Laser power requirement for cutting thick-section steel and effects of processing parameters on mild steel cut quality

Abstract

The high-power fibre laser presents a possibility for the application of solid-state lasers in thick-section metal cutting, a field which has been dominated by high-power CO2 lasers. The current paper presents the lumped-parameter formulation of the laser power requirement as a function of cutting speed for oxygen-assisted laser cutting of mild steel and nitrogen-assisted laser cutting of stainless steel. The calculated laser power requirement is compared with the incident laser power used in the cutting of 15 mm mild steel with oxygen assist gas and 10 mm stainless steel with nitrogen assist gas using a multi-mode 5 kW fibre laser and a 4 kW CO2 laser. The incident laser power required for cutting at a given cutting speed is found to be lower for fibre laser cutting than for the CO2 laser cutting, indicating a higher absorption of the fibre laser beam. The effects of process parameters on the cut kerf quality in mild steel laser cutting with oxygen assist gas using the high-power fibre laser are presented. The critical process parameters affecting the quality of the cutting process and the resulting cut kerf are the cutting speed, oxygen pressure, and nozzle diameter.

CO2 Laser Cutting of Hot Stamping Boron Steel Sheets

“…This is because low cutting speeds favor a larger overlapping of laser pulses (i.e., increase of the thermal energy input per unit of time), which is more sensitive to laser power changes. A similar effect has also been claimed by other studies [2,11,12,25,[29][30][31]. At low oxygen pressure, the stronger influence of laser power is directly related to the cooling effect of the assist gas: a low O 2 pressure is less able to cool the sheet, thus kerf width is more sensitive to heat power changes.…”

Fiber Lasers in Material Processing

“…In examining the power requirement during laser cutting of a metal workpiece using inert and oxidizing assist gas jets, Wandera et al [23] developed a theoretical model to estimate the power requirement for melting the kerf volume and the inevitable conduction power losses. Schulz et al [24] developed an analytical approximation of the heat conduction losses during laser cutting of metals and provided an expression that can be used to estimate the temperature change in the substrate metal during laser cutting; the temperature change in the substrate metal is inversely proportional to the Peclet number which is directly proportional to the cutting speed.…”

“…The maximum achievable cutting speed for a given laser power level is the maximum cutting speed at which the cut edges are separated. Wandera et al [23,31] tested the maximum cutting speeds with the corresponding required laser power levels for the cutting of 10-mm stainless steel, 15-mm mild steel, and 4-mm aluminium using the fiber laser as presented in Figure 5. Using 5 kW fiber laser power, stainless steel of 10-mm thickness can be cut at a maximum cutting speed of 1.5 m/min with nitrogen assist gas jet and mild steel of 15-mm thickness can be cut at a cutting speed of 1.8 m/min with oxygen assist gas jet.…”

Podstawy teoretyczne cięcia laserowego metali

“…Do cięcia laserowego zalecany jest podstawowy, jednomodowy (gaussowski) rozkład mocy wiązki laserowej -TEM 00 , który zapewnia możliwość zogniskowania wiązki laserowej do jak najmniejszej średnicy i największych głęboko-ści (najmniejszej zmiany mocy wiązki na jej długości). Zdolność ogniskowania wiązki i jej stabilność są szczególnie ważne przy cięciu profilowym cienkich blach ze stali węglowych o grubości do 3,2 mm [8,15]. mm·mrad (1) gdzie: w o -promień przewężenia wiązki laserowej (wymiary ogniska), Θ o -kąt odchylenia wiązki laserowej w polu dalekim, K -współ-czynnik propagacji wiązki laserowej, M 2 -w spółczynnik wielokrotności ograniczonej dyfrakcji, λ -długość fali promieniowania laserowego (rys.…”

“…W przypadku stali niestopowych, stopowych i wysokostopowych jest to ok. 60% energii cięcia, natomiast w przypadku metali reaktywnych, np. tytanu, wartość dodatkowej energii cieplnej może osią-gać wartość 90% [4,5,8]. Technika ta jest zalecana do cięcia z dużymi prędkościami stali stopowych, wysokostopowych, stopów niklu, stopów miedzi i stopów tytanu, zwłaszcza gdy dopuszczalna jest obecność warstwy tlenków na ciętych krawędziach [4,5,7].…”