Лазер для резки металла: важные параметры и особенности материалов

Как известно, лазер для резки металла применяется так же часто, как и механические методы, но при этом он обеспечивает лучшее качество и точность реза, что и определяет популярность этого способа раскроя. Часто можно услышать, что данная технология уже вытеснила остальные и не имеет недостатков, но это не так.

Использование лазера хоть и востребовано, но имеет определенные ограничения. В нашей статье мы расскажем, какой используется лазер для раскроя металла, разберемся в плюсах и минусах данного метода и приведем требования к нему.

Суть лазерной резки металла

В процессе лазерной резки используется луч, генерируемый специальной установкой. Он характеризуется особыми свойствами, а именно: способностью фокусироваться на малой площади и обеспечивать энергию высокой плотности. Благодаря этому лазер вызывает активное разрушение любого материала плавлением, горением или испарением.

Если говорить точнее, то лазер для резки металла способен концентрировать на заготовке энергию плотностью в 108 Ватт на 1 см2. Подобный эффект обеспечивают следующие свойства луча:

• Монохроматичность, то есть постоянная длина и частота волны, что несвойственно, например, световым волнам. Поэтому лазерным лучом без труда можно управлять обычными оптическими линзами.
• Высокая направленность и малый угол расходимости, что требуется для высокой фокусировки.
• Когерентность, то есть полная согласованность большого количества волновых процессов, протекающих в луче. Кроме того, они вступают в резонанс между собой, из-за чего достигается многократное повышение общей мощности излучения.

Под действием луча лазера для резки обрабатываемая область металла быстро нагревается и плавится. Зона плавления быстро распространяется вглубь материала, что объясняется сразу рядом факторов, например, теплопроводностью металла. Далее материал в месте контакта нагревается до температуры кипения, начинается его испарение.

Виды лазера для резки металла

Станок для резки металла лазером включает в себя такие основные части:

• рабочую среду, которая обеспечивает необходимое излучение;
• источник энергии или систему накачки, создающую условия для появления электромагнитного излучения;
• оптический резонатор, то есть систему зеркал, призванных усилить излучение.

С точки зрения рабочей среды выделяют:

Твердотельные лазеры

Главным узлом устройства является осветительная камера, в которой расположен источник энергии и твердое рабочее тело. В роли первого выступает мощная газоразрядная лампа-вспышка, а рабочее тело представляет собой стержень из неодимового стекла. Или в качестве материала стержня может применяться рубин, алюмо-иттриевый гранат, который был предварительно легирован неодимом, иттербием.

С торцов стержня находится пара зеркал, одно из которых является отражающим, а второе – полупрозрачным. Рабочее тело испускает луч, он многократно отражается внутри него, усиливаясь, и выходит сквозь полупрозрачное зеркало.

Также к твердотельным относятся волоконные лазеры для резки металла и прочих материалов. Их отличие от первого типа состоит в том, что они усиливают излучение при помощи стекловолокна, а за поступление энергии отвечает полупроводниковый лазер.

Они возбуждаются, то есть получают избыточную энергию, но потом приходят в исходное состояние, отдавая энергию как фотон или электромагнитное излучение, свет. Фотон оказывает влияние на другие возбужденные ионы, заставляя их также вернуться в первичное состояние, а реакция постепенно усиливается.

Под действием зеркал луч движется в определенном направлении. Фотоны вынуждены постоянно возвращаться в рабочее тело, что вызывает появление новых фотонов и увеличение излучения. В итоге достигается малая расходимость луча в сочетании с высокой концентрацией энергии.

Газовые лазеры

Здесь в качестве рабочего тела выступает углекислый газ в чистом виде либо в сочетании с азотом и гелием. Насос прокачивает газ через газоразрядную трубку, где тот возбуждается электрическими разрядами. Усилить излучение позволяют отражающее и полупрозрачное зеркала.

Есть разные конструкции газовых лазеров для резки металла: с продольной и поперечной прокачкой и щелевые.

