FI90021B - Foerfaringssaett vid laserskaerning av metalliska arbetsstycken - Google Patents

Description

1 90021

Menetelmä metallisten työkappaleiden leikkaamiseksi laserilla

Keksintö kohdistuu metallipeltien laserleikkausmenetelmään purseen- ja kuonanmuodostuksen välttämiseksi leikkuureunassa ja hyvän hitsattavuuden aikaansaamiseksi ja metallipeltien suuren leikkausnopeuden mahdollistamiseksi samanaikaisesti, jolloin käytetään leikkauskaasua, joka sisältää yhtä aktiivista kaasua, kuten happea, johon sekoitetaan ainakin yhtä olennaisesti inaktiivista kaasua, kuten esimerkiksi heliumia, typpeä, argonia, hiilidioksidia tai tällaisten kaasujen seosta, so. kaasua tai kaasuseosta, jolla on vähäinen reagointitaipu-mus metallipeilin aineen kanssa.

Kuten tunnettua, laserleikkaus tapahtuu normaalisti siten, että lasersäde fokusoidaan leikattavaan metalliseen työkappalee-seen. Samanaikaisesti puhalletaan leikkauskaasua, tavallisesti happea, työkappaleeseen suukappaleen läpi. Laserleikkauslait-teen periaate esitetään kuviossa 1. Esimerkiksi C02-laserin lasersäde fokusoidaan linssillä 2 suutinlaitteen 3 kautta työ-kappaleeseen 6, joka on kuviossa esitetty levynä. Leikkauskaa-su, happi, johdetaan tuloaukon 5 kautta suutinkammioon 4 ja puristetaan sama-akselisesti lasersäteen 1 kanssa suutinaukon 11 läpi työkappaleeseen 6. Suutinlaite 3 on asennettu tuki-laitteeseen 7, johon on laakeroitu kannatinkuulate, joita vasten työkappalelevy 6 lepää. Levyn 6 alasivua vasten on sijoitettu tukikappale 9, jossa on reikä 10 suutinlaitteen alapuolella. Levy liikkuu leikkauksen aikana nuolen 13 suuntaan ja voi olla liikkeen aikana asennettuna esimerkiksi liikkuvan koordinaattileikkauspöydän päälle.

Leikkauskaasuhapen tehtävänä on osaksi suojata leikkaus-laitteen linssiä 2 leikkausprosessissa syntyvältä roiskeelta ja kuonalta, osaksi huuhdella pois sulaa ja kuonaa leikkauksessa muodostuvasta leikkausrailosta. Sula ja kuona 12 huuhdellaan näin pois tukikappaleessa 9 olevan reiän 10 läpi. Jos levy 6 on hiiliterästä tai ruostumatonta terästä, on hapen tehtävänä lisäksi reagoida kemiallisesti teräksen kanssa ja 2 90021 kehittää näin lämpöä, joka helpottaa leikkausprosessia. Levyn lasersäteellä tapahtuvan sulatuksen lisäksi sisältyy laserleikkaukseen siten myös sentyyppinen teräksen poltto, jota esiintyy tavallisessa kaasuleikkauksessa.

