Введение
Почему после лазерной обработки качество кромки деталей может отличаться от сплава к сплаву? В этой статье мы рассмотрим, как состав сплава стали влияет на результаты резки. Исследуем влияние химических элементов состава на скорость резки, шероховатость поверхности и образование окислов.
Технология лазерной резки произвела революцию в обработке металлов, превзойдя традиционные методы благодаря своей экономичности, высокой скорости, точности и превосходному качеству.
Несмотря на широкое распространение, пользователи лазерных станков сталкиваются с определенными сложностями. Особая проблема возникает при обработке листов черной стали одинаковой толщины, но разного состава с использованием постоянных параметров лазерной резки. Качество поверхности может значительно отличаться, что говорит о сложной взаимосвязи между химическим составом и реакцией металла на воздействие лазерным излучением.
Для выяснения взаимосвязи между составом сплавов и качеством резки были проведены комплексные исследования. В этих исследованиях использовались заготовки из углеродистой стали различной толщины и химического состава с применением волоконного лазера мощностью 20 КВт.
Цель исследования – оптимизировать параметры лазерной резки для конкретных сплавов, повысить качество обработки и эффективность процесса. Понимание этих нюансов имеет большое значение для достижения стабильных и качественных результатов при обработке различных сплавов стали, что в конечном итоге повысит эффективность производства и сократит расходы.
Условия и методы исследования
Оборудование. Эксперимент проводился с использованием волоконного лазера мощностью 20 кВт, который представляет собой многомодовый лазер непрерывного излучения с длиной волны 1080 нм и диаметром сердцевины волокна 150 мкм.
Лазерная голова с фокусным расстоянием линзы 200 мм. Для обеспечения стабильной работы волоконного лазера и поддержания его оптимальной производительности в качестве вспомогательного оборудования использовался водяной чиллер с мощностью охлаждения 70 кВт.
Сплавы стали. Чтобы обеспечить точность и ясность экспериментальных данных, в качестве материалов для испытаний в данном эксперименте использовались пластины из углеродистой стали различной толщины, включая углеродистую сталь Q235, Q345 и Q460. Химический состав и российские аналоги (если существуют) исследуемых сплавов указаны в таблице 2.
В качестве вспомогательного газа использовался кислород чистотой 99,97%.
Методы исследования. Для обеспечения репрезентативных результатов в ходе исследования контролировалось качество сфокусированного пятна, давление кислорода, максимальная выходная мощность была настроена на 20 кВт.
Эксперименты по резке проводились на пластинах различных типов, описанных в таблице 1. Периметр вырезанного образца составлял 205,6 мм, как показано на рисунке 2.
Вырезанные образцы были проанализированы на предмет качества поверхности и шероховатости.
Результаты исследования
Анализ параметров резки. В ходе исследования параметры, влияющие на скорость резки (мощность лазера, давление режущего газа, фокусировка и отверстие сопла), корректировались таким образом, чтобы образцы выпадали из листа после резки и имели максимальную чистоту поверхности. Параметры резки регулировались для достижения наилучшего качества для различных материалов и толщин.
Анализ скорости резки. В таблице 1 приведены полученные экспериментальным путем оптимальные скорости резки для сплавов Q345, 45#, T10, NM400 толщиной 20 и 30 мм.
При одинаковой мощности лазера, толщине листа и использовании кислорода в качестве вспомогательного газа скорость резки листа T10 была самой низкой, а скорость резки Q345 и 45# – самой высокой. Скорость резки NM400 незначительно ниже скорости резки Q345 и 45#.
Можно сделать вывод, что концентрация углерода в сплаве оказывает наиболее значительное влияние на скорость резки. С увеличением содержания углерода скорость резки постепенно снижается. Кроме того, с увеличением содержания редких элементов (таких как Cr, Ni) в сплаве скорость резания также снижается.
Общий анализ качества реза
В результате исследования было проведено сравнение качества поверхности кромки тестовых деталей из металлов различных сплавов одинаковой толщины.
Результаты показали значительную разницу в шероховатости поверхности образцов, вырезанных из различных сплавов, при этом образец Q345Bпродемонстрировал наилучшее качество кромки. Оксидная пленка на поверхности была тонкой, а шероховатость поверхности – минимальной.
Окисление кромки образца NM400 было неравномерным. Верхняя часть кромки была гладкой, но на нижней части появилась толстая оксидная пленка, что привело к увеличению средней шероховатости поверхности образца.
Кромка образца 45# оказалась неравномерной, с явным выступом оксидной пленки на нижней части.
Образец T10 показал наихудшее качество поверхности и высокую шероховатость.