Газодинамические лазеры

Устройства этого типа имеют наибольшую мощность. Здесь функцию рабочего тела выполняет углекислый газ температурой 1 000–3 000 °K, что составляет +726…+2726 °С. Для его перевода в возбужденное состояние необходим вспомогательный лазер, имеющий небольшую мощность.

Газ со скоростью, превосходящей звуковую, проходит по суженному посередине каналу – его принято называть соплом Лаваля. Так газ резко расширяется и охлаждается, а его атомы приходят в обычное состояние, что сопровождается появлением излучения.

Преимущества и недостатки лазерной резки металла

Резка листового металла и иных материалов лазером позволяет:

• Раскраивать металлы различной толщины. Для меди этот показатель составляет 0,2–15 мм, для алюминия – 0,2–20 мм, для сталей – 0,2–20 мм, а для нержавеющей стали находится в пределах 50 мм.
• Обрабатывать хрупкие и легко поддающиеся деформации детали, что объясняется отсутствием контакта между инструментом и заготовкой.
• Производить изделия любой конфигурации, особенно с использованием ЧПУ для резки металла лазером. В этом случае мастеру нужно только загрузить в программу чертеж, после чего оборудование выполнит работу достаточно точно и без посторонней помощи.
• Проводить раскрой с высокой скоростью – если нужно изготовить небольшую партию, данный подход дает возможность отказаться от штамповки, литья.
• Снизить себестоимость готовых деталей, что позитивно отражается на конечной цене изделий. Эта особенность связана с минимальным количеством отходов и возможностью отказаться от дополнительной обработки кромок за счет получение аккуратного реза.
• Справляться со сложными задачами, так как резка лазером считается практически универсальной операцией.

Тем не менее, сопоставление лазерной резки и штамповки показывает, что первый подход является более экономичным, так как для второго нужно дополнительно изготовить оснастку.

Еще один недостаток использования лазера для резки металла кроется в небольшой толщине заготовок, которые могут обрабатываться этим методом – предельный показатель составляет 20 мм.

Нюансы резки лазером различных металлов

Как уже говорилось выше, лазерная резка имеет ограничения по толщине реза. И чем больше толщина листа, тем большие временные затраты требуются на его обработку. При этом ухудшается качество, ровность раскроя.

Применение лазера для резки предполагает такие особенности для разных металлов:

• Сталь 3 не деформируется, даже когда речь идет о тонких листах, ведь в процессе обработки отсутствует контакт с режущим инструментом, используется сфокусированный луч.
  
• Нержавеющая сталь является очень твердым металлом, поэтому посредством лазера удается значительно сократить временные затраты на раскрой в сравнении с механическим способом.
  
• Алюминий относится к достаточно мягким металлам, однако при его механической обработке невозможно обеспечить острую кромку – проблема решается при помощи лазерного метода.
  
• Медь входит в число дорогих материалов, поэтому основным преимуществом использования лазера является возможность сократить ее расход. Данный металл имеет сильные светоотражающие свойства, из-за чего приходится ограничивать толщину листа. В противном случае может быть испорчена режущая головка и есть риск проявления конусности. Специалисты рекомендуют раскраивать медные листы толщиной от 3 мм при помощи плазменной резки, ведь так обеспечивается оптимальная эффективность и качество.
  

• Латунь имеет свойства, практически полностью совпадающие с характеристиками меди, поэтому может обрабатываться лазером для резки металла при толщине листа до 3 мм. Луч быстро и без искажений раскраивает тонкие листы латуни, заготовки не деформируются, рез не имеет конусности, окалин.
• Черная/оцинкованная сталь разрезается лазером, если имеет толщину в пределах 20 мм. При превышении данного показателя значительно снижается энергоэффективность и качество работы.
• Нержавейка достаточно твердая, поэтому лазер выбирают для раскроя листов толщиной до 10 мм. Большая толщина негативно отражается на качестве края деталей.
• Алюминий режут лазером при толщине до 8 мм. Здесь также происходит снижение энергоэффективности при превышении указанной цифры, поскольку речь идет о тугоплавком металле.
• Медь и латунь обрабатывают этим методом, если толщина листа составляет до 3 мм. На скорости и качестве обработки отрицательно сказываются высокие светоотражающие свойства данных материалов.

