کدام گاز کمکی برای دستگاه برش لیزری بهتر است؟ [4 گاز]

مقایسه برش لیزر با انواع مختلف گازهای کمکی

انواع گازهای کمکی

1- اکسیژن Oxygen

امکان تهیه هوای فشرده مستقیماً از طریق کمپرسور هوا وجود دارد که نسبت به اکسیژن و نیتروژن آسانتر و بسیار ارزانتر است. اگرچه هوا تنها حدود 20 درصد اکسیژن دارد، اما راندمان برش آن قابل مقایسه با اکسیژن نیست، اما ظرفیت برش آن نزدیک به نیتروژن است و راندمان برش هوا کمی بیشتر از نیتروژن است. صفحه برش هوا به رنگ زرد است. در شرایطی که نیاز به رنگ سطح برش مواد نیست، استفاده از هوای فشرده جایگزین مناسبی برای نیتروژن است، و اقتصادی‌ترین و کاربردی‌ترین گزینه ممکن است.

4-گاز کمکی آرگون Argon

آرگون یک گاز بی‌اثر است که می‌تواند در برش لیزری جلوگیری از اکسیداسیون و نیترید شدن را تأمین کند. همچنین به عنوان محلول در جوشکاری استفاده می‌شود. هرچند، قیمت آرگون از نیتروژن بالاتر است و به همین دلیل استفاده از الکترود آرگون در برش لیزری عمومی مقرون به صرفه نیست. برش آرگون اصولاً برای تیتانیوم، آلیاژهای تیتانیوم و غیره استفاده می‌شود. سطح برش پس از برش آرگون به رنگ سفید درمی‌آید.

شماره های تماس با مگاماشین برای سفارش دستگاه های گوناگون

02155491014

09120846701

مقایسه اقتصادی برش لیزر هوای فشرده و برش لیزر نیتروژن:

در حال حاضر، نیتروژن مایع موجود در بازار حدود 1400 تن / یوان است. نیتروژن مایع برای برش لیزری به مخزن Dewar نیاز دارد که به طور کلی 120 کیلوگرم در قوطی است و قیمت 1 کیلوگرم آن بیش از 3 یوان است. با توجه به 1400 تن/ یوان ، وزن مخصوص نیتروژن در حالت استاندارد 1.25 کیلوگرم بر متر مکعب است.

• بنابراین حداکثر مصرف نیتروژن مایع در مخزن Dewar حدود 1.25/120 = 96 نیوتن متر مکعب است.
• هزینه نیتروژن در هر 168/96 = 1.75 yuan/Nm3 یوان بر نیوتن مترمکعب است.
• اگر از کمپرسور هوا Baode PM15TK-16 برای تامین هوای فشرده 16 بار استفاده شود، می تواند 1.27 متر مکعب در دقیقه را تامین کند.
• توان ورودی بار کامل این نوع کمپرسور هوا، 13.4 کیلو وات می باشد.
• اگر شارژ برق صنعتی، 1.0 یوان بر کیلووات ساعت محاسبه شود، هزینه هوا در هر متر مکعب  0.176 یوان است.
• با توجه به مصرف واقعی 0.5 متر مکعب گاز در دقیقه و دستگاه برش لیزری که 8 ساعت در روز کار می کند، هزینه برش هوا در مقایسه با برش نیتروژن صرفه جویی می شود: (1.75 – 0.176) × 8 × 60 × 0.5 = 378 یوان.
• اگر دستگاه برش لیزر 300 روز در سال کار کند، می توان در هزینه مصرف گاز به میزان 113400 یوآن صرفه جویی کرد. بنابراین استفاده از هوای فشرده به جای برش نیتروژنی بسیار مقرون به صرفه و کاربردی است. هزینه گاز صرفه جویی شده در یک سال برای خرید سه کمپرسور هوا یکپارچه با کیفیت بالا کافی است.

عوامل موثر بر کیفیت برش لیزری

1- عواملی برای ارزیابی کیفیت برش لیزری

استانداردهای زیادی برای قضاوت در مورد کیفیت لبه برش لیزری وجود دارد. رسوب مواد، خوردگی، ناحیه تحت تاثیر حرارت و تغییر شکل نیز عوامل مهمی برای اندازه گیری کیفیت برش لیزر هستند. رایج ترین کیفیت ضعیف برش بیش از حد سوزاندن و آویزان شدن سرباره است. قدرت دستگاه برش لیزر، فرکانس پالس لیزر، سرعت برش، فوکوس پرتو، جهت قطبش پرتو، اندازه نازل، فشار گاز کمکی و سرعت جریان بر ارزیابی فاکتورهای کیفیت برش لیزر تأثیر می‌گذارد.

