Технология лазерной резки металла

Технология лазерной резки металла

Среди большого количества технологий по обработке железа лазерная резка выделяется экономичностью и производительностью. Эта технология позволяет не только сверхточно производить изделия со сложным геометрическим контуром, но и обеспечивает высокую скорость изготовления этих изделий.

• Описание технологии
• Разновидности лазерных приборов
• Оборудование
• Лазерная резка тонкого железа
• Инновационные лазерные комплексы
• Преимущества и недостатки технологии

Методы лазерной резки

Существует два основных вида резки металлов лазерным лучом:

1. Плавление;
2. Испарение.

В мировой практике наиболее распространена лазерная резка металла плавлением. Обработка с использованием рабочих газов (кислород, азот, неон, гелий, аргон, их смеси, воздух, инертные газы) определяется как газолазерная резка. Газ, который подбирают, исходя из обрабатываемых материалов, позволяет повысить тепловую мощность на линии реза, уменьшить отражающую силу материала за счет активации окисления. Кроме того, он за счет направленности потока выдувает из области кроя продукты сгорания, металлический мусор и прочие частицы, охлаждает нагреваемую зону.

Наибольшую эффективность демонстрирует кислород, с ним заметно повышается скорость операций, результативность в отношении кроя толстостенных материалов. Азот используется в случаях, когда требуется сохранить структуру металла на кромке. Азот обладает свойством снижать температуру в области резки, сократить толщину окислов. Скорость обработки с применением азота заметно ниже, но в некоторых случаях сохранение структуры металла в месте реза является обязательным условием.

Газолазерная резка не допустима при работе с материалами, чувствительными к перегреву: легированными, цветными металлами. Лазерная обработка не подходит для разделения материалов, склонных к растрескиванию.

При испарении также происходит тепловое воздействие луча, линия реза сначала прогревается до температуры плавления, затем до показателей, при которых начинается кипение, улетучивание. Как уже отмечалось выше, бесконтактная резка металла испарением признана высокозатратной, возможна в отношении листов (заготовок) небольшой толщины.

Для реализации разделения испарением задействуется высокомощное оборудование, для нормального функционирования которого необходимо значительное количество энергии. Высокие затраты не всегда экономически оправданы, процесс фактически невозможно применить в отношении толстолистовых материалов. Метод обработки испарением применяют только для резки тонкостенных заготовок, раскроя листов малой толщины.

Способ сквозного прожигания посредством лазерного луча не нов, его начали использовать еще в 60-х годах прошлого столетия. С того времени технология совершенствовалась, модернизировалось оборудование для ее реализации.

Какими бывают лазеры для резки?

Установки, которые используются для фигурной резки металла, могут быть разнообразными по характеристикам лазера, мощности и другим параметрам.

Классифицируют оборудование по таким основным критериям:

1. В зависимости от рабочей среды лазеры бывают:

• Твердотельные – такие установки оснащены специальной камерой, в которой при помощи источника света обрабатывается элемент. Деталь, которая подлежит нарезке, располагается под твердым стержнем из стекла или других компонентов, с лазерным лучом определенных характеристик. Сила света увеличивается в результате многократного отражения в зеркальных деталях.
• Газовые – такие устройства работают на основе использования в качестве рабочего инструмента газа. В этих целях может применяться углекислый газ или смесь азота и гелия. Электрические заряды создают лучи благодаря воздействию газа, который поступает через трубку под воздействием насоса.
• Газодинамические – такие приборы являются самыми мощными устройствами для эффективной работы с разными материалами и создания изделий с разными параметрами и сложностью узоров.

2. В зависимости от особенностей подачи энергии агрегаты могут быть с постоянной мощностью деталей или с импульсными типами поступления ресурсов для резки листов.

Разновидность таких установок может также определяться мощностью луча, габаритами и скоростью создания готовых изделий.

Лазерная резка металлических поверхностей позволяет применять детали для комплектации различных механизмов или создания элементов декора или изделий с необычными и сложными геометрическими формами – вывесок магазинов, других заведений, деталей для создания большого количества комплектующих, шкатулок и других оригинальных вещей.