Обычно лазер используют для резки листов металла небольшой толщины, а также в случаях, когда необходимо сформировать геометрически правильные отверстия для точных соединений.

С обработкой листов толщиной свыше 3 мм отлично справляется плазменный станок, не теряя при этом скорости работы. По качеству реза он лишь немного уступает лазеру, но заготовки требуют дополнительной обработки. Под последней понимают, например, удаление окалины с кромки.

Современные станки для лазерной резки

Сегодня на рынке представлен большой выбор техники, осуществляющей раскрой лазером. Многокоординатное оборудование вытесняет шумные механические резаки с низким уровнем производительности.

Мощность конкретного лазера для резки металлов подбирается в соответствии с особенностями производства и экономическими требованиями.

Современные прецизионные станки с ЧПУ обладают точностью раскроя различных материалов до 0,005 мм и могут обрабатывать площадь до нескольких квадратных метров. Также подобное оборудование предполагает высокую автоматизацию производства, а значит, минимальное участие человека во всех процессах.

Для этого в программе задают необходимую геометрию детали. Далее системы настройки фокуса сами устанавливают расстояние, способное обеспечить самый эффективный раскрой.

Теплообменники отвечают за регулировку температуры лазерной установки, а оператор получает только контрольные данные по актуальному состоянию всего устройства.

Лазерный станок имеет клапаны, при помощи которых подсоединяется газобаллонное оборудование для подачи вспомогательных газов к месту раскроя. Предусмотренная система дымоулавливания включает вытяжную вентиляцию лишь на время резки, сокращая таким образом затраты на работу этого компонента системы.

Зона раскроя защищена кожухом, что обеспечивает необходимый уровень безопасности персонала.

Методика лазерной резки металлов может применяться на полностью роботизированных производствах, где персоналу не требуется заниматься тяжелым трудом.

Сегодня существуют как универсальные, так и специализированные лазерные станки. Первые имеют значительно более высокую цену, зато с их помощью удается проводить целый ряд операций, создавать детали сложной формы. Потребитель сам может выбирать модель, исходя из своих потребностей, ведь на рынке представлен богатый выбор предложений.

Подготовка макета для лазерной резки

Производство деталей с помощью лазера для резки металла предполагает выполнение таких этапов:

1. Оформление идеи.
2. Подготовка художественного эскиза.
3. Формирование технического макета модели.
4. Изготовление тестовой детали.
5. Проверка параметров, доработка, если она требуется.
6. Запуск производства.

Создание технического макета требует особого внимания, поскольку точность выполнения работы на данном этапе определяет качество итогового изделия. Любые чертежи для дальнейших операций с применением лазера выполняются в «AutoCAD» или «CorelDraw», поскольку станки работают с форматами именно этих программ.

К макетам предъявляются такие требования:

• масштаб чертежа 1:1;
• замкнутые контуры, будь то внешние или внутренние;
• CIRCLE, LINE, ARC используются в качестве команд для создания контуров;
• команды ELLIPSE, SPLINE не учитываются;
• наложение линий приводит к тому, что луч повторно проходит по одной траектории;
• в чертеже обязательно фиксируется число деталей и используемый материал;
• вся информация о чертеже содержится в одном файле.

Лазерная резка стали и цветных металлов сегодня очень популярна. Заказчики небольших партий изделий обращаются в профильные предприятия, ценя их способность быстро выдавать чистовые детали нестандартной формы.

Лазерные технологии нашли применение в декоративном творчестве, применяются для создания дизайнерских украшений, сувениров.

При выборе лазера в качестве инструмента для резки металла важно учитывать окупаемость оборудования, затраты на эксплуатацию. На данный момент подобные системы доступны преимущественно крупным предприятиям, имеющим большой производственный цикл.

Однако развитие технологий неизбежно приведет к снижению цены на станки и сокращению расхода электроэнергии. А значит, в будущем лазеры займут место прочих инструментов для раскроя разнообразных материалов.