Bảng Thông Số Cắt Laser Nguồn Raycus 30kW cho Thép, Inox, Nhôm và Đồng

1. Giới thiệu:

Cắt laser đã trở thành một quy trình sản xuất hiện đại quan trọng nhờ độ chính xác, tốc độ và tính linh hoạt cao trong việc gia công nhiều loại vật liệu khác nhau. Để đạt được kết quả cắt tối ưu, việc lựa chọn thông số cắt phù hợp là vô cùng quan trọng. Các thông số này bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố, bao gồm công suất laser, loại và độ dày vật liệu, khí hỗ trợ và đặc điểm của đầu cắt. Báo cáo này tập trung vào việc tổng hợp và so sánh các thông số cắt laser cho thép, inox, nhôm và đồng khi sử dụng nguồn laser sợi quang Raycus 30kW, dựa trên các tài liệu nghiên cứu hiện có.

2. Thông số kỹ thuật của nguồn laser Raycus 30kW:

Raycus cung cấp các nguồn laser sợi quang CW đa mô-đun thuộc dòng HP, với công suất lên đến 30kW (ví dụ: RFL-C30000M-HP, RFL-C30000M-CE).1 Việc sử dụng thiết kế "đa mô-đun CW" cho thấy nguồn laser này có công suất đầu ra cao, phù hợp cho việc cắt các vật liệu dày. Công nghệ đa mô-đun kết hợp đầu ra của nhiều diode laser, cho phép đạt được công suất tổng thể cao hơn so với laser đơn mô-đun. Hoạt động ở chế độ sóng liên tục (CW) có nghĩa là laser phát ra chùm tia ổn định, lý tưởng cho việc cắt.

Các thông số kỹ thuật chính bao gồm bước sóng trung tâm 1080±5 nm, hiệu suất chuyển đổi quang điện cao, chất lượng chùm tia cao (BPP ≤ 4.3 mm·mrad cho sợi quang 150μm) và mật độ năng lượng cao.1 Bước sóng 1080 nm là đặc trưng của laser sợi quang và thường được hấp thụ tốt bởi kim loại. Chất lượng chùm tia cao cho phép tạo ra điểm hội tụ nhỏ, rất quan trọng cho việc cắt chính xác. Hiệu suất chuyển đổi quang điện cao giúp giảm mức tiêu thụ năng lượng.

Nguồn laser này có sẵn với đường kính lõi sợi quang đầu ra 150μm (và các tùy chọn tùy chỉnh như 100μm và 200μm 4). Chiều dài sợi quang đầu ra thường là 30m nhưng có thể tùy chỉnh. Đường kính lõi sợi quang khác nhau ảnh hưởng đến độ phân kỳ và kích thước điểm laser. Lõi sợi quang nhỏ hơn thường tạo ra kích thước điểm nhỏ hơn và cường độ cao hơn, có thể phù hợp hơn cho các vật liệu mỏng hoặc các vết cắt phức tạp.

Nguồn laser Raycus 30kW cung cấp nhiều phương pháp điều khiển bao gồm Ethernet, Devicenet, Profinet và Profbus.1 Phạm vi điều chỉnh công suất thường là 10-100%. Tần số điều chế tối đa khoảng 5 kHz. Các tùy chọn điều khiển linh hoạt cho phép tích hợp với các hệ thống CNC khác nhau. Phạm vi điều chỉnh công suất cung cấp sự linh hoạt trong việc tối ưu hóa quá trình cắt cho các vật liệu và độ dày khác nhau. Tần số điều chế có thể quan trọng đối với việc kiểm soát sự tương tác của laser với vật liệu, đặc biệt là trong các chế độ xung (mặc dù đây là laser CW).