1-1- سوزش بیش از حد

سوزش بیش از حد ناشی از این واقعیت است که گرمای حاصل از ذوب قطعه کار نمی تواند توسط جریان هوای پرفشار در زمانی که قدرت لیزر بسیار زیاد است یا سرعت برش خیلی کم است، منتقل شود. می توان توان لیزر را کاهش داد و یا نرخ جریان گاز را افزایش داد تا مشکل برش با سوختن بیش از حد را حل کند.

1-2- سرباره چسبنده یا فرز

توان لیزر ناکافی است، یا فشار گاز کمکی کافی نیست، یا سرعت برش خیلی سریع است، به طوری که گاز کمکی نمی تواند مواد ذوب شده یا گاز شده تولید شده در فرآیند برش را به طور کامل به بیرون بدمد، و در نتیجه سرباره به قسمت لبه برش پایینی می چسبد.

2- عواملی برای ارزیابی کیفیت برش لیزری

موقعیت فوکوس پرتو لیزر تأثیر مهمی بر کیفیت برش دارد. هنگام برش مواد مختلف، موقعیت های فوکوس مختلف باید تنظیم شود. تأثیر موقعیت فوکوس پرتو بر کیفیت برش در شکل 4 نشان داده شده است. شکل 4 تأثیر تمرکز پرتو بر کیفیت برش را نشان میدهد.

شماره های تماس با مگاماشین برای سفارش دستگاه های گوناگون

02155491014

09120846701

3- تاثیر سرعت برش بر کیفیت برش

3-1- زمانی که سرعت برش خیلی زیاد است

• ممکن است باعث عدم توانایی برش با جرقه های پاشیده شود.
• برخی از مناطق را می توان قطع کرد، برخی از مناطق را نمی توان قطع کرد.
• کل بخش برش خشن است.
• یک الگوی برش مورب تشکیل شده و سرباره در قسمت پایین صفحه تولید می شود

3-2- زمانی که سرعت برش خیلی کند باشد

• صفحه برش بیش از حد ذوب شده و بخش برش ناهموار است.
• هنگامی که درز برش پهن می شود، کل ناحیه در فیله کوچک یا گوشه تیز ذوب می شود و در نتیجه بیش از حد می سوزد.
• راندمان برش کاهش می یابد.

4- تاثیر نازل بر کیفیت برش لیزری

• هنگامی که مرکز نازل با مرکز پرتو لیزر متفاوت است، جریان هوای پرسرعت از نازل باعث دمیدن مواد مذاب می شود که باعث می شود سرباره در یک طرف و نه در طرف دیگر وجود داشته باشد.
• این پدیده هنگام برش صفحه با ضخامت 3 میلی متر آشکار است و در شرایط جدی نمی توان آن را برش داد.
• اگر اندازه نازل باید مناسب باشد :
• برش صفحه ضخیم نیاز به قدرت لیزر بالایی دارد و قطر نقطه ای که با فوکوس لیزری روی صفحه پیش بینی می شود نیز زیاد است که لازمه آن این است که قطر نازل عبوری از پرتو نیز زیاد باشد.
• اگر قطر نازل خیلی زیاد باشد:
• از یک طرف، سرعت جت هوا از نازل آهسته خواهد بود و توانایی دمیدن مواد مذاب ضعیف می شود و بخش برش ممکن است سوراخ ایجاد کند.
• از طرف دیگر، به دلیل اندازه بزرگ نازل و سرعت پایین جریان هوا، سرباره و دود ایجاد شده توسط برش لیزری به راحتی به داخل نازل پاشیده شده و به لنز محافظ آسیب می رساند.
• برای دستگاه لیزر پرقدرت، پرتو لیزر منعکس شده ممکن است سر لیزر را بسوزاند.

