Лазерная обработка листового металла

Обновлено: 04.10.2024

В промышленном производстве в последнее время все чаще стали использовать лазер. С помощью лазерных установок выполняют такие операции, как формовка, резка, стыковка и т. п., причем работать можно с самыми разнообразными материалами – деревом, пластмассой, бумагой и пр. В этой статье мы поговорим о том, что собой представляет лазерная металлообработка, которую относят к одной из передовых техник работы с металлом.

Благодаря современному оборудованию, позволяющему выполнять необходимые настройки мощности лазера и выбирать глубину проникновения луча, можно резать и выполнять гравировку в соответствии с любыми потребностями клиента. Какие типы лазерной металлообработки существуют и в чем ее основные преимущества, узнаете из нашей статьи.

Особенности лазерной металлообработки

Из названия сразу становится понятно, что лазерную металлообработку выполняют посредством лазерного луча, который подается из специальной установки. Благодаря своим свойствам луч на небольшой площади обрабатываемой поверхности фокусирует энергию высокой плотности. В результате обрабатываемый материал начинает активно разрушаться (плавиться, сгорать, испаряться и т. п.).

Оборудование для лазерной металлообработки способно сконцентрировать на обрабатываемой поверхности энергию плотностью 108 Ватт на квадратный сантиметр. Понять, каким образом получается подобный эффект, невозможно, не разобравшись предварительно со свойствами лазерного луча. Для него характерны:

Постоянство длины и частоты волн (монохроматичность). В этом состоит его основное отличие от световых волн. Благодаря такому свойству не составляет труда сфокусировать луч на любой поверхности, воспользовавшись обычными оптическими линзами.
Высокая направленность и небольшой угