазерной резки?

Приведенные выше испытания показывают, что при использовании кислорода в качестве вспомогательного газа эффект режущей поверхности ухудшается, а шероховатость поверхности значительно увеличивается по мере увеличения содержания элементов C и Cr в материале. С другой стороны, при использовании воздуха в качестве вспомогательного газа эффект резки остается практически неизменным при той же толщине и мощности.

Для обеспечения качества и эффективности резки рекомендуемые типы вспомогательного газа для различных мощностей резки и материалов приведены в следующей таблице:

1. Влияние содержания углерода:

При одинаковой мощности лазера, по мере увеличения содержания углерода, скорость резки постепенно снижается, поверхность образца становится более шероховатой, оксидная пленка становится толще, и общий эффект ухудшается, что приводит к снижению предельной толщины пластин для лазерной резки.

2. Влияние содержания хрома:

С увеличением содержания хрома оксидная шкурка в нижней части поверхности образца накапливается и заметно утолщается, в результате чего поверхность реза становится шероховатой сверху вниз.

3. Влияние содержания кремния:

Когда содержание кремния в материале превышает 0,25%, скорость резания значительно снижается с увеличением содержания кремния, а на дне режущей пробы появляется шлак.

4. Содержание никеля:

Содержание никеля практически не влияет на качество лазер высокой мощности резка.

5. Влияние содержания марганца и серы:

Когда содержание марганца и серы в материале составляет 0,5% и 0,04% соответственно, шлак на дне реза постепенно увеличивается по мере увеличения толщины листа.