Il piercing con il laser in fibra migliora la produttività di taglio

Il rilevamento del foro di sfondamento garantisce un’elevata efficienza della macchina da taglio laser e una riduzione dei tempi di taglio.

di Mark Richmond

I laser in fibra sono stati ormai accettati per le applicazioni laser industriali in tutto il mondo. Le vendite globali di tutti i laser per il taglio dei metalli superano 1,1 miliardi di $ e crescono al 3-4% annuo, in quanto vengono incorporate in una stima di 7.000 macchine per il taglio di lamiere installate nel 2017. I laser a fibra hanno costantemente sostituito i laser a biossido di carbonio (CO2) in questo settore di mercato grazie ai vantaggi che includono maggiore efficienza, alta qualità del fascio e la capacità di processare materiali altamente riflettenti come rame e leghe di rame. Pertanto, le vendite di laser in fibra in questo settore superano ora quelle dei laser a CO2. I miglioramenti delle prestazioni per questa applicazione avranno un impatto significativo sulle economie globali, in quanto vi è una crescente dipendenza dai prodotti metallici fabbricati. Le nuove generazioni di laser in fibra stanno iniziando a incorporare ulteriori sensori e diagnostiche che consentono di eseguire funzioni più avanzate (Figura 1). I sistemi di taglio laser industriali generalmente perforano e tagliano eseguendo operazioni separate, con set di parametri fissi per ciascun materiale e spessore. La procedura di piercing viene spesso programmata per un tempo di sosta fisso, che può comportare una perdita di efficienza della macchina e della qualità del foro, in particolare su campioni di elevato spessore con molti fori. Tuttavia, è possibile migliorare questi processi rilevando, in tempo reale, la luce che ritorna dal pezzo in lavorazione al laser. Questa luce riflessa (BR) è solitamente considerata una seccatura, ma contiene informazioni sul processo di taglio e può essere utilizzata per rilevare la fine della fase di sfondamento. Esistono già dei sistemi di rilevamento dei pierce che si basano sulla stazione di lavoro di taglio. Tuttavia, i laser a fibra di prossima generazione, come i laser RedPOWER QUBE, dispongono di un sistema integrato di rilevamento degli sfondamenti che elimina la necessità di eventuali costosi sensori aggiuntivi all’interno della testa di taglio.