عوامل مؤثر بر ضخامت و راندمان برش لیزری فلزات

از تعداد زیادی از اقدامات، عوامل اصلی موثر بر ضخامت برش لیزر فلز و راندمان برش عبارتند از توان دستگاه برش لیزر، نوع گاز کمکی، فشار و سرعت جریان گاز کمکی. هنگام انتخاب کمپرسور هوا برای دستگاه برش لیزر، این عوامل باید به طور جامع در نظر گرفته شوند. طبق آزمایش 4 تحقیق برش لیزری انجام شده توسط دانشگاه Tsinghua، تأثیر توان لیزر و فشار گاز کمکی بر توانایی برش لیزری در شکل 6 نشان داده شده است. سرعت برش 3 متر در دقیقه، قطر لکه 0.16 میلی متر، شکل نازل مخروطی، قطر کف نازل 1.5 میلی متر و فاصله بین نازل و قطعه کار 1 میلی متر است. همانطور که از شکل 6 (الف) مشاهده می شود، اگر توان لیزر برای ورق فولادی کم کربن با ضخامت 2 میلی متر کمتر از 860 وات باشد، مهم نیست که چقدر فشار نیتروژن گاز کمکی افزایش یابد، قطعه کار نمی تواند بریده شود زیرا انرژی ارائه شده توسط لیزر برای نفوذ به قطعه کار کافی نیست.

اگر توان لیزر به اندازه ای باشد که بتواند به قطعه کار نفوذ کند، هر چه توان لیزر بیشتر باشد، فشار گاز کمکی مورد نیاز کمتر می شود. از شکل 6 (ب) می توان دریافت که اگر از اکسیژن برای برش ورق فولادی کم کربن با ضخامت یکسان استفاده شود، تأثیر انرژی لیزر و فشار گاز کمکی بر توانایی برش، مشابه با برش با نیتروژن است.

با این حال، توان لیزر و فشار گاز کمکی مورد نیاز برای برش بسیار کاهش می یابد. این به این دلیل است که اکسیژن در طول برش با آهن واکنش می دهد که حدود چهار برابر قدرت لیزر گرما آزاد میکند. این نیز توضیح می دهد که چرا دستگاه های برش لیزر معمولی با توان متوسط ​​ترجیح می دهند هنگام برش صفحه فولادی کم کربن 2 میلی متر یا بیشتر از برش اکسیژن استفاده کنند. هنگام برش صفحه فولاد کربنی با هوای فشرده، حدود 20 درصد اکسیژن در هوا وجود دارد. این قسمت از اکسیژن نیز با عنصر آهن واکنش می دهد و در حین برش گرما آزاد می کند. بنابراین، راندمان برش صفحه فولاد کربنی با هوای فشرده کمی بیشتر از نیتروژن است. علاوه بر این، ظرفیت برش تولید کنندگان مختلف دستگاه های برش لیزر، به دلیل تکنولوژی متفاوت لیزر، یکسان نیست. این مقاله داده های عمومی چندین سازنده نماینده را برای مرجع استخراج می کند.

شماره های تماس با مگاماشین برای سفارش دستگاه های گوناگون

02155491014

09120846701

جدول 1 حداکثر ضخامت برش دستگاه برش لیزر هان، میلی متر

جدول 2 حداکثر ضخامت برش دستگاه برش لیزر HG، میلی متر

جدول 3 حداکثر ضخامت برش دستگاه برش لیزری Bystronic، میلی متر

با توجه به کاهش هزینه لیزر، هزینه کلی دستگاه برش لیزر بسیار کاهش یافته است. در حال حاضر توان دستگاه های برش لیزری خریداری شده توسط کاربران عمومی پردازش فلز 3000-4000 وات است. تعداد کمی از کاربران فرآوری فلز در بازار مواد فلزی عمدتاً، دستگاه برش لیزری با توان فوق‌العاده 12000 تا 15000 وات خریداری می‌کنند. بنابراین به طور کلی می توان از برش لیزر برای ورق فولادی کم کربن با ضخامت کمتر از 22-25 میلی متر، صفحه فولاد ضد زنگ، صفحه آلیاژ آلومینیوم و ورق آلیاژ مس کمتر از 10-16 میلی متر استفاده کرد. در میان آنها، ورق فولادی کم کربن با ضخامت کمتر از 2-2.5 میلی متر باید با هوای فشرده با فشار بالا بریده شود.

ورق فولادی کم کربن با ضخامت 2-2.5 میلی متر باید توسط اکسیژن بریده شود. ورق فولادی ضد زنگ، ورق گالوانیزه، صفحه آلیاژ آلومینیوم و صفحه آلیاژ مس باید با نیتروژن یا هوای فشرده با فشار بالا برش داده شوند.

