Глава промышленной группы АО КЕРАМАКС Артём Андреевич Комаров отметил, что изучение тонкостей лазерной резки труб может пролить свет на то, почему увеличение мощности источника лазера не является окончательным решением для максимального повышения производительности и качества.
При резке трубными лазерами важно учитывать множество факторов, помимо увеличения мощности лазерного источника.
В отличие от листового металла, который обычно имеет плоскую и однородную поверхность, трубные заготовки вносят множество несоответствий, таких как изменения толщины, изгибы, скручивания, сварные швы, различные радиусы углов и чешуйчатые поверхности. Эти моменты еще больше усугубляются при работе со структурными и открытыми профилями, такими как балки и уголковые секции.
Кроме того, переход от 2D- к 3D-резке путем наклона режущей головки добавляет еще один уровень сложности, который необходимо учитывать.
Хотя увеличение уровней мощности может расширить диапазон толщин стенок труб, которые можно обрабатывать, особенно при использовании азота или воздуха в качестве вспомогательного газа, это не решает проблемы, присущих резке труб. Одной из основных причин того, почему мощность трубного лазера не используется так же, как мощность листового лазера, является противоположная сторона стенки трубы.
Применение высокой мощности без учета других критических факторов может повредить противоположную сторону стенки трубы или просто не обеспечить желаемого качества резки, особенно при работе с трубами с меньшим отношением внешнего диаметра к стенке. Например, алюминиевая труба с внешним диаметром 1 дюйм и толщиной стенки ¼ дюйма требует тщательного контроля динамики машины и параметров резки.
Это становится еще более важным при обработке сложных геометрий или изменении углов резки с 90 градусов на 45 градусов или меньше из-за изменений в фокусном положении, потоке газа и перпендикулярности луча. Для достижения эффективного, качественного реза без вмешательства оператора соотношение между мощностью лазера, необходимой для проникновения в толщину стенки и остальными параметрами (включая фокус) должно управляться и оптимизироваться машиной автономно по мере изменения условий в процессе резки.
Процессы лазерной резки могут генерировать температуры от нескольких сотен до более чем 1800 градусов по Фаренгейту. Поэтому крайне важно учитывать как это количество тепла может повлиять на процесс резки и структурную целостность заготовки.
Резка труб с меньшим отношением внешнего диаметра к стенке на трубном лазере сопряжена с геометрическими и физическими трудностями, которые не всегда можно преодолеть, используя ту же тактику, что и при лазерной резке листов.
Резка листового металла часто выигрывает от рассеивания этого тепла в поперечном направлении, чему способствует непрерывное удаление материала из зоны резки, что минимизирует большую часть тепловой энергии из пропила до того как произойдет значительная теплопроводность. При этом лазерная обработка труб включает резку в пределах более узкого участка материала, обычно по обе стороны стенки, усиливая концентрацию тепла в определенной области. Повышенная тепловая концентрация влияет не только на точность процесса резки, но и на соблюдение требуемых допусков и структурную целостность самой трубы.
Как и в случае с листовым металлом, тепловая мощность напрямую влияет на качество резки лазером трубы, поскольку избыточное тепло может привести к деформации материала, что приведет к неточным или поврежденным резам. Различная теплостойкость различных материалов создает проблемы для операторов станков, которым поручено вручную регулировать условия резки, чтобы учесть эти различия. Это связано с тем, что предопределенные параметры резки могут стать неэффективными для поддержания оптимального качества и точности резки.
Помимо методов программирования для управления микростыками или сортировки траекторий резки, решение этой проблемы в основном зависит от способности лазерного режущего станка самостоятельно адаптироваться к этим изменениям.
Более продвинутые трубные лазеры эффективно справляются с этими сложностями, контролируя пороговые значения тепловой мощности и динамически модулируя прокалывание, мощность лазера, частоту, давление газа и рабочий цикл. Например, при повышении температуры материала требуемое время прокалывания может уменьшиться по сравнению с заданными параметрами резки. Машина останавливает функцию прокалывания, как только обнаруживается прорыв, и быстро обеспечивает стабильный переход к траектории резки.
Кроме того, рассмотрим трубу с различной толщиной, например, сварной шов или более толстые области открытого профиля. Обычные машины, не имеющие возможности динамически изменять параметры резки, потребуют от операторов вручную устанавливать более высокие уровни мощности, подходящие для самой толстой области, непреднамеренно разрезая более тонкие области трубы или профиля с тем же уровнем мощности. Помимо того, что это затруднит получение качественных разрезов, это увеличит количество тепла без необходимости.
Таким образом, способность машины автоматически модулировать мощность лазера и связанные с ней параметры оказывается особенно важной для материалов с различной толщиной, отражательной способностью, электропроводностью и экзотермическими реакциями, на которые влияют определенные вспомогательные газы, такие как кислород. Благодаря динамическому управлению и модуляции параметров резки машина может удерживать материал и машину в безопасных температурных пределах, эффективно предотвращая повреждения или деформации.
