Laserpingi lõikeparameetrid ja nende mõju lõiketulemusele

Metallide lõikamine laseri abil on saanud igapäevaseks praktikaks kogu tööstus­maailmas. Laserlõikuse tausta tundmine väärib tõsist süvenemist, et käia uute arengutega kaasas ja rakendada need tootmisse.

Üha enam viiakse lõikeoperatsioone läbi tööstuslike laseritega, kuna need pakuvad võrreldes teiste termiliste ja ka mittetermiliste lõikeprotsessidega suurepärast kvaliteeti ilma vajaduseta teha täiendavaid järeloperatsioone. Kuna laserlõikus ei nõua investeerimist tööriistadesse, on tegemist ökonoomse tootmisega: puudub vajadus tööriistade vahetamise, ladustamise ja teritamise järele. Erinevalt plasmalõikusest ei ole laserlõikuse puhul probleemiks materjali läbistamisega kaasnev elektroodide kulumine. Võrreldes teiste termiliste lõikeprotsessidega on materjali kuumenemine oluliselt väiksem ja lõikesoon märksa kitsam. See võimaldab lõigata suurema täpsusega detaili ja lõikeservad on väiksema kaldega.

Hea lõikekvaliteedi ja lõikekiiruse saavutamiseks ning praagi vältimiseks on operaatoril vaja teoreetilisi teadmisi lõikeparameetrite olemusest ja nende mõjust lõiketulemustele. Parameetrite mõistmine aitab vältida sihitut ekslemist õigete lõikeparameetrite leidmisel. Loogiline lähenemine võimaldab säästa seadme ajaressurssi ja vähendada mittekvaliteetsete proovidetailide arvu partii alustamisel. Samuti on vaja leida parameetrite kompleks, mis tagaks maksimaalse võimaliku lõikekiiruse ja minimaalse abigaasi kulu. See on oluline eeldus toote omahinna vähendamiseks.  Tootmisprotsessi üks külg on toimetulek tellija nõudmistega, teine pool on ootuste ületamine, kindlustades nii oma positsiooni sise- kui ka eksportturgudel.

Lõikeparameetrid saab operaator sisestada seadme juhtsüsteemi käsitsi või laadida alla vastavad failid võrku ühendatud laua arvutist. Reeglina on uue seadme juhtsüsteemi lõikeparameetrid erinevat tüüpi ja paksusega materjalide jaoks juba sisestatud. Neid parameetreid saab rakendada baasväärtustena. Operaatoril tuleb viia läbi peenhäälestus, kuna erinevate tootjate materjalid või ka sama tootja erinevatest partiidest pärinevad materjalid võivad töötada paremini muudetud lõikeparameetritega. Samuti sõltuvad sobilikud parameetrid laserpingi tehnilisest seisukorrast (optika, elektroodid jne). Lõikeparameetrites on reeglina vabu ridu, kuhu lisada personaalselt määratud lõiketingimusi, et saavutada suuremat lõikekiirust, madalamat gaasikulu või kõrgemat kvaliteeti. Olulised on ka CAM-programmeerija teadmised lõikeparameetritest, et edastada operaatorile korrigeerimist mittevajavad programmid. Samuti peab jõudma info laserpingi juhtsüsteemi lõikeparameetrite muudatustest programmeerijani, et rakendada programmides operaatori poolt loodud lõiketingimusi, mis on andnud proovitööde tegemisel maksimaalse tulemuse.

Seega on pingi operaatoril täita oluline roll, kuna lõplik tulemus sõltub olulisel määral tema kompetentsist.
Lõiketingimuste failis on antud ette, millist düüsi ja läätse tuleb kasutada. Enne töö alustamist tuleb need paigaldada masinasse ja veenduda, et nende parameetrid langeksid kokku lõiketingimuste failis ettenähtuga. Kui selles staadiumis eksida, on varem seadistatud parameetritega raske, kui mitte võimatu, rahuldavat ja stabiilset tulemust saavutada.

Lõiketulemuse muutmiseks on operaatori käsutuses järgmised olulised võtmeparameetrid:

• võimsus (Power)
• sagedus (Frequency)
• söötsükkel (Duty)
• kiirus (Feed rate)
• abigaasi rõhk (Gas pressure)
• fookuse asukoht (Focus position)

 

Järgnev tekst kirjeldab ülalmainitud parameetrite sisu ja mõju lõikeprotsessile.