Các tính năng khác bao gồm nhiều cơ chế chống phản xạ cao, khả năng giám sát thông minh (ánh sáng nhìn thấy, chùm tia phản xạ và rò rỉ chùm tia) và các tiêu chuẩn an toàn cao (chứng nhận CE, PLD).1 Việc làm mát thường dựa trên nước. Cơ chế chống phản xạ cao rất quan trọng để gia công các vật liệu có độ phản xạ cao như nhôm và đồng, vì ánh sáng laser phản xạ có thể làm hỏng nguồn laser. Khả năng giám sát thông minh tăng cường an toàn và cho phép kiểm tra trạng thái theo thời gian thực. Việc làm mát bằng nước là cần thiết để tản nhiệt do laser công suất cao tạo ra.

Raycus được biết đến với hiệu suất chuyển đổi quang điện cao và đầu ra laser ổn định.5 Họ cung cấp bảo hành thay thế 2 năm trong trường hợp laser bị lỗi trong năm đầu tiên.5 Sự nhấn mạnh vào hiệu quả và độ ổn định cho thấy một nguồn laser đáng tin cậy, phù hợp cho các ứng dụng công nghiệp. Bảo hành mang lại sự đảm bảo cho người dùng.

Bảng 1: Thông số kỹ thuật chính của nguồn laser Raycus 30kW

3. Phân tích thông số cắt laser cho thép:

Nhiều nguồn cung cấp thông số cắt cho thép carbon và thép mềm bằng laser 30kW, thường chỉ định các độ dày và khí hỗ trợ khác nhau (Nitơ/Khí nén hoặc Oxy).4 Sự khác biệt về thông số giữa các nguồn cho thấy rằng cài đặt tối ưu có thể phụ thuộc vào thiết lập máy cụ thể, chất lượng cắt mong muốn và yêu cầu sản xuất. Các nhà sản xuất máy khác nhau có thể có các thông số khuyến nghị riêng dựa trên thiết kế máy và hệ thống điều khiển của họ. Độ hoàn thiện mép cắt và tốc độ cắt mong muốn cũng có thể ảnh hưởng đến việc lựa chọn thông số.

Đối với thép carbon, độ dày lên đến 50mm được đề cập là có thể cắt được bằng laser 30kW.4 Tốc độ cắt thay đổi đáng kể theo độ dày, từ 14-25 m/phút cho 8mm đến 0.4-0.8 m/phút cho 50mm. Như dự kiến, tốc độ cắt giảm đáng kể khi độ dày vật liệu tăng lên. Phạm vi tốc độ cho một độ dày nhất định có thể phản ánh các loại khí hỗ trợ khác nhau hoặc mức chất lượng mong muốn. Cần nhiều năng lượng laser hơn để cắt các vật liệu dày hơn, đòi hỏi tốc độ cắt chậm hơn để đảm bảo loại bỏ hoàn toàn vật liệu.

Nitơ hoặc Khí nén thường được sử dụng làm khí hỗ trợ cho thép carbon mỏng hơn, trong khi Oxy được khuyến nghị cho các phần dày hơn (trên 10-12mm) để hỗ trợ phản ứng tỏa nhiệt và cải thiện hiệu quả cắt.4 Việc lựa chọn khí hỗ trợ có tác động đáng kể đến quá trình cắt. Nitơ/Khí nén thường tạo ra vết cắt sạch hơn, trong khi Oxy có thể tăng tốc độ cắt cho các vật liệu dày hơn nhưng có thể dẫn đến quá trình oxy hóa. Nitơ và khí nén chủ yếu dùng để loại bỏ vật liệu nóng chảy khỏi khe cắt. Oxy phản ứng với kim loại, tạo thêm nhiệt hỗ trợ quá trình cắt, đặc biệt đối với các phần dày hơn.

