Investigating the effect of temporal emission modes in the fiber laser cutting process

Abstract

[ES] El corte láser es una forma de manufactura compleja, con múltiples parámetros de proceso que afectan significativamente a la calidad de los cortes. Uno de los parámetros de proceso más interesantes es la modulación temporal de la potencia del láser. Este trabajo estudia las variaciones en el ciclo de trabajo como método de modulación de la potencia para equilibrar la energía del proceso de corte y evaluando el efecto en la calidad de las piezas cortadas. La fase inicial de la investigación se centra la capacidad de la fuente láser IPG YLS-6000-Cut de modular correctamente la potencia. Se consideran tres modos de control diferentes: la Interfaz Usuario-Máquina, LaserNet y control analógico, que da la posibilidad de emitir no sólo onda cuadrada sino también otros perfiles de onda como triangular y sinusoidal. Para el control analógico, se realizó una campaña experimental de caracterización incluyendo pulsos de onda cuadrada con diferentes combinaciones de potencia, frecuencia y ciclo de trabajo. Los pulsos cuadrados se realizaban correctamente si presentaban si la máquina cambiaba de estado más lento que el mínimo transitorio requerido para modular, de aproximadamente 35 μs. Esto permitió comandar la máquina hasta la frecuencia máxima de 5 kHz con un ciclo de trabajo mínimo del 50% para una alimentación de pulso baja de 0 V y un ciclo de trabajo mínimo del 25% para una alimentación de pulso baja superior a 0 V. Además, también se caracterizaron formas de onda sinusoidales y triangulares. Los pulsos se realizaron correctamente para todos los niveles de frecuencias seleccionados si se mantenía durante la emisión un nivel superior a la potencia de mínima requerida por la fuente láser (600 W). La parte central de la tesis se centró en la evaluación de la calidad de los cortes realizados en los regímenes de emisión continuo y pulsado. Los materiales seleccionados para el corte por fusión fueron la aleación de aluminio 5754 y el acero inoxidable AISI 304. Para el corte reactivo se seleccionó el acero al carbono S235JR. La campaña experimental incluyó pulsos con forma de onda cuadrada, con variaciones en el ciclo de trabajo y la velocidad de corte, ya que ambos parámetros afectaban al aporte energético de la operación. La altura de la rebaba se utilizó como indicador de calidad para los casos de corte por fusión, encontrándose un nivel de energía que minimizaba la rebaba adherida. Los valores mínimos de altura de rebaba obtenidos fueron 12,31 um para la aleación de aluminio 5754 (Réplica 1, 5000 mm/min, emisión continua) y 12,51 um para AISI 304 (Réplica 2, 1100 mm/min, emisión continua). La rugosidad superficial fue el indicador de calidad del corte reactivo, y se vio favorecida por la emisión continua y las altas velocidades. El valor más bajo de Rz5 para S235JR fue de 7,62 um (Réplica 2, 2500 mm/min, emisión continua). Los casos de mejor calidad correspondieron a la emisión continua, pero las reducciones del ciclo de trabajo demostraron ser una forma válida de modulación de la potencia para equilibrar la energía de la operación.

[EN] Laser cutting is a complex manufacturing operation with multiple process parameters that could significantly affect the quality of the resulting cuts. One of the most interesting process parameters is the temporal modulation of the laser power emission. This work examines variations in the duty cycle as a form of power modulation to balance the energy of cutting process, evaluating the impact on the quality of the cut pieces. The initial phase of the research investigates the capability of the IPG YLS-6000-Cut laser source to correctly modulate the power. Three different control modes are considered: Human-Machine Interface, LaserNet and Analog control, which is the modulation mode that gives the possibility to emit not only square wave but also other wave profiles such as triangular and sinusoidal waves. For analog control, a characterization experimental campaign was conducted for square wave pulses involving different power, frequency, and duty cycle combinations. Square pulses result as feasible if they presented on and off times longer than the minimum transitory, of approximately 35 μs. This allowed to command the machine up to the maximum frequency of 5 kHz with a minimum duty cycle of 50% for a back voltage of 0 V and a minimum duty cycle of 25% for a back voltage greater than 0 V. In addition, sine and triangular waveforms were also characterized. The pulses complied with the feasibility conditions for all the frequencies levels tested if a level greater than the cutoff power of the source (600 W) was maintained during the emission. The core part of the thesis is focused on the quality assessment of the cuts performed in CW and PW emission regimes. The selected materials for fusion cutting were aluminum alloy 5754 and stainless steel AISI 304. Carbon steel S235JR was selected for reactive cutting. The experimental campaign involved square pulses, with variations in duty cycle and cutting speed as both parameters affect the energy input of the operation. Dross height was used as a quality indicator for the fusion cutting cases, and an energy level that minimize the attached burr was found. The minimum burr height values obtained were 12.31 um for aluminum alloy 5754 (Replicate 1, 5000 mm/min, CW) and 12.51 um for AISI 304 (Replicate 2, 1100 mm/min, CW) The surface roughness was the quality indicator for reactive cutting, and it was favored by continuous emission and high speeds. The lowest Rz5 value for S235JR was 7.62 um (Replicate 2, 2500 mm/min, CW). The best quality cases corresponded to continuous emission, but duty cycle reductions proved to be a valid form of power modulation to balance the energy of the operation.