Химический состав исследуемых сплавов. Химический состав сплавов, отобранных для эксперимента, был определен с помощью спектрального анализатора. Результаты приведены в Таблице 2.
Влияние марганца в составе сплава. Согласно Таблице 2, сплавы Q235 и Q345Bклассифицируются как низкоуглеродистая сталь. Содержание других элементов в материалах существенно не отличается, кроме марганца, который присутствует в доле 0.65% для Q235 и 1.70% для Q345B. Эта разница послужит ориентиром для изучения взаимосвязи между качеством лазерной резки и содержанием марганца в материале.
Качество поверхности двух образцов показаны на Рис. 4 и 5. Результаты показывают, что поверхность чистая и яркая, с идентичной шероховатостью при одних и тех же параметрах резки.
На основании этих результатов можно сделать вывод, что марганец в составе оказывает незначительное влияние на качество резки обычной низкоуглеродистой стали.
Влияние серы в составе сплава. Данные, приведенные в таблице, показывают, что максимальное различие в содержании элементов серы (S) между сплавами составляет всего 0.04%. Этой информации недостаточно для определения влияния содержания S на качество резки.
Влияние кремния в составе сплава. Было отмечено, что, когда содержание кремния (Si) в сплаве составляет более 0.25%, скорость резки снижается более чем на 20% по сравнению со скоростью резки стали с содержанием Si менее 0.25%. Кроме того, на нижней части кромки образуется значительное количество шлака.
Влияние углерода в составе сплава. При сравнении содержания углерода в сплавах Q235, 45#и T10 видно, что Q235 относится к низкоуглеродистой стали, 45# – к среднеуглеродистой, а T10 – к высокоуглеродистой.
Согласно таблице 2, существенные различия наблюдаются только в концентрации углерода (C) и марганца (Mn).
При высокой температуре углерод реагирует с кислородом следующим образом:
C+O2→CO2(г)（393.5 кДж/моль）
Теоретический расчет показывает, что с увеличением содержания углерода количество углекислого газа также увеличивается, что должно приводить к увеличению количества пор на поверхности кромки.
При первоначальном сравнении сплавов Q235 и Q345Bбыло обнаружено, что содержание марганца (Mn) оказывает минимальное влияние на фактический эффект резания и может не учитываться.
На рисунке 6 показан фактический результат резки трех образцов с одинаковой толщиной. Результаты показывают, что поверхность образца – Q235 яркая с низкой шероховатостью, поверхность 45# – более шероховатая с более толстым слоем окислов, а поверхность T10 самая шероховатая с самой толстой оксидной пленкой.
Таким образом, содержание углерода в материале оказывает существенное влияние на качество резки. С увеличением концентрации углерода увеличивается количество пор на поверхности, оксидная пленка становится толще, шероховатость поверхности – больше, скорость резки снижается.
Влияние никеля в составе сплава. Согласно таблице 2 для сплавов Q235 и Q460 разница в содержании никеля (Ni) составляет 2.66 раза. Результаты фактического качества резки показаны на рисунках 7 и 8.
Нет заметной разницы в качестве поверхности, толщине оксидной пленки и шероховатости поверхности.
На основании этих результатов можно сделать вывод, что в низкоуглеродистой стали содержание никеля не оказывает существенного влияния на качество обработки лазером.
Влияние хрома в составе сплава. Согласно таблице 2, содержание хрома (Cr) в сплавах NM400 и Q690 значительно выше, чем в других.
В зоне термического воздействия хром (Cr) окисляется кислородом и образует плотный оксид Cr2O3, толщина которого увеличивается с повышением температуры.
Со временем на поверхности кромки образуется плотная корка Cr2O3. Это приводит к значительному ухудшению шероховатости поверхности на нижней части кромки образцов (как показано на рисунке 9).
Можно заключить, что качество резки ухудшается с увеличением содержания Crв сплаве, а оксидная пленка в нижней части кромки становится толще.
Заключение
В результате экспериментов установлено влияние химического состава сплава на качество обработки волоконным лазером.
Металлы с высоким содержанием углерода обычно имеют более высокие
температуры плавления, что затрудняет их обработку и приводит
к увеличению времени резки и прокола. Повышенное содержание кремния
также снижает скорость обработки и качество поверхности.
Высокое содержание хрома увеличивает вязкость жидкого металла и толщину оксидной пленки.
Приведенные выше данные показывают, что при использовании кислорода
в качестве вспомогательного газа шероховатость поверхности значительно
увеличивается по мере увеличения содержания углерода (C), хрома (Cr) и
кремния (Si) в сплаве. Прочие химические элементы не оказывают
существенного влияния.