Kích thước đầu béc thường dao động từ 4.5mm đến 6.0mm (đầu béc đơn hoặc đôi), và vị trí tiêu điểm thay đổi tùy thuộc vào độ dày và khí hỗ trợ, thường dao động từ -1mm đến +16mm.4 Áp suất khí hỗ trợ có thể dao động từ 0.5 bar đến 20 bar. Chiều cao cắt thường được giữ khoảng 0.3-0.6mm. Các thông số này rất quan trọng để kiểm soát sự tương tác của chùm tia laser với vật liệu và loại bỏ hiệu quả vật liệu nóng chảy. Kích thước đầu béc ảnh hưởng đến tốc độ dòng chảy và áp suất của khí hỗ trợ. Vị trí tiêu điểm xác định kích thước điểm và cường độ chùm tia laser tại bề mặt vật liệu. Chiều cao cắt duy trì khoảng cách nhất quán giữa đầu béc và phôi.

Xu hướng tương tự cũng được quan sát thấy đối với thép mềm, với các thông số được cung cấp cho độ dày lên đến 80mm (mặc dù tốc độ trở nên rất thấp đối với các phần dày nhất).6 Thép mềm, là một loại thép phổ biến, có nhiều dữ liệu có sẵn. Khả năng cắt độ dày lên đến 80mm cho thấy công suất lớn của laser 30kW. Thép mềm có hàm lượng carbon tương đối thấp, giúp cắt dễ dàng hơn so với thép có hàm lượng carbon cao.

Một số nguồn lưu ý rằng các thông số được đánh dấu màu đỏ chỉ dành cho thử nghiệm và không được khuyến nghị cho sản xuất hàng loạt, và rằng hiện tượng xỉ bám có thể xảy ra khi cắt thép carbon dày bằng khí nén hoặc nitơ.4 Điều này làm nổi bật những hạn chế và cân nhắc thực tế trong các ứng dụng thực tế. Các thông số thử nghiệm có thể ưu tiên chất lượng cắt hơn tốc độ và có thể không được tối ưu hóa cho hoạt động liên tục. Sự hình thành xỉ là một vấn đề phổ biến trong cắt laser, đặc biệt với một số vật liệu và khí hỗ trợ nhất định.

Bảng 2: Thông số cắt laser cho thép carbon/thép mềm bằng nguồn laser Raycus 30kW

4. Phân tích thông số cắt laser cho inox:

Các thông số cắt cho inox bằng laser 30kW cũng có sẵn trong nhiều tài liệu, với độ dày lên đến 100mm được đề cập là có khả năng cắt được (mặc dù công suất cắt sản xuất thấp hơn).4 Inox, nổi tiếng với độ cứng và khả năng chống ăn mòn, đòi hỏi các thông số cụ thể để cắt hiệu quả. Độ dày tối đa được đề cập cho thấy khả năng cao của laser 30kW. Các đặc tính của inox ảnh hưởng đến độ dẫn nhiệt và hành vi nóng chảy của nó, ảnh hưởng đến các thông số cắt tối ưu.

Tốc độ cắt cho inox dao động từ 18-35 m/phút cho độ dày 6-8mm đến 0.05-0.25 m/phút cho độ dày 50-100mm.4 Tương tự như thép carbon, tốc độ cắt giảm khi độ dày vật liệu tăng lên. Phạm vi tốc độ có thể phản ánh các loại khí hỗ trợ khác nhau hoặc yêu cầu chất lượng khác nhau. Cắt inox thường đòi hỏi nhiều năng lượng laser hơn hoặc tốc độ chậm hơn so với thép carbon có cùng độ dày.

Nitơ là khí hỗ trợ được khuyến nghị phổ biến nhất cho inox để đạt được vết cắt sạch, không có oxit. Khí nén cũng đôi khi được sử dụng cho các phần mỏng hơn.4 Tránh oxy hóa thường là yêu cầu chính khi cắt inox, khiến các khí trơ như nitơ trở thành lựa chọn ưu tiên. Nitơ đẩy oxy ra khỏi vùng cắt, ngăn chặn sự hình thành oxit crom trên bề mặt cắt, có thể ảnh hưởng đến tính chất và ngoại hình của vật liệu.