Еще одним примером применения таких устройств является создание гравировки на металлических поверхностях различных изделий.

Лазерная резка каких материалов возможна

Резка лазерным лучом возможна, если основной материал – это:

• Сталь обычная. Максимальная толщина стального листа должна не превышать 20 мм, в противном случае нужно обратиться к другому методу.
• Сталь нержавеющая. Ограничение по толщине составляет 16 мм. Именно при таких показателях удастся избежать возникновения облоя или же его можно будет удалить без последствий. Лазерная резка нержавеющей стали толщиной более 16 мм возможна только в расплавном режиме, и зона резки будет шершавой и с трудноудаляемыми излишками материала.
• Латунь. Для лазерной резки этого металла подойдут листы толщиной не более 12 мм, поскольку сопротивление материала довольно велико. Накопления облоя не избежать, однако он ликвидируется легко.
• Сплав алюминия. Можно резать лист металла толщиной не более 10 мм. Также образуется облой в зоне резки.

лазерная резка алюминия

Каждому типу металла соответствует своя разновидность лазера.

Внимание! Принцип лазерной резки неприменим для следующих металлов: вольфрам, титан, латунь, молибден, оксидированный алюминий. Все они обладают высокой прочностью, которая приводит к выходу лазерного оборудования из строя.

Принцип работы оборудования лазерной резки металла

Конструкция аппаратов намного проще и компактнее, но обладают они большей мощностью, чем другое оборудование для обработки металла механическим способом.

Главным элементом аппарата является стержень, который является сердцем излучателя. Благодаря чему непрерывному световому потоку стержень возбуждается и накачивается.

Специальная система задает лучу фокус, а резонаторы придают ему необходимую для плавления силу.

Все узлы аппарата управляются программно с помощью автоматизации и заложенного в память станка ПО.

Самым используемым и продуктивным газом в аппаратах является кислород, так как при его использовании возможно достичь наибольшей температуры в сравнении с использованием других газов. Это происходит за счет реакции, которая получается при соприкосновении кислорода с раскаленной поверхностью металла. От чистоты кислорода зависит скорость обработки.

Производственное использование лазера

Лазер называют самым красочным и одним из важнейших изобретений XX века. Многие годы никто не понимал его практического применения, прибор называли устройством, которое само ищет задачи для решения. Теперь лазерные аппараты лечат людей, исследуют звезды и применятся для развлекательных мероприятий.

Машиностроительные производства давно начали использовать резку металла лазером. Пионерами выступили судостроительные верфи, авиационные заводы и автомобильные гиганты, искавшие передовые методы работы для увеличения производительности труда. Возрастающая конкуренция стимулировала появление инновационных обрабатывающих центров с принципиально новыми системами влияния на рабочий процесс.

К настоящему времени на промышленных предприятиях лазерная резка металла представлена следующими видами установок:

• твердотельные — основанные на кристаллических драгоценных камнях или соединениях редкоземельных элементов, для накачки фотонов используется импульсные лампы или лазерные диоды;
• газовые — в качестве активаторов применяются смеси инертных газов с источником возбуждения в виде электрических разрядов или направленной химической реакции;
• волоконные — активная среда и резонатор сделаны целиком из оптического волокна или скомбинированы с другими конструктивными элементами.

Следующее видео представляет волоконный лазерный станок.

Для работы с цветными металлами и антикоррозионными сталями, имеющими высокую отражающую способность, прикладными исследовательскими институтами разработаны специальные модели традиционных лазеров с резонатором из оптико-волоконной трубки. Световой луч в таких установках более сфокусированный и концентрированный и не рассеивается о зеркальную поверхность алюминиевых, титановых или нержавеющих заготовок.

Широко распространенные газовые СО₂-лазеры работают на рабочей смеси углекислого газа, азота и гелия, зеркала резонатора покрыты серебряным или золотым напылением для увеличения отражающей способности.

Технология лазерной резки металлов постоянно совершенствуется: пробуются новые типы установок, усложняются системы управления процессом, применяются компьютерные комплексы для контроля режимов обработки. Основной упор делается на увеличение точности, чистоты реза и производительности.