انتخاب کمپرسور هوا

6-1- انتخاب فشار و جابجایی کمپرسور هوا

• با توجه به بحث قبلی، مشکل ضخامت صفحه بریده شده توسط دستگاه برش لیزر مجهز به کمپرسور هوا عمدتاً به توان لیزر بستگی دارد، اما ارتباط چندانی با فشار هوای فشرده ندارد. اگر قدرت لیزر به اندازه کافی بزرگ باشد، فشار هوای فشرده نیز می تواند کاهش یابد. اگر توان لیزر به اندازه کافی بزرگ نباشد، فشار هوای فشرده را نمی توان قطع کرد. تا زمانی که قدرت لیزر به اندازه کافی زیاد باشد، هر چه فشار هوای فشرده بیشتر باشد، کیفیت برش لیزر بهتر و بازده برش بالاتر خواهد بود.
• فشار مورد نیاز کمپرسور هوا پشتیبان دستگاه برش لیزر نیز از 8 بار اولیه به 13 بار در دو سال قبل و سپس به 16 بار در حال حاضر افزایش یافته است و هنوز تا 20-30 بار در حال توسعه است.
• برای دستگاه برش لیزری که از هوای فشرده به عنوان گاز کمکی استفاده می کند، هوای فشرده پس از خشک شدن و تصفیه به سه کانال تقسیم می شود که به ترتیب به عنوان گاز برش، منبع قدرت سیلندر و گاز حذف گرد و غبار با فشار مثبت مسیر نوری برای حفظ عملکرد طبیعی دستگاه برش لیزر استفاده می شود. نسبت گاز برش حدود 80-90 درصد کل مصرف هوای فشرده است.
• برای دستگاه برش لیزری که از هوای فشرده استفاده نمی کند اما از نیتروژن یا اکسیژن به عنوان گاز کمکی استفاده می کند، همچنان به یک کمپرسور هوای کوچک نیاز است تا منبع توان سیلندر را با منبع هوای اتمسفر 6-7 بار تامین کند.
• چه مقدار کمپرسور هوا باید برای دستگاه برش لیزر با هوای فشرده به عنوان گاز کمکی تجهیز شود؟
• به عنوان گاز کمکی، هوای فشرده به صورت هم محور با پرتو لیزر به بیرون از نازل پاشیده می شود تا به برش لیزر کمک کند. محاسبه جریان هوای فشرده از طریق نازل می تواند تعیین کند که چه مقدار کمپرسور هوا باید تجهیز شود. فشار مطلق هوا قبل و بعد از خروج نازل به ترتیب P و P0 تنظیم می شود.

بر اساس تئوری نازل، زمانی که P0/P ≤ 0.528 باشد، سرعت جریان هوای فشرده که از نازل عبور می کند در حالت استاندارد به شرح زیر است:

بطوریکه:

• Q – جریان هوا، L/min
• S – مساحت موثر نازل، m2

• μ – ضریب جریان، μ < 1، به طور کلی 0.92-0.94 در نظر گرفته می شود
• الف – ناحیه نازل
• d – قطر نازل، m
• p – فشار مطلق در جلوی نازل، Pa
• T – دمای رکود گاز در جلوی نازل، K
• p – فشار مطلق در جلوی نازل، Pa
• T – دمای رکود گاز در جلوی نازل، K
• در محاسبه دبی کمپرسور هوا باید ماشین برش لیزر را بدون زمان سفر در نظر گرفت، زمان کار واقعی بین 50-70٪ است.

جابجایی واقعی مورد نیاز QN به صورت زیر محاسبه می شود:

با توجه به قدرت دستگاه برش لیزر، مشخصات هفت نازل رایج عبارتند از: 1.0، 1.5، 2.0، 2.5، 3.0، 3.5، 4.0 میلی متر.

مثال 1:

• دستگاه برش لیزری کاربر از یک نازل 2.0 میلی متری استفاده می کند و انتظار می رود فشار برش به فشار مطلق 1.6 مگاپاسکال برسد.

