Из этого материала вы узнаете:
- Каковы плюсы и минусы лазерной резки
- Какие бывают типы лазерной резки
- В каких режимах осуществляется лазерная резка
- На каком оборудовании производят лазерную резку
Впервые лазер, работающий в инфракрасном диапазоне за счет рубинового стержня, был создан в 1960 году. Прикладная квантовая физическая наука развивалась, изначальные системы накачки усиливались, установки и оптические резонаторы совершенствовались, лазерные лучи становились все более мощными и управляемыми. В этой статье поговорим о том, какие типы лазерной резки существуют на сегодняшний день и какое оборудование используется в процессе обработки металлов.
Плюсы и минусы лазерной резки
По сравнению с прочими технологиями обработки металлов резка лазером обладает рядом неоспоримых преимуществ:
- При помощи лазерной резки можно обрабатывать металлы различной толщины – медные – от 0,2 до 15 мм, алюминиевые – от 0,2 до 20 мм, стальные – от 0,2 до 20 мм, толщина изделий из нержавеющей стали может достигать 50 мм.
- Поскольку режущий инструмент не оказывает механического воздействия на разрезаемый металл, лазерная резка подходит для обработки хрупких и легко деформирующихся заготовок.
- Разные типы обработки лазером подходят для работы с заготовками различной конфигурации, особенно при использовании установок с компьютерным обеспечением. В программу загружается чертеж будущей детали, дальнейшая работа выполняется станком самостоятельно. При этом точность обработки будет очень высокой.
- Выполнение обработки металлов с высокой скоростью.
- При необходимости изготовления небольшой партии деталей можно воспользоваться лазерной резкой, не прибегая к литью и штамповке.
- Благодаря минимальному количеству отходов и чистоте среза, снижается себестоимость деталей, что отражается на их конечной цене
- Лазерная резка является наиболее универсальной технологией обработки, позволяющей справляться со множеством задач.
Конечно, у лазерной резки есть и определенные недостатки. В первую очередь, речь идет о большом потреблении энергии, которое делает эту технологию наиболее дорогостоящей. Впрочем, штамповка, в процессе которой также образуется минимум отходов, а результат отличается высокой точностью и качеством готовых изделий, требует изготовления оснастки, значит, лазерная обработка в итоге является более дешевым способом. Вторым недостатком является толщина обрабатываемых заготовок (максимум – 20 мм).
Читайте также: Сварка тонкой нержавейки: как не испортить материал
Типы лазерной резки металла
Независимо от типа лазерной резки, установка включает в себя:
- Источник энергии (систему накачки).
- Рабочее тело, которое создает излучение.
- Оптический резонатор (набор специальных зеркал).
Типы лазерной резки различаются в зависимости от вида и мощности применяемого лазера. Лазерные установки могут быть:
- Твердотельными (мощностью не свыше 6 кВт).
- Газовыми (мощность которых не превышает 20 кВт).
- Газодинамическими (их мощность составляет более 100 кВт).
На производстве чаще всего используют твердотельные лазерные установки с импульсным либо непрерывным излучением. Рабочим телом выступает рубин, стекло с добавлением неодима или CaF2 (флюорита кальция). Основное преимущество таких установок заключается в создании мощного импульса за доли секунды.
Технические и научные цели требуют применения газовых лазеров, в качестве рабочего тела в которых выступает газ – азот, углекислый газ, кислород, гелий. Под воздействием электрического разряда атомы газов возбуждаются, создавая монохроматичный и направленный лазерный луч.
Наиболее мощными являются газодинамические лазеры, в качестве рабочего тела в которых выступает углекислый газ. Максимально нагретый, он проходит через трубку, сильно зауженную посередине. Выходя из трубки СО2 расширяется и охлаждается, создавая энергию, необходимую для резки металла.
Рекомендуем статьи по металлообработке
При помощи газодинамических лазеров можно обрабатывать любые металлические поверхности. Поскольку расход энергии при этом не слишком велик, возможно размещение заготовок на некотором расстоянии от луча, что никак не сказывается на качестве получаемых деталей.