Tähän saakka on käytetty leikkauskaasua, joka sisältää likipitäen 100 % happea, koska sellaisella leikkauskaasulla on saatu parhaat tulokset ottaen huomioon saavutettavissa olevat leikkausnopeudet ja hyväksyttävissä olevat leikkauslaadut. Laatu riippuu useista parametreistä. Tässä voidaan luetella leikkausnopeus, leikkauskaasunpaine, so. kaasunpaine suutti-messa, suutinhalkaisija, so. suutinaukon reiän halkaisija, suukappaleen etäisyys, so. suutinaukon ja työkappaleen välinen etäisyys, ja laserin teho. Yleisesti voidaan sanoa, että kohoava leikkauskaasunpaine antaa lisääntyneen leikkausnopeuden. Leikkauskaasunpainetta täytyy kuitenkin rajoittaa mm. ottamalla huomioon fokusointilinssi. Puhdasta happea leikkauskaasuna käyttävällä laserleikkauksella on kuitenkin tiettyjä haittapuolia, erityisesti ruostumattoman teräksen kohdalla. Työkappaleen materiaalin sulaessa muodostuu oksideja. Nämä puhalletaan pois sulan materiaalin kanssa leikkausrailon läpi. Osa -j· oksideista ja sula materiaali erottuvat kuitenkin purseina leikkaussauman alapuolelle. Nämä purseet voivat olla, erityi-sesti runsasseosteisissa teräksissä, vaikeita poistaa. Kun leikataan käyttämällä leikkauskaasussa puhdasta happea, sekoittuu sulaan vyöhykkeeseen kuonaa, so. työkappaleen oksidien sekoitus. Leikkauspinnassa olevat kuonahiutaleet voivat aiheuttaa vaikeuksia jäljempänä seuraavassa hitsauksessa. Levy, joka on leikattu käyttäen puhdasta happea leikkauskaasuna, voi siten saada aikaan hitsisauman, joka sisältää kuonasulkeumia, jotka voivat olla vaikeasti poistettavia. Eräs tapa välttää vaikeudet oksidinmuodostuksissa ja niistä seuraavissa purseen-ja kuonanmuodostuksissa olisi korvata leikkauskaasun happi inaktiivisella kaasulla. Tämä aiheuttaisi kuitenkin sen, että leikkausnopeus laskisi hyvin alhaiselle tasolle. Sellaiseen menetelmään liittyy siten suuria haittapuolia.

Il 3 90021 Tämän keksinnön tarkoituksena on nyt saada aikaan menetelmä, jonka avulla mainittuja haittapuolia voidaan voimakkaasti vähentää. Menetelmälle on tällöin tunnusmerkillistä pääasiassa se, että leikkauskaasun happipitoisuus seostamatonta, vahvasti seostettua tai ruostumatonta ainetta olevaa metallipeltiä, kuten terästä, leikattaessa on välillä 40-70 tilavuusprosenttia.

Keksintöä kuvaillaan lähemmin viittaamalla liitteinä oleviin piirustuksiin, joissa kuvio 1 esittää laserleikkauslaitteiston periaatetta ja joissa kuvio 2 ja kuvio 3 esittävät esimerkin leikkausnopeuksista leikkauskaasun happipitoisuuden funktiona tyypillisessä leikkauskaasuseoksessa. Kuvion 1 mukaista laitteistoa on jo kuvailtu edellä. Leikkauskaasua, joka sisältää happeen sekoitettua inaktiivista kaasua, johdetaan tuloaukon 5 kautta suutinkammioon 4. Inaktiivisina lisäkaasuina on suoritetuissa kokeissa käytetty He:a, N2:ä, Ar:a ja C02:a. Parhaiden mahdollisten tulosten saamiseksi koskien leikkausnopeutta ja leikkauslaatua täytyy valita sopivat arvot linssin sijainnille, suutinaukon halkaisijalle ja etäisyydelle suukappaleen aukkotyökappale. Edelleen pitää käyttää sopivaa leikkauskaa-sunpainetta suuttimessa ja sopivaa aktiivisten ja inaktiivisten kaasujen leikkauskaasuseosta. C02-laserilla pitää käyttää yli 400 W tehoa. Suuttimen halkaisija voi olla välillä 0,8 -1,2 mm ja suukappaleen etäisyys välillä 0,25 - 0,60 mm. Suuttimen leikkauskaasunpaineen pitää olla välillä 2-5 bar. Eri-koissuuttimissa voidaan käyttää korkeampaa leikkauskaasun-painetta, jolloin paine voi ylittää 7 bar.