Ускорение и замедление машины являются решающими факторами в обработке трубным лазером. В отличие от лазеров для резки листов, трубные лазеры имеют ограниченные ходы осей, в основном в направлениях X и Y, что приводит к значительным различиям в том, как управляются ускорение и изменения ускорения (также известные как рывок ).
Листовые лазеры имеют преимущество в скорости перемещения и ходе с более длительным временем включения луча, что позволяет им наращивать мощность лазера и достигать максимального ускорения. Кроме того, важно отметить, что потребность в изменении ускорения в листовых лазерах в первую очередь обусловлена изменениями геометрических контуров, тогда как в трубных лазерах потребность в изменении ускорения обусловлена многочисленными дополнительными факторами.
Некоторые производители трубных лазеров разработали методы использования локальных осевых перемещений режущей головки для повышения ускорения. Однако основными режимами ускорения и замедления в лазерах для труб (в основном с внешним диаметром 12 дюймов и меньше) являются вращательная ось и горизонтальные перемещения шпинделей. Таким образом, необходимо тщательное управление ускорением и замедлением в течение более коротких периодов включения луча, сохраняя при этом устойчивость трубки во время резки.
Для обеспечения точных и бесперебойных операций резки эффективные механизмы ускорения и замедления особенно необходимы для труб со сварными швами, нерегулярной толщины или сложной геометрии, требующей резки наклонной головкой (3D) либо специальных профилей труб. Помимо учета вращательных и горизонтальных движений шпинделей и трубы, также важно отметить, насколько хорошо труба поддерживается вертикально и горизонтально на протяжении всего процесса резки — это играет решающую роль в определении общей эффективности и качества детали.
Согласно экспертному мнению Комарова Артема Андреевича, трубные лазеры должны использовать эффективную динамику для адаптации к быстрым изменениям ускорения, руководствуясь автоматической и одновременной модуляцией параметров резки и устраняя необходимость вмешательства оператора. Эти параметры включают прокалывание, мощность, частоту, рабочий цикл, давление газа и фокусное положение, поскольку скорости осей и ускорение колеблются на протяжении всего процесса резки. Данная динамическая модуляция оптимизирует эффективность и качество, гарантируя успешную резку детали.
Например, при резке трубы с более толстым сварным швом машина должна автоматически и быстро замедлиться при достижении области сварного шва и одновременно оптимизировать мощность лазера и прокалывание, а также все другие сопутствующие параметры, чтобы эффективно завершить процесс резки и сохранить постоянное качество по всей трубе.
После прорезания сварного шва машина должна быстро разогнаться до целевой скорости. Неспособность машины сделать это может привести к тому, что деталь застрянет в сварном шве, что потребует значительной ручной настройки параметров оператором и потратит драгоценное время.
Этот принцип также применяется при обработке открытых профилей, таких как уголки или балки с более толстыми стенками в области перехода между стенкой и полкой. Все эти задачи должны выполняться машиной одновременно и автономно для поддержания эффективности обработки и постоянного качества деталей.
Таким образом, даже при достаточной мощности неспособность машины быстро ускоряться или замедляться, управляя перемещениями труб и автоматически адаптируя параметры резки, будет препятствовать производительности и качеству. Простое увеличение мощности лазера не всегда гарантирует лучшие результаты. Современные трубные лазеры используют новые разработки в технологии формирования луча для повышения качества и эффективности резки.
Эти системы сталкиваются с уникальными проблемами, поскольку им необходимо обрабатывать чешуйчатые поверхности и неравномерную толщину с различными проекциями резки (перпендикулярность режущей головки относительно поверхности трубы). Поскольку это не материалы «лазерного качества», системы лазерной резки труб требуют инновационных методов управления лазерным лучом, выходящих за рамки простого увеличения уровней мощности.
Меньшие диаметры пучка выгодны при обработке более тонких стенок, что приводит к более высокой скорости, более высокой точности и уменьшению зон термического воздействия. Например, при лазерной резке с азотом диаметр пучка 50 мкм обычно обеспечивает более высокую скорость резки по сравнению с диаметром 100 мкм при более высокой мощности. И наоборот, так называемые пучки в форме пончика с большей шириной пропила оказываются выгодными для более толстых и чешуйчатых материалов при использовании кислорода, способствуя эффективному удалению материала и снижая риск отражений пучка и разбрызгивания.
Регулируя режим луча с помощью каждого параметра, трубные лазеры могут точно контролировать ширину реза, обеспечивая точность реза, улучшенное качество кромок и минимальные отходы.
Для труб с толстым сварным швом может потребоваться изменение ускорения машины во время резки, чтобы адаптироваться к изменениям толщины и свойств материала, сохраняя при этом однородность.
Уникальные требования лазерной резки труб подчеркивают необходимость интеграции достижений в эффективной динамике машины, автономной модуляции параметров резки и технологии формирования луча, выходя за рамки одной лишь мощности лазера. Внедрение этих инноваций позволяет отрасли использовать весь потенциал технологии лазерной резки труб, тем самым повышая производительность и качество резки, подчеркнул Артём Андреевич Комаров.