 

Võimsus

Võimsus on oluline parameeter, mis määrab lõigatavasse materjali antava energiahulga. Resonaatorist väljuva laserkiire võimsus võib olla konstantne või ajas tsükliliselt korduv. Kas laserkiire võimsus on konstantne või tsükliliselt muutuv, sõltub  parameetrile Töötsükkel omistatud väärtusest. Töötsükli mõisted on selgitatud hiljem.

Konstantset võimsust iseloomustab joonis 1. Resonaator töötab konstantsel võimsusel, kui töötsükli väärtuseks on määratud 100%. Seadme tehnilistes andmetes on antud resonaatori nominaalvõimsus PN ehk konstantse võimsuse maksimaalne väärtus, mida on lõikamisel võimalik kasutada. Joonisel 1 toodud näites on resonaatori nominaalvõimsus 4000 W. Lõiketingimuste failis on operaator määranud lõikamisel kasutatava võimsuse PC väärtuseks 1250 W ehk ära kasutatakse ca 31% resonaatori nominaalvõimsusest. Võimsus on konstantne, kuna töötsükli väärtuseks on operaator sisestanud 100%.

Tsükliliselt muutuvat võimsust iseloomustab joonis 2. Võimsus muutub tsükliliseks, kui lõikeparameetritesse sisestatud töötsükli väärtus on alla 100%. Muutuva võimsuse puhul toimub energia edastamine korrapäraste impulssidena. Tsükli alguses on võimsus lülitatud sisse, ülejäänud osa tsüklist on võimsus lülitatud välja. Tsükli ajaline kestus T on ühe tsükli algusest järgmise tsükli algusesse jõudmiseks kuluv aeg. Ton (Time ON) on tsükli aktiivse osa ajaline kestus. Tsükli jooksul saavutatavat võimsuse maksimaalset väärtust nimetatakse impulsi tippvõimsuseks Pp. Mida kõrgem on tippvõimsuse Pp väärtus, seda parem on lõikepinna kvaliteet.

Kui võimsus on liiga madal, ei suuda lõige areneda piisavalt sügavale ja sula metall ei saa lõikesoonest väljuda. Liiga suure võimsuse korral läbib üleliigne energia materjali, ilma et aitaks kaasa materjali lõikamisele. Võimsust tuleb tõsta, kui suurendatakse lõikekiirust, suureneb materjali paksus, lõigatakse tugevalt tagasipeegeldavaid materjale (alumiinium, puhas vask), kasutatakse suure fookuskaugusega läätse või kasutatakse lõikamisel negatiivset või positiivset fookuspunkti asukohta (fookuspunkti asukohta on selgitatud hiljem).

Võimsuse õiget väärtust saab hinnata lõikepinna või sädemete järgi. Kui võimsus on liiga suur, tekib kergesti põlemine lõikesoone ümbruses ja nurkades. Lisaks sellele on lõikeserval olevad triibud jämedakoelised ja sirged. Võimsuse kasvades suureneb ka lõikesoone laius.

Kui võimsus on liiga madal, muutub lõikeserva alaosa karedaks ja sinna tekivad uurded. Samuti suureneb sulametalli ebapiisava eemaldamise tõttu tekkivate kiudude (dross) haakumine lõikesoone alumisele servale. Liiga madala võimsuse puhul jäävad sädemed lõikepeast nähtavalt maha.

Sagedus

Selle parameetriga saab määrata, mitu korda laseri võimsus pulseerib ühes sekundis. Sageduse mõõtühik on herts (Hz). Tsüklilise võimsusega lõikamise eeliseks on lõikepinnale tekkivate triipude peenem struktuur. Teine eelis on see, et protsessi käigus eraldub vähem soojust ja seetõttu on võimalik lõigata peenemaid detaile. Oluline on märkida, et 100% töötsükli korral (konstantne võimsus) sageduse muutmine mingit mõju lõiketulemusele ei avalda. Madala sagedusega pulseerivat võimsust kasutatakse juhtudel, kui põlemise oht on suur ja seetõttu on vaja limiteerida soojuse hulka nagu näiteks paksude materjalide, väikeste avade või nurkade lõikamisel. Teisest küljest suurendab sageduse tõstmine lõikeserva kvaliteeti. Seetõttu tuleb leida sagedusele sobiv väärtus nii, et ei tekiks materjali põlemist ja samas oleks sagedus piisavalt kõrge nõutava servakvaliteedi saavutamiseks. Üldiselt rakendatakse pulseerivat lõikamist kiirustel, mis on alla 1000 mm/min.