Leikkauskaasuseoksen, so. hapen ja inaktiivisen kaasun seoksen pitää, kuten sanottu olla sellainen, että happipitoisuus on välillä 30-90 % kokonaisleikkauskaasusisällöstä. Jos käytetään jotakin inaktiivisista kaasuista He, N2, Ar ja C02, pitää run-sasseosteisia ja ruostumattomia teräksiä leikattaessa happipitoisuuden olla välillä 40-80 % kokonaisleikkauskaasusisällös-tä. Jos inaktiiviseksi kaasuksi valitaan He, pitää happipitoisuuden tällöin olla välillä 45-75 % kokonaisleikkauskaasusi-säilöstä. Jos valitaan jokin muu mainituista kaasuista N2, Ar 4 90021 tai C02, pitää happipitoisuuden olla välillä 40-70 % kokonais-leikkauskaasusisällöstä.

Leikkauskokeita on suoritettu seostamattomilla ja runsasseos-teisilla, esimerkiksi ruostumattomilla, materiaaleilla eripak-suisilla levynmuotoisilla työkappaleilla. Kokeita on suoritettu erilaisilla suukappaleen etäisyyksillä, jolloin parhaat leikkaustulokset saadaan niin pienillä suukappaleen etäisyyksillä kuin mahdollista. Käytännöllisenä arvona voidaan antaa 0,3 mm. Käytännöllisenä arvona suutinaukon reiälle voidaan antaa halkaisija 0,8 mm. Kokeissa varioitiin jokaisella levyn-paksuudella ja leikkauskaasuseoksella leikkausnopeutta ja kaa-sunpainetta sekä linssin asemaa niin, että parhaat leikkauseh-dot voitiin määrätä.

Kokeet osoittavat, että yleisesti ottaen leikkausnopeus laskee, kun leikkauskaasun happipitoisuus vähenee. Vastaavissa kokeissa on määritetty suurin leikkausnopeus parhaalla mahdollisella leikkauslaadulla leikkauskaasuseoksille, jotka koostuvat happeen sekoitetusta He:sta, N2:stä, Ar:sta ja C02:sta.

Ensi sijassa leikkausreunassa olevien purseiden koko on ollut ratkaisevaa leikkauslaadun määrityksessä. Kuvioissa 2 ja 3 esitetään leikkausnopeus leikkauskaasun happipitoisuuden funk-.·. tiona, jolloin leikkauskaasuun on sekoitettu Hera. Kuvio 2 . : esittää näitä suhteita 0,5 mm paksuisen ruostumattoman levyn ·' leikkauksessa ja kuvio 3 1,0 mm paksuisen ruostumattoman levyn leikkauksessa. Nämä käyrät esittävät tyypillisen esimerkin leikkausnopeuden, happipitoisuuden ja leikkauslaadun välisestä suhteesta. Muilla mainituilla kaasuilla saadaan vastaavan näköisiä käyriä.

Kuvioista 2 ja 3 käy ilmi, että leikkausnopeuskäyrällä on minimi 90 %:n happipitoisuudella ja että käyrä tämän jälkeen nousee happipitoisuuden vähentyessä. Leikkauskaasun heliumse-oksella saadaan suurin leikkausnopeus happipitoisuusvälillä 45-75 %. Kuviin 2 ja 3 on merkitty myös leikkausnopeus 100 %:n heliumsekoituksella. Leikkausnopeus on tällöin vain noin 0,5 m/min, mitä on täysin mahdoton hyväksyä. Tämä korostaa hapen

II

5 91)021 läsnäolon merkitystä leikkauskaasussa laserleikkausprosessis-sa. Mitä leikkauslaatuun tulee, niin erityisesti ruostumattomalla teräksellä saavutettiin ratkaiseva parannus käytettäessä seoskaasua leikkauskaasuna. Tämä johtuu siitä, että puhtaalla hapella leikattaessa saadaan purse leikkauksen alareunaan, joka purse voi olla vaikea poistaa. Tämä koskee myös seoskaasu-ja, joiden happipitoisuus on alueella 90-100 %. Happipitoisuuden alue 80-90 % on ylimenoalue, jossa purseesta alkaa tulla pallon muotoisia. Tämä tulee vielä huomiotaherättävämmäksi alle 70 %:n happipitoisuuksilla. Tässä esiintyy purseita, jotka ovat kuin pieniä palloja pitkin leikkausta - palloja, jotka voidaan helposti poistaa esimerkiksi harjalla. Tämä leikkaus-reunan laadun paraneminen kuvastuu siis aiemmin mainittuun leikkausnopeuden lisääntymiseen.