Физические основы

Характер физических явлений на передней поверхности реза определяется плотностью мощности светового потока. С повышением плотности мощности растет температура передней поверхности реза и средняя скорость ее перемещения. По сравнению с традиционными источниками тепла, которые используются в процессах кислородной, плазменной и электронно-лучевой обработки, сфокусированный лазерный луч обеспечивает на один — полтора порядка более высокую плотность энергии, передаваемой аномально малой площади воздействия (рис. 28.2). Такой световой поток за доли секунды не только расплавляет, но и частично испаряет поверхность любого, даже самого тугоплавкого, материала. В процессе резки падающий на материал световой поток частично поглощается поверхностью материала, расплавленной пленкой и боковыми поверхностями реза, частично отражается. При большой плотности энергии часть излучения поглощается образующимися продуктами разрушения материала, вследствие чего снижается эффективность резки. Поглощательная способность конкретного металла зависит от длины волны, поляризации и угла падения излучения на поверхность. Она увеличивается при расплавлении и окислении металла, при увеличении толщины металла и может достигать ≥80%. В литературе отсутствуют конкретные коэффициенты поглощения применительно к многообразным условиям резки.

Характер физических явлений в разрезе зависит от относительного энерговклада лазерного и химического тепловых источников. При высокой плотности мощности излучения резка идет с заметным испарением (сублимацией) материала, газ выполняет в основном функцию удаления из разреза продуктов разрушения. В этом случае скорость и качество резки определяются параметрами излучения. Если энерговклад химического источника сопоставим с лазерным или превышает его, то процесс резки идет в режиме плавления с экзотермическим окислением расплавленного металла на передней поверхности реза. В этом случае скорость и качество ниже и определяются параметрами химического источника тепла и процесс мало чем отличается от процесса кислородной резки стали.

При резке металлов механизм разрушения может быть стационарным, когда по всей длине канала реза существует ванна расплава, и нестационарным (неустановившимся), характеризующимся периодическим выносом расплавленного металла из полости реза. На практике имеет место нестационарный механизм.

Использование вспомогательного газа позволяет заметно снизить удельные затраты энергии излучения благодаря более интенсивному удалению из полости реза продуктов разрушения. При резке металлов применяют в основном кислород. На лобовой поверхности реза выделяется дополнительная теплота в результате окисления металла. Образуется оксидная пленка, которая значительно повышает коэффициент поглощения излучения. Применение импульсно-периодического излучения позволяет снизить удельные затраты энергии излучения, а также существенно повысить качество резки. Назначая определенные параметры излучения (пиковую мощность, форму, длительность и частоту следования импульсов) можно активно влиять на скорость резки, глубину зоны термического воздействия, толщину разрезаемого материала, количество грата на кромках. В литературе недостаточно внимания уделено теоретическим и экспериментальным исследованиям процесса резки с использованием импульсно-периодического излучения.

Сферы применения лазерной резки металла.

Использование технологий такой обработки элементов из различных сплавов и массовое производство деталей уместно и выгодно для таких сфер:

• производство автомобилей, технических транспортных средств и разнообразных машин;
• детали и оборудование для обслуживания и создания торговых павильонов – стеллажей, подставок, поддонов и других подобных деталей;
• компоненты для производства корпусной мебели;
• создание трафаретов, вывесок и надписей из металла;
• комплектация и украшение кованых деталей;
• производство элементов декора для помещений, фасадов домов, парковых зон, загородных домов и дач.

Использовать продукцию, изготовленную на станках лазерной резки, можно и в других сферах.

Преимущества и недостатки лазерной резки

Лазерная резка металлических изделий имеет целый ряд весомых преимуществ по сравнению с другими способами резки. Из многочисленных достоинств данной технологии стоит обязательно отметить следующие.