Kích thước đầu béc thường khoảng 5.0mm đến 8.0mm (đầu béc đơn), và vị trí tiêu điểm dao động từ +1mm đến -16.5mm.4 Áp suất khí có thể lên đến 30 bar, đặc biệt đối với các vật liệu dày hơn. Chiều cao cắt thường khoảng 0.3-0.5mm. Áp suất cao hơn có thể cần thiết để loại bỏ hiệu quả inox nóng chảy khỏi khe cắt, đặc biệt ở độ dày lớn hơn. Độ nhớt của inox nóng chảy cao hơn so với thép carbon có thể đòi hỏi áp suất khí hỗ trợ cao hơn để loại bỏ hiệu quả.

Một số nguồn đề cập đến việc sử dụng laser Raycus công suất cao (20kW-30kW) để cắt inox với tốc độ cắt cao.4 Điều này củng cố sự phù hợp của laser Raycus 30kW cho việc gia công inox hiệu quả. Công suất laser cao hơn cho phép nóng chảy và loại bỏ vật liệu nhanh hơn, dẫn đến tốc độ cắt tăng lên.

Một nguồn cũng lưu ý khả năng xỉ bám khi cắt inox dày bằng khí nén hoặc nitơ.4 Tương tự như thép carbon, đây là một cân nhắc thực tế mà người dùng cần lưu ý. Sự hình thành xỉ có thể bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố, bao gồm tốc độ cắt, áp suất khí hỗ trợ và nhiệt độ vật liệu.

Bảng 3: Thông số cắt laser cho inox bằng nguồn laser Raycus 30kW

5. Phân tích thông số cắt laser cho nhôm:

Việc cắt nhôm bằng laser sợi quang, đặc biệt ở công suất cao như 30kW, đòi hỏi sự cân nhắc cẩn thận do độ phản xạ cao của nó.4 Độ phản xạ cao của nhôm ở bước sóng laser sợi quang có thể dẫn đến tổn thất năng lượng đáng kể và có khả năng gây hư hỏng cho nguồn laser nếu không được quản lý đúng cách (như đã đề cập trong 4 về công nghệ chống phản xạ cao). Laser sợi quang hoạt động ở bước sóng khoảng 1070-1080 nm, là bước sóng có độ phản xạ cao đối với nhiều kim loại màu như nhôm và đồng.

Các thông số được cung cấp cho hợp kim nhôm, với độ dày lên đến 60mm được đề cập.4 Tốc độ cắt dao động từ 55-80 m/phút cho 1mm đến 0.2-0.6 m/phút cho 50-60mm. Tốc độ cắt cho nhôm mỏng khá cao, phản ánh điểm nóng chảy tương đối thấp và độ dẫn nhiệt tốt của vật liệu. Tuy nhiên, tốc độ giảm đáng kể đối với các phần dày hơn. Mặc dù nhôm nóng chảy dễ dàng, nhưng độ dẫn nhiệt cao của nó có thể tản nhiệt nhanh chóng, đòi hỏi nhiều năng lượng laser hơn hoặc tốc độ chậm hơn cho các vết cắt dày hơn.

Nitơ là khí hỗ trợ thường được khuyến nghị để cắt nhôm nhằm ngăn chặn quá trình oxy hóa. Áp suất cao thường được sử dụng.4 Tương tự như inox, việc sử dụng khí trơ như nitơ giúp duy trì độ hoàn thiện bề mặt và ngăn chặn các phản ứng không mong muốn. Nhôm dễ bị oxy hóa khi có oxy ở nhiệt độ cao, có thể ảnh hưởng đến chất lượng cắt và tính chất vật liệu.