Orienteeruvad väärtused lähtudes lõikekiirusest võiksid olla järgmised:

• 0...300   mm/min 200 Hz
• 300...600   mm/min 200...500 Hz
• 600...1000   mm/min 500...800 Hz
  
  

Töötsükkel

Töötsükkel näitab, mitu protsenti tsükli kestusest on võimsus sisse lülitatud. Töötsükkel on arvutatav valemiga:

D= TON/T
TON– aeg, mille jooksul võimsus on sisselülitatud (sek)
T– ühe tsükli pikkus (sek)

Valemi muutujad on illustreeritud joonisel 2. Näiteks kui töötsükli väärtuseks on sisestatud 50%, siis esimene 50% tsüklist toimub sisselülitatud võimsusel ja ülejäänud 50% tsüklist on võimsus välja lülitatud. Mida väiksem on töötsükli väärtus, seda lühem on laserkiirguse kestus ühe tsükli jooksul. Väiksem töötsükkel vähendab detailile antava soojuse hulka ja aitab vältida põlemist lõikesoone servadel ning nurkades.

Kiirus

Lõikeparameetrites määratud võimsuse ja kiiruse kombinatsioonist sõltub, kui suur on lõigatavale materjalile edastatav summaarne soojushulk. Seetõttu on lõikeparameetrites kiiruse mõju sarnane võimsuse omaga. Seetõttu kui muudate lõikeparameetrites võimsuse väärtust, tehke seda mingi kindla kiiruse väärtuse juures. See on vajalik, et vältida segadust, mida tekitaks mõlema parameetri samaaegne muutmine. Võib ka toimida vastupidi: hoida võimsus muutumatu ja seadistada kiirust. Näiteks kui meie hinnangul on võimsus liiga suur (triibud on jämedakoelised ja sirged, tekib põlemine), võiks võimsuse vähendamise asemel proovida suurendada lõikekiirust. Sellega väheneb pikkusühikule antav soojushulk, võib paraneda lõikekvaliteet ja tänu lõikekiiruse kasvule suureneda ka tootlikkus.

Sobiv lõikekiirus sõltub teostatava lõike liigist. Näiteks sirgete lõikude lõikamisel saab rakendada suuremat kiirust. Nurkade läbimisel kasutatakse aga madalamat kiirust, vähendades samaaegselt nii sageduse kui ka töötsükli väärtust. See aitab vähendada materjali kuumenemist ja vältida põlemist nurkades. Madalat kiirust rakendatakse ka väikeste avade ja detailsete kontuuride lõikamisel. Et vältida avade ovaalsust, tuleks lõikekiiruseks määrata maksimaalselt 150kordne ava läbimõõt.

Lõikekiiruse kasvamisel suureneb lõikesoone laius.

Fookuspunkti asukoht

Punkti, kuhu koondatakse läätse poolt laserkiir, nimetatakse fookuspunktiks. Fookuspunktis omab laserkiir väga suurt energiatihedust, mille tulemusel materjal sulab ja aurustub. Fookuspunkti asukohta Z (joonis 3) mõõdetakse lõigatava lehe pealispinna suhtes. Näiteks Z = 0 mm (fookuspunkt asub materjali pinnal), Z= +1 mm (fookuspunkt asub 1 mm materjali pinnast kõrgemal), Z= ^3 mm (fookuspunkt asub 3 mm materjali pinnast allpool). Fookuspunkti asukohta saab määrata, muutes kaugust läätse ja lõigatava lehe vahel.

Õhukeste materjalide puhul seatakse fookuspunkt reeglina lõigatava lehe pinnale. Keskmise paksusega materjalide lõikamisel häälestatakse fookuspunkt materjali pinnast allapoole. Suurema paksusega madalsüsinikterasest materjalide lõikamisel häälestatakse fookuspunkti asukoht lõigatava lehe pinnast kõrgemale, et saavutada hea lõikeserva kvaliteet.