Rilevazione del pierce
Esistono molti tipi di sistemi di rilevamento della perforazione che forniscono feedback al controllore della macchina da taglio non appena viene raggiunto uno sfondamento. Ciò consente al controller di passare alla fase di taglio con il tempo di sosta minimo necessario. Di solito, i sistemi di rilevamento della perforazione sono basati nella stazione di taglio nelle vicinanze della testa di messa a fuoco, ma ciò comporta una testa di taglio più complessa e costosa e un sistema ottico con superfici ottiche aggiuntive che possono degradare il raggio laser. Sono anche suscettibili di danni a causa dell’ambiente polveroso spesso vissuto quando si lavora vicino al processo di taglio. Per un taglio, a esempio, di scheletro su una lamiera di 3 × 2 m, potrebbero essere necessari 2.500 piercing, quindi il risparmio di tempo di 100ms a foro riduce il tempo di processo per ogni foglio di oltre 4 minuti. Lo studio su una vasta gamma di materiali e spessori ha dimostrato un risparmio di tempo tipico del 10-15% utilizzando un sistema di rilevamento della perforazione, pertanto gli aspetti economici dell’investimento nel rilevamento automatico dello sfondamento sono chiari e considerati necessari per tutti i sistemi di taglio ad alte prestazioni.
Un processo di taglio laser è strutturato in diverse fasi. Il piercing è la prima fase, che produce un fronte di taglio quasi verticale attraverso la lamiera, formando il punto iniziale di ogni taglio. A seconda del materiale e dello spessore del foglio, possono essere necessari una forma di impulso e una rampa di potenza complesse per ottenere tempi di sfondamento ridotti, nonché per ridurre gli spruzzi e il rigonfiamento sulla superficie del pezzo. E, in base alla temperatura, alla rugosità della superficie e alla qualità del materiale del pezzo, i tempi di sfondamento possono variare notevolmente per lo stesso programma di perforazione. Per i processi industriali, un certo fattore di sicurezza (tipicamente fino a 3X) viene aggiunto al tempo di permanenza medio, che ovviamente non è necessario per la maggior parte dei fori, ma è vitale per garantire un processo stabile per ogni piercing.
Una perforazione in lamiera con un laser a fibra e una testa di taglio assistita da gas è simile a un processo di perforazione laser. Inizialmente, il raggio focalizzato sarà assorbito dalla superficie superiore del foglio, causando un aumento della temperatura localizzato che porta alla fusione e potenzialmente alla vaporizzazione, a seconda dell’intensità del fascio. La pressione del getto del gas coassiale e la pressione del vapore del metallo di evaporazione creeranno un foro cieco con gocce di metallo fuso spruzzate verso l’alto e verso l’esterno. Il processo di perforazione continua mentre il raggio laser passa attraverso lo spessore della lamiera. Mentre il foro di perforazione è cieco (cioè non ancora completamente perforato attraverso lo spessore della lamiera), ci sarà un livello maggiore di luce laser riflessa verso l’alto poiché tutto il raggio colpirà la lamiera. Ciò è in contrasto con il processo di taglio allo stato stazionario, in cui il fronte angolato del taglio consentirà alla maggior parte della porzione inutilizzata del raggio di uscire dal retro del foglio.
Durante il processo di perforazione, si verificherà un segnale BR di tempo variabile, che può essere utilizzato dal sistema di controllo laser per determinare la fine dello sfondamento. Questa informazione viene presentata come un chiaro flag digitale alla stazione di lavoro di taglio per interrompere il ciclo di piercing. La Figura 2 mostra i risultati tipici ottenuti per una perforazione della lamiera usando un fascio focalizzato perpendicolare. Il processo può essere suddiviso in diverse fasi distinte:
• Dall’inizio della perforazione a t1, c’è un segnale BR di grandi dimensioni. Ciò è
coerente con il laser che colpisce la superficie intatta e abbatte la riflettività iniziale.
• Da t1 a t2, il pierce è un foro cieco poiché il laser attraversa lo spessore della lamiera.La BR è instabile in quanto la forma e la posizione del bagno di fusione cambiano, ma a livelli più alti rispetto al processo di taglio.
• Da t2 a t3, c’’è una transizione mentre il pierce sfonda il lato posteriore della lamiera.
• Dopo t3, ci sono livelli relativamente bassi (ma non a zero) di BR fino allo spegnimento del laser a t4.
La Figura 3 mostra una traccia del segnale BR reale di un ciclo di piercing (con il rilevatore inizialmente in saturazione). Ciò è stato ottenuto utilizzando un laser da 1,5 kW con una fibra di processo da 50 μm (BPP = 2,0) che taglia una lamiera di acciaio inossidabile da 6 mm con un punto focale di ~ 100 μm, con il raggio focalizzato sotto la superficie del pezzo. In questo esperimento, un rivelatore supplementare è stato posto sotto il pezzo in lavorazione per confermare l’attraversamento. Il Flag digitale di pierce può essere visto chiaramente come high quando il rivelatore supplementare entra in saturazione, indicando il pieno sfondamento. È importante sottolineare che c’è un reset automatico del flag di perforazione alla fine del periodo di attivazione del laser.
Il sistema di rilevamento del piercing funziona identificando il punto in cui è stato raggiunto t3. Questo attiva un tempo di ritardo programmabile, che è importante per garantire che il processo di perforazione sia terminato. Una volta che il segnale BR è al di sotto della soglia per la durata del tempo di ritardo, la perforazione viene considerata terminata e il laser fornisce un segnale di Pierce Flag digitale che può essere utilizzato nella macchina di produzione. Le soglie e i tempi di sosta sono programmabili, quindi l’utente può regolare le impostazioni per garantire che il comportamento di Pierce Flag sia ottimizzato per il proprio processo, con il Pierce Flag che va alto proprio mentre viene completato lo sfondamento.
In molte operazioni, lo sfondamento viene ottenuto utilizzando una modalità di funzionamento pulsato per consentire al laser di ottenere un foro di sfondamento più pulito e controllato. Scegliendo parametri adatti per l’algoritmo di rilevamento, il Flag di rilevamento del pierce verrà comunque attivato nel punto appropriato.

Conclusione
I sistemi di rilevamento del Pierce stanno diventando un componente richiesto delle moderne stazioni di lavoro di taglio piano per garantire elevate prestazioni ed efficienza.Per esempio, con i sensori di rilevamento della perforazione integrati nel laser redPOWER, il cliente può decidere di utilizzare una testa di taglio più economica rispetto a un prodotto costoso.
Essere in grado di monitorare la quantità della BR dal processo di taglio è un enorme vantaggio, sia per l’impostazione dei parametri di processo corretti che per il monitoraggio della qualità in-process. Le operazioni di piercing e taglio possono essere esaminate e ottimizzate e si possono evitare alti livelli di BR da materiali altamente riflettenti.
In definitiva, la produttività di un sistema di taglio laser può essere aumentata utilizzando un sistema di rilevamento della perforazione per garantire un’elevata efficienza della macchina e una riduzione della perdita di tempo durante il piercing. Le simulazioni hanno dimostrato che il tempo di processo può essere ridotto fino al 15% su un foglio di 3 × 1,5 m con layout di parti realistico. A seconda della complessità e delle dimensioni della parte, i tempi effettivi e i risparmi sui costi potrebbero essere ancora più elevati.