Kích thước đầu béc thường dao động từ 3.0mm đến 8.0mm (đầu béc đơn), và vị trí tiêu điểm thay đổi, thường khoảng 0mm đến -9mm cho các phần mỏng hơn và có khả năng có giá trị dương cho các phần rất dày.4 Áp suất khí có thể dao động từ 4.5 bar đến 20 bar. Chiều cao cắt thường khoảng 0.3-0.8mm. Vị trí tiêu điểm cụ thể có thể rất quan trọng để đạt được vết cắt tốt với vật liệu có độ phản xạ cao như nhôm. Vị trí tiêu điểm tối ưu có thể cần được điều chỉnh để tính đến sự tương tác của chùm tia laser với bề mặt phản xạ và đảm bảo sự hấp thụ năng lượng hiệu quả.

Các nguồn thường xác nhận rằng laser sợi quang có hiệu quả trong việc cắt các vật liệu có độ phản xạ cao như hợp kim nhôm.6 Mặc dù có độ phản xạ cao, laser sợi quang, đặc biệt là laser công suất cao, có thể cắt nhôm hiệu quả với việc lựa chọn thông số phù hợp và các tính năng của máy (như bảo vệ chống phản xạ ngược). Mật độ năng lượng cao của chùm tia laser sợi quang hội tụ có thể vượt qua ngưỡng phản xạ và bắt đầu quá trình nóng chảy và cắt.

Bảng 4: Thông số cắt laser cho nhôm/hợp kim nhôm bằng nguồn laser Raycus 30kW

6. Phân tích thông số cắt laser cho đồng:

Đồng là một vật liệu có độ phản xạ cao khác, gây ra những thách thức cho việc cắt bằng laser sợi quang.1 Tương tự như nhôm, độ phản xạ cao của đồng ở bước sóng laser sợi quang đòi hỏi các kỹ thuật và thông số chuyên biệt. Một số nguồn cảnh báo rõ ràng về việc không sử dụng khí nén hoặc nitơ, vì nó có thể làm hỏng laser.4 Độ phản xạ của đồng thậm chí còn cao hơn nhôm ở bước sóng laser sợi quang thông thường (1070nm), khiến việc cắt hiệu quả và an toàn trở nên khó khăn hơn.

Các thông số được cung cấp cho đồng với độ dày lên đến 12mm.4 Tốc độ cắt dao động từ 25-40 m/phút cho 1mm đến 2-2.5 m/phút cho 12mm. Tốc độ cắt cho đồng mỏng khá cao, nhưng giảm nhanh chóng khi độ dày tăng lên. Độ dẫn nhiệt cao của đồng cũng đóng một vai trò trong quá trình cắt, đòi hỏi công suất laser đáng kể để đạt được sự xuyên thấu và loại bỏ vật liệu.

Oxy thường xuyên được khuyến nghị làm khí hỗ trợ để cắt đồng, thường ở áp suất cao.4 Phản ứng tỏa nhiệt với oxy rất quan trọng để đạt được hiệu quả cắt đồng bằng laser sợi quang. Oxy phản ứng với đồng nóng chảy, tạo thêm nhiệt và giảm lượng năng lượng laser cần thiết cho việc cắt.

Kích thước đầu béc thường khoảng 2.0mm đến 5.0mm (đầu béc đơn), và vị trí tiêu điểm dao động từ 0mm đến -5mm cho các độ dày đã cho.4 Áp suất khí có thể dao động từ 5 bar đến 12 bar. Chiều cao cắt thường khoảng 0.5-1.0mm. Các thông số cho đồng thường khác với các thông số được sử dụng cho thép hoặc nhôm, phản ánh các đặc tính riêng của vật liệu này. Sự tương tác cụ thể của laser với đồng, kết hợp với nhu cầu phản ứng hỗ trợ bằng oxy, quyết định các cài đặt thông số tối ưu.

Một số nguồn khuyến nghị sử dụng laser công suất cao hơn cho sản xuất đồng hàng loạt.4 Điều này cho thấy rằng mặc dù laser 30kW có thể cắt đồng, nhưng nó có thể hoạt động gần với giới hạn của nó đối với các phần dày hơn hoặc sản xuất số lượng lớn. Laser công suất cao hơn có thể cung cấp nhiều năng lượng hơn cho vùng cắt, cho phép tốc độ cắt nhanh hơn và chất lượng tốt hơn, đặc biệt đối với các vật liệu khó cắt như đồng.

