Investigating defect formation and mitigating strategies during the laser cutting of high thickness mild steel

Reactive fusion cutting has become an established technology for the processing of medium to low thickness carbon steel sheets. Although there are several advantages associated with this process there are several technological challenges which still remain. Amongst these the degradation of the cut quality due heat accumulation of the sheet being processed results as one of most significant issues. The base material during cutting can not dissipate all the heat deriving from the process, with a temperature rise of the material. This phenomenon leads to a deterioration of cutting edge quality with larger striation formation and increased profile inhomogeneity. The goal of this thesis is to determinate a relation between temperature rising of base material, measured by thermal camera acquisitions, and degradation of cutting edge quality, measured by the mean height of roughness profile (Rz). Discover the critical quality condition in which the edge profile is no more acceptable, with formation of large and deep striations, and, starting from this condition, restore the cutting quality to starting point, ambient condition, using a changing cutting machine parameters approach. The parameters are chosen based on the development of a cutting model creates to show the effect of process parameters on cutting process and striation formation. The experimental design parameter modification is selected to see the effect of the machine parameters laser power, oxygen pressure, cutting speed and focus distance on cut quality. This experimentation is computed on 15 mm and 10 mm thick mild steel to see the effect of material thickness on experimentation and comparing the results obtained. The experimental results show an increment of Rz, and so a quality deterioration, with the rise of temperature: for 15 mm thick mild steel, the Rz increase from 100-105 µm at ambient temperature (25°C) to 125-130 µm at critical temperature (121° C), while for 10 mm thick mild steel, the Rz increase from 70-75 µm at ambient temperature (25°C) to 105-110 µm at critical temperature (192° C). The parameter modification indicates some condition as restoring quality condition: for 15 mm thick the reduction of focus distance at 4,15 mm, starting from standard cutting value of 4,5, and for 10 mm thick the increasing of cutting speed at 2500 mm/min, starting from standard cutting value of 2100 mm/min, has shown an improved cutting quality with Rz comparable with ambient condition of cut.

Il taglio laser in ossigeno è diventata una delle tecnologie più adoperate nel taglio di spessori medi e piccoli di acciaio al carbonio. Nonostante i numerosi punti di forza di questo processo, rimangono molte problematiche da studiare riferenti a questa tecnologia. Una di quelle più significative è il problema di accumulo di calore nel materiale di taglio durante il processo. Il materiale durante il taglio si riscalda non riuscendo a dissipare tutto il calore, provocando un innalzamento della temperatura. Questo fenomeno peggiora notevolmente la qualità dei bordi di taglio, creando striature più larghe e profonde. L’obbiettivo di questa tesi è: determinare una relazione tra incremento di temperatura, misurata tramite termo camera, e degrado della qualità dei bordi di taglio, misurata utilizzando l’altezza media del profilo di rugosità (Rz). Selezionare la condizione critica di taglio in cui la qualità risulta non più accettabile e partendo da questa condizione, ripristinare la qualità di partenza, standard a temperatura ambiente, operando un processo di cambio parametri di taglio. I parametri sono stati selezionati sviluppando un modello di taglio laser che mostrasse l’effetto dei singoli parametri nel processo e nella formazione delle striature. Il design sperimentale di cambio parametri e stato scelto per fornire una dimostrazione degli effetti dei singoli parametri di macchina (potenza del laser, pressione dell’ossigeno, velocità di taglio e distanza focale) sulla qualità di taglio. Questa sperimentazione viene fatta su spessori di 15 mm e 10 mm di acciaio al carbonio per vedere l’effetto dello spessore del materiale all’interno del processo e confrontare i risultati ottenuti. I risultati sperimentali mostrano un incremento di Rz, e quindi un degradamento della qualità di taglio, con l’aumentare della temperatura del materiale di base: nel caso di taglio di 15 mm di spessore, l’Rz è aumentato da 100-105 µm a temperatura ambiente (25° C) fino a 125-130 µm a temperatura critica (121° C), mentre nel caso di taglio di 10 mm di spessore, l’Rz è aumentato da 70-75 µm a temperatura ambiente (25° C) fino a 105-110 µm a temperatura critica (192° C). Il cambio parametri ha determinato delle condizioni in cui la qualità di taglio e stata ripristinata: nel caso di taglio di 15 mm di spessore la riduzione della distanza focale a 4,15 mm, partendo da 4,5 mm, e nel caso di taglio di 10 mm di spessore, l’aumento della velocita di taglio a 2500 mm/min, partendo da 2100 mm/min, hanno mostrato un miglioramento della qualità di taglio con Rz paragonabili a quelli di taglio a temperatura ambiente.