Типы лазерной резки могут быть:
- лазерно-кислородными;
- кислородными с поддержкой лазерным лучом (LASOX).
- с использованием инертного газа;
- лазерной испарительной (сублимационной).
Расскажем подробнее о каждом типе лазерной резки.
1. Лазерно-кислородная обработка.
Этот тип лазерной резки предполагает использование в качестве рабочей среды кислорода. Взаимодействие О2 и раскаленного металла приводит к экзотермической реакции окисления. В результате образуются окислы, выдуваемые из зоны обработки кислородной струей.
К особенностям этого типа лазерной резки относится следующее:
- сфокусированный луч лазера имеет меньший диаметр по сравнению с кислородной струей (диаметр последней около 1-2 мм);
- на ширину реза, которая может составлять меньше 100 мкм, влияет диаметр луча, толщина заготовки и скорость обработки (чем тоньше лист и выше скорость, тем более узкой получается линия реза);
- толщина металла влияет на давление в струе (чем она больше, тем меньше будет давление);
- поскольку луч при лазерно-кислородной резке расширяется, он фокусируется выше, чем обрабатываемая поверхность;
- толщина заготовки влияет на скорость обработки лазером – чем толще заготовка, тем медленнее она будет разрезаться; резать лазером можно стальные листы толщиной не более 30 мм при минимальной скорости в 0,5-0,6 м/мин.;
- меньшая скорость реза отрицательно сказывается на качестве готовых деталей (снижение качества выражается в появлении визуальных дефектов, большей ширине разреза);
- тонколистовые металлы располагают на расстоянии около 0,5 мм от сопла, формирующего луч, и около 3 мм от заготовок, толщина которых достигает 30 мм.
2. Кислородная резка с поддержкой лазерным лучом (LASOX).
Этот тип лазерной резки подходит для заготовок, выполненных из толстолистовой стали. Суть технологии заключается в предварительном нагревании поверхности металла до +1000 °С с последующим направлением на нее сверхзвуковой кислородной струи. Для этого типа обработки характерны ровные и гладкие края заготовок. Глубина реза при этом получается большей, чем при использовании традиционного кислорода.
Для этого типа обработки характерны следующие особенности:
- сверхзвуковая струя формируется под высоким давлением, достигающим 6–10 атм;
- луч имеет меньший диаметр по сравнению с пятном на обрабатываемой поверхности;
- ширина реза совпадает с диаметром луча и чаще всего превышает 3 мм;
- металл располагается на расстоянии 6–8 мм от сопла установки;
- этот тип лазерной резки выполняется с меньшей скоростью, обычно составляющей порядка 0,2 м/мин.;
- использование лазерного оборудования мощностью 6 кВт позволяет разрезать металлы толщиной до 100 мм.
3. Лазерная резка в инертном газе.
Этим типом лазерной резки пользуются при необходимости избежать окисления обработанных металлических кромок. Таким образом режут нержавеющую сталь, алюминий или титан. Поскольку металлические поверхности дополнительно не нагреваются, этот тип обработки менее эффективен, чем названные ранее.
Лазерная резка в инертном газе обладает следующими особенностями:
- чаще всего рабочей средой является инертный газ азот, для резки титана используют аргон;
- из-за высокого давления режущего газа (свыше 10 атм) при обработке используются более толстые фокусирующие линзы;
- капли расплавленного металла из зоны обработки выдуваются сверхзвуковой кислородной струей;
- фокусировка луча происходит исключительно на нижней поверхности листа;
- заготовка располагается на расстоянии 0,5–1 мм от сопла установки;
- этот тип лазерной резки предполагает использование сопла с диаметром до 3 мм;
- сама обработка выполняется с достаточно низкой скоростью.
4. Лазерная испарительная (сублимационная) резка.
Высокоинтенсивное короткоимпульсное (нано- или пикосекундное) излучение возможно в случае применения этого типа обработки лазером.