Lisäksi leikkausreunan laadun paraneminen käytettäessä seos-kaasua leikkauskaasuna on voitu todeta elektronimikroskoopilla suoritetuissa metallurgisissa tutkimuksissa. Käyttämällä leikkaamisessa seoskaasua on todettu, että leikkausreunan sula-alueesta tulee pienempi ja että vyöhyke ei sisällä mitään sekoittuneita kuonahiutaleita. Jäljempänä seuraavassa esimerkiksi ruostumattoman levyn hitsauksessa on hitsillä puhdas pinta silloin kun leikkauskaasussa on käytetty seoskaasua.

Käyttämällä laserleikkauksessa leikkauskaasua, joka sisältää seoskaasua, joka koostuu osaksi aktiivisesta kaasusta, hapes-ta, osaksi inaktiivisesta kaasusta kuten He:sta, N2:stä,

Arista tai C02:sta, missä happipitoisuus on välillä 30-90 % kokonaisleikkauskaasusisällöstä, voidaan leikkaaminen suorittaa yhtä hyvin seostamattomille kuin runsasseosteisille työ-kappaleille hyväksyttävillä edellytyksillä. Tosin saadaan alhaisempi leikkausnopeus, mutta leikkausreunan laadusta tulee vastaavasti parempi. Leikkausreunaan ei muodostu mitään purseita tai muodostuu purseita, jotka ovat hyvin yksinkertaisia poistaa. Leikkauspintaan ei muodostu myöskään mitään kuonasul-keumia, mikä on suuri etu jäljempänä seuraavassa hitsauksessa.

Claims (2)

6 90021

1. Förfarande vid laserskärning av metallplät för att i skärsnittet undvika grad- och slaggbildning och för att ästadkomma god svetsbarhet och att samtidigt möjliggöra hög skärhastighet i metallpläten, varvid en skärgas som omfattar ätminstone en aktiv gas, t.ex. oxygen, användes och som blandas med en i huvudsak inaktiv gas säsom exempelvis helium, nitrogen, argon, koldioxid eller en blandning sädana gaser, d.v.s. en gas eller gasblandning som har ringa reak-tionsbenägenhet med metallplätens material, k&nnetecknat av att skärgasens oxygenhalt vid användning av laserskärning av metallplät av olegerat, höglegerat eller rostfritt material, säsom stäl, ligger i intervaller 40 tili 70 volymprocent.

1. Metallipeltien laserleikkausmenetelmä purseen- ja kuo-nanmuodostuksen välttämiseksi leikkuureunassa ja hyvän hitsattavuuden aikaansaamiseksi ja metallipeltien suuren leikkausnopeuden mahdollistamiseksi samanaikaisesti, jolloin käytetään leikkauskaasua, joka sisältää yhtä aktiivista kaasua, kuten happea, johon sekoitetaan ainakin yhtä olennaisesti inaktiivista kaasua, kuten esimerkiksi heliumia, typpeä, argonia, hiilidioksidia tai tällaisten kaasujen seosta, so. kaasua tai kaasuseosta, jolla on vähäinen reagointitai-pumus metallipeilin aineen kanssa, tunnettu siitä, että leikkauskaasun happipitoisuus seostamatonta, vahvasti seostettua tai ruostumatonta ainetta olevaa metallipeltiä, kuten terästä leikattaessa on välillä 40-70 tilavuusprosenttia.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, jossa heliumia käytetään inaktiivisena kaasuna, tunnettu siitä, että happipitoisuus on välillä 45-70 tilavuusprosenttia kokonais-leikkauskaasusisällöstä.

2. Förfarande enligt patentkravet 1, varvid helium användes som inaktiv gas, kännetecknat av att oxygenhalten ligger i intervallet 45 tili 70 volymprocent av det totala skär-gasinnehället. li