• Диапазон толщины изделий, которые можно успешно подвергать резке, достаточно широк: сталь – от 0,2 до 20 мм, медь и латунь – от 0,2 до 15 мм, сплавы на основе алюминия – от 0,2 до 20 мм, нержавеющая сталь – до 50 мм.
• При использовании лазерных аппаратов исключается необходимость механического контакта с обрабатываемой деталью. Это позволяет обрабатывать таким методом резки легко деформирующиеся и хрупкие детали, не переживая за то, что они будут повреждены.
• Получить при помощи лазерной резки изделие требуемой конфигурации просто, для этого достаточно загрузить в блок управления лазерного аппарата чертеж, выполненный в специальной программе. Все остальное с минимальной степенью погрешности (точность до 0,1 мм) выполнит оборудование, оснащенное компьютерной системой управления.
• Аппараты для выполнения лазерной резки способны с большой скоростью обрабатывать тонкие листы из стали, а также изделия из твердых сплавов.
• Лазерная резка металла способна полностью заменить дорогостоящие технологические операции литья и штамповки, что целесообразно в тех случаях, когда необходимо изготовить небольшие партии продукции.
• Можно значительно снизить себестоимость продукции, что обеспечивается за счет более высокой скорости и производительности процесса резки, снижения объема отходов, отсутствия необходимости в дальнейшей механической обработке.

Резка фанеры лазером

Наряду с высокой мощностью устройства для лазерной резки обладают исключительной универсальностью, что дает возможность решать с их помощью задачи любой степени сложности. В то же время для лазерной резки металла характерны и некоторые недостатки.

• Из-за высокой мощности и значительного энергопотребления оборудования для лазерной резки себестоимость изделий, изготовленных с его применением, выше, чем при их производстве методом штамповки. Однако это можно отнести лишь к тем ситуациям, когда в себестоимость штампованной детали не включена стоимость изготовления технологической оснастки.
• Существуют определенные ограничения по толщине детали, подвергаемой резке.

Оборудование

Установки лазерной резки (см. фото) с твердотельным элементом состоят из лампы накачки и рабочего тела. Первая необходима для того, чтобы аккумулировать световой поток и передать на искусственный рубин излучение требуемых параметров.

Газовые установки – это более сложная конструкция, в которой газы проходят через электрическое поле. Здесь они заражаются и начинают излучать свет монохроматического типа (постоянная длина и частота световой волны). Прокачка газов может производиться в установках продольно или поперечно. Большое распространение сегодня получили щелевидные модели, которые обладают большой мощностью. При этом они очень компактны и просты в эксплуатации.

Газодинамические установки – самые дорогие. В них и процесс образования лазера сложен. Сначала газы нагреваются до температуры 2000-3000С. После чего их прогоняют с огромной скоростью через сопло, где газовый поток сужается и уплотняется. Далее, его остужают. Такой лазер обладает большой мощностью.

Если посмотреть видео, как работает каждая из вышеописанных установок, то сказать, к какому виду она относится, практически невозможно. Необходимо знать чисто конструктивные особенности аппаратов. Но все виды лазерного оборудования обязательно в своем составе имеют одинаковые элементы. А именно:

• Система, с помощью которой получается лазерное излучение. В него входят зеркала, оптические элементы, сопло для сужения потока газов, механизм, подающий газы в установку.
• Излучатель, резонатор.
• Система контроля над процессом образования лазера и настройки параметров.
• Блок перемещения режущего инструмента и заготовки.

Как уже было сказано выше, оптимальные условия использования лазерного оборудование – это производство металлических изделий небольшими партиями. При этом специалисты говорят о том, что резать лазером лучше заготовки толщиною не больше 6 мм. Потому что срез получается высокого качества при большой скорости процесса. На кромках не образуется окалины, что позволяет передавать изделия на следующий этап изготовления без предварительной обработки.

Область реза (кромки) у заготовок толщиною до 4 мм получается ровной, прямолинейной и гладкой. У более толстых заготовок кромки могут иметь погрешность в размере. Необходимо отметить, что, делая отверстие в металлической детали, нужно понимать, что внешний диаметр будет немного меньше внутреннего.

Обязательно ознакомьтесь с видео, размещенном на этой странице сайта, где показан процесс лазерной резки.