Một số nguồn khác đề cập đến việc sử dụng laser diode sợi quang màu xanh (với bước sóng khoảng 450nm) để hàn vàng, bạc và đồng do khả năng hấp thụ cao hơn. Điều này làm nổi bật khả năng hấp thụ thấp hơn của đồng ở bước sóng laser sợi quang thông thường (1070nm).5 Điều này cung cấp sự hiểu biết sâu sắc hơn về lý do tại sao đồng khó cắt bằng laser sợi quang tiêu chuẩn và tại sao việc hỗ trợ bằng oxy lại quan trọng đến vậy. Khả năng hấp thụ của vật liệu ở bước sóng laser ảnh hưởng trực tiếp đến lượng năng lượng được truyền vào vật liệu. Khả năng hấp thụ thấp hơn có nghĩa là nhiều năng lượng bị phản xạ hơn, đòi hỏi công suất laser cao hơn hoặc bước sóng thay thế để gia công hiệu quả.

Bảng 5: Thông số cắt laser cho đồng bằng nguồn laser Raycus 30kW

7. Bảng so sánh thông số cắt laser khuyến nghị:

Bảng 6: Bảng so sánh thông số cắt laser khuyến nghị cho nguồn laser Raycus 30kW

Lưu ý: Các thông số này chỉ mang tính chất tham khảo và có thể cần được điều chỉnh tùy thuộc vào máy cắt laser cụ thể, loại và chất lượng vật liệu, cũng như yêu cầu về chất lượng cắt. Nên tham khảo hướng dẫn sử dụng của máy và tiến hành các thử nghiệm cắt để tối ưu hóa thông số.

8. Kết luận và khuyến nghị:

Báo cáo này đã tổng hợp các thông số cắt laser cho thép, inox, nhôm và đồng khi sử dụng nguồn laser Raycus 30kW từ các tài liệu nghiên cứu khác nhau. Phân tích cho thấy rằng các thông số cắt tối ưu phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm loại và độ dày vật liệu, khí hỗ trợ, kích thước đầu béc và vị trí tiêu điểm.

Đối với thép, cả nitơ/khí nén và oxy đều được sử dụng làm khí hỗ trợ, với oxy thường được ưu tiên cho các vật liệu dày hơn. Inox thường được cắt bằng nitơ để đạt được bề mặt hoàn thiện sạch sẽ. Nhôm, do độ phản xạ cao, thường được cắt bằng nitơ áp suất cao. Đồng, cũng có độ phản xạ cao, thường yêu cầu oxy làm khí hỗ trợ và có thể cần laser công suất cao hơn cho sản xuất hàng loạt.

Các thông số được cung cấp trong báo cáo này nên được coi là điểm khởi đầu. Người dùng nên tham khảo hướng dẫn sử dụng của máy cắt laser cụ thể của họ, vì nó có khả năng chứa các thông số cắt được xác nhận và cụ thể hơn cho hệ thống của họ. Ngoài ra, việc tiến hành các vết cắt thử nghiệm và tối ưu hóa các thông số cho ứng dụng cụ thể của họ là rất quan trọng để đạt được kết quả tốt nhất. Cần lưu ý các yếu tố như kẹp vật liệu, hút khói và các biện pháp phòng ngừa an toàn khi vận hành hệ thống cắt laser công suất cao. Đối với các vật liệu có độ phản xạ cao như nhôm và đặc biệt là đồng, việc đảm bảo bảo vệ chống phản xạ ngược thích hợp trên hệ thống laser là rất quan trọng để ngăn ngừa hư hỏng. Tóm lại, nguồn laser Raycus 30kW có tiềm năng gia công hiệu quả nhiều loại vật liệu kim loại khi sử dụng các thông số cắt chính xác.