Fookuspunkti seadistamine allapoole lehe pinda, umbes materjali keskossa, aitab vältida sulametalli poolt tekitatavate kiudude ehk habeme tekkimist lõikeserva alumisele servale ja seda eriti paksemate materjalide puhul. Fookuspunkti seadistamine materjali alumise pinna lähedusse aitab alumiiniumi ja roostevaba terase puhul efektiivselt vältida habeme tekkimist. Samas fookuspunkti positsioneerimine paksu materjali alumise pinna lähedale tähendab defokuseeritud, madala võimsustihedusega laserkiirt lõigatava lehe ülaosas. Selle tulemusel väheneb lõikekiirus. Vaja on leida kompromiss lõikeserva kvaliteedi ja lõikekiiruse vahel. Võimalik on ka selgelt eelistada kvaliteeti lõikekiirusele ja vastupidi. Häälestage fookus vastavalt soovitud eesmärgile.

Joonisel 4 on näidatud, kuidas fookuspunkti asukoht mõjutab servade kallet. Kui fookuspunkt asub lehe pinnal [A], on servade kalle minimaalne ja lõikesoon kõige kitsam. See võimaldab suuri lõikekiirusi ja täpseid tooteid. Paksude materjalide puhul osutub kitsas lõikesoon aga takistuseks, kuna sulametall ei eemaldu efektiivselt.

Kui fookuspunkt asub lehe pinnast kõrgemal [B], tekib lõikeservadel kalle, mille tõttu lõikesoone alaosa laieneb. Paksude madalsüsinikterasest materjalide lõikamisel hapnikuga aitab lõikesoone alaosa laienemine parandada abigaasi voolamist ja hõlbustab sulametalli eemaldamist lõikesoonest.

Kui fookuspunkt asub lehe pinnast madalamal [C], tekib lõikeservadele kalle nii, et lõikesoone alaosa aheneb. Sellist seadistust kasutatakse alumiiniumi ja roostevaba terase lõikamisel lämmastiku või suruõhuga. Lõikesoone ahenev kuju aitab parandada lämmastiku või suruõhu voolamist ja hõlbustab sulametalli eemaldamist lõikesoonest.

Abigaasi rõhk

Abigaasi peamine roll on aidata lõigata materjali ja samuti kaitsta düüsi ning läätse sulametalli pritsmete eest. Kasutatakse kahte tüüpi abigaase ^ eksotermilised ja endotermilised.
Eksotermiline abigaas on hapnik. Hapniku kasutamine annab lõikeprotsessi umbes 50% lisavõimsust tänu oksüdeerumisprotsessile. Laserkiire ja abigaasi koostöös eraldub suurem soojushulk, võrreldes ainult laserkiire poolt tekitatava soojusega.

Endotermilised gaasid on lämmastik ja suruõhk. Endotermilised gaasid väldivad oksüdeerumisreaktsiooni tekkimist ja gaas toimib lõikeprotsessis hoopis jahutina.

Liiga suure hapnikusurve rakendamisel võib tekkida põlemine eelkõige keeruliste kontuuride ja nurkade lõikamisel. Liiga madala hapniku surve korral ei eemaldata sulametalli lõikesoonest piisavalt hästi. Tagajärjeks on puudulikud lõiked ja ebaregulaarne põlemine.

Kasutades liiga madalat gaasi survet lämmastiku või suruõhuga lõikamisel, jääb materjali jahutamine puudulikuks ja sulametalli väljapuhumine lõikesoonest ei ole piisav.

Alumiiniumi ja roostevaba terase lõikamisel lämmastiku või suruõhuga tekib gaasi madala surve puhul lõikesoone alumisele servale nn habe (dross) pildil. Liiga kõrge gaasi surve korral on lõikepind kare, kuna lõikesoones tekivad abigaasi turbulentsid. Samuti suureneb lämmastiku kulu. Et vähendada abigaasi kulu, leidke võimalikult madal lämmastiku rõhu väärtus, mille juures säilib nõutud kvaliteet.

Henri Tabri
Aider OÜ

Ajakirjas "Inseneeria" September 2010