Она обладает следующими особенностями:
- основная сфера применения – микротехнологии (при необходимости оказания минимального термического воздействия на поверхность материала);
- этот тип лазерной резки обладает очень низким КПД;
- короткой волной, длина которой не достигает даже 1 мкм (это относится к твердотельным и эксимерным лазерам, а также установкам, работающим на парах металлов).
Читайте также: Как работает лазерная резка: разбираемся в технологии
Режимы лазерной резки
Эффективность различных типов лазерной резки зависит от множества факторов, включающих скорость обработки, мощность и плотность лазера, фокусное расстояние для объекта обработки, диаметр лазерного луча. Необходимо также учитывать состав излучения, марку и вид материала заготовки. Например, резка низкоуглеродистых сталей выполняется на 30 % быстрее по сравнению с обработкой заготовок из нержавеющей стали.
Использование обычного воздуха практически в два раза снижает скорость резки в сравнении с установками, использующими кислород. Лазерное оборудование, имеющее мощность 1 кВт, способно разрезать алюминий со скоростью около 12 м/с, титан – 9 м/с (актуально для использования кислорода в качестве рабочего газа).
Выбранный режим резки влияет на качество итогового реза – его точность, ширину разреза, ровность и шероховатость образовавшихся кромок, присутствие на них оплавленного металла (грата), глубину разреза. Однако основное значение имеют такие параметры, как скорость обработки и толщина обрабатываемого металла.
Рассмотрим показатели лазерной резки металлов различной толщины, выполненной на установке, использующей кислород, который поступает в зону резки под давлением 0,5 МПа. Мощность оборудования составляет 1 кВт, диаметр луча 0,2 мм.
Независимо от типа лазерной резки, конечный результат отличается высокой точностью, определяемой в процентном отношении. На точность влияет такой параметр, как толщина заготовки, кроме того, имеет значение цель дальнейшего использования конечных деталей. При работе с металлическим профилем, толщина которого достигает 10 мм, погрешность варьируется от 0,1 до 0,5 мм.
Читайте также: Преимущества алюминиевых изделий
Типы оборудования для лазерной резки
Современные производители выпускают широкую линейку оборудования, предназначенного для различных типов лазерной резки. Современные многокоординатные аппараты приходят на смену шумным и не слишком производительным механическим станкам. На мощность лазерных установок влияют специфика производства и экономическое обоснование конкретных аппаратов. При помощи новейшего лазерного оборудования с ЧПУ можно выполнять резку различных типов металлов с погрешностью, не превышающей 0,005 мм.
Ряд моделей позволяет выполнять резку заготовок площадью до нескольких квадратных метров. При этом персонал принимает минимальное участие в максимально автоматизированном процессе обработки. Чертежи будущих деталей загружаются в ПО установок, программа управляет и лазерным лучом, и рабочим столом, на котором размещаются будущие детали.
Благодаря системам настройки автофокуса аппаратура выбирает наилучшее расстояние, необходимое для достижения эффективной обработки. Температура оборудования регулируется за счет специальных теплообменников, оператор станка получает контрольные данные, относящиеся к текущему состоянию инструмента. Установки имеют клапанные механизмы, позволяющие подключать газобаллонное оборудование, благодаря которому в рабочую зону подаются вспомогательные газы.
Для оптимизации расходов на вытяжную вентиляцию используется система дымоулавливания, включаемая при обработке. Чтобы обеспечить безопасность персонала, зону реза закрывают специальным защитным кожухом. Современное оборудование позволяет облегчить процесс независимо от типа лазерной резки листовых материалов – достаточно задать установке числовые параметры, чтобы получить на выходе готовые детали.
На производительность установок для различных типов лазерной резки влияют параметры станочного комплекса и квалификация специалиста, который создает программный код. Благодаря использованию современных технологий этот тип обработки позволяет максимально роботизировать производство, освобождая человека от выполнения тяжелой работы.