کمپرسور هوا چگونه باید مجهز شود؟

پاسخ:

• همانطور که در شکل 7 نشان داده شده است، جریان هوای فشرده  m3/min 0.491 برای نازل 2.0 میلی متری برای حفظ فشار مطلق 1.6 مگاپاسکال لازم است. اگر زمان واقعی خروج گاز 70٪ و 90٪ از جابجایی هوای کمپرسور برای محاسبه برش کمکی استفاده شود، حجم گاز مورد نیاز: 0.491 * 0.7/0.9 = 0.382 m3/min میباشد. ظرفیت تخلیه اسمی کمپرسور 0.97 Baode11TK/16  متر مکعب در دقیقه است.

شماره های تماس با مگاماشین برای سفارش دستگاه های گوناگون

02155491014

09120846701

6-2- انتخاب نوع و سیستم کمپرسور هوا

کیفیت هوای فشرده تاثیر مستقیمی بر کیفیت برش لیزری دارد و دستگاه برش لیزر به طور کلی نیاز به کار مداوم دارد، بنابراین کمپرسور هوا به طور کلی در نزدیکی دستگاه برش لیزر قرار می گیرد. کمپرسور هوا باید مجهز به یک خشک کن خوب باشد تا رطوبت هوای فشرده را تا حد امکان از بین ببرد و گروه فیلتر با دقت کافی بعد از خشک کن باید برای فیلتر کردن کامل ذرات روغن و گرد و غبار تجهیز شود. پس از عملیات، نقطه شبنم فشار هوای فشرده به 2-5 درجه سلسیوس می رسد، محتوای روغن باقیمانده کمتر از 0.001 ppm و محتوای ذرات کمتر از 0.01 میکرومولار است. پس از خشک شدن هوای فشرده، دما به دمای نزدیک به دمای معمولی باز می گردد که می تواند به طور موثر از تراکم مجدد جلوگیری کند. چنین هوای فشرده با کیفیت بالا می تواند عملکرد پایدار طولانی مدت دستگاه برش لیزری را بدون پاک کردن مکرر لنز محافظ برآورده کند.کمپرسور هوای پیستونی به راحتی به فشار بالا میرسد، اما کمپرسور هوای پیستونی پر سر و صدا است، بخش‌های آسیب‌پذیر زیادی دارد و روغن اگزوز به خوبی وارد نمیشود. بنابراین استفاده از کمپرسور هوای پیستونی زیر 1.6 مگاپاسکال توصیه نمی شود. به طور کلی توصیه می شود کمپرسور هوا پیچی با خشک کن سرد مناسب و فیلتر دقیق زیر 1.6 Mpa انتخاب شود. کمپرسور باید از موتور فرکانس متغیر مغناطیس دائمی استفاده کند که می تواند ثبات فشار هوا را حفظ کند و بهترین اثر برش را تضمین کند. از آنجایی که اکثر کاربران دانش کمپرسور هوا و تصفیه هوای فشرده را ندارند، اگر کاربران کمپرسور هوا، مخزن ذخیره هوا، خشک کن سرد و فیلتر را یکی یکی خریداری کنند و سپس خودشان نصب کنند، مشکل ساز نیست. اما احتمالاً کل سیستم نمی تواند الزامات کیفیت هوای فشرده مورد نیاز را برآورده کند.

کمپرسور هوا یکپارچه، کمپرسور، مخزن ذخیره هوا، جداکننده آب، خشک کن سرد و فیلتر را در یک واحد ادغام می کند که از دردسر مخزن گاز، خشک کن سرد و فیلتر، مشکل نصب و اتصال کاربر در محل جلوگیری می کند. این می تواند هوای فشرده مداوم، پایدار و تمیز را فراهم کند، که یک انتخاب ایده آل برای پشتیبانی از دستگاه برش لیزری با قدرت بالا است. این نوع کمپرسور هوای یکپارچه در شکل 13 نشان داده شده است.

در حال حاضر، دستگاه برش لیزری که به هوای فشرده بیش از 1.6 مگاپاسکال نیاز دارد، عمدتاً از کمپرسور پیستونی استفاده می کند، اما توسعه آن به دلیل محدودیت قابلیت اطمینان و کیفیت کمپرسور پیستونی نسبتاً کند است. با رایج شدن دستگاه برش لیزری با قدرت بالا، تقاضا برای برش صفحه ضخیم در حال افزایش است.لازم است یک کمپرسور هوای پیچی با فشار بالا جریان کوچک با فشار تخلیه نامی ≥ 2.0 مگاپاسکال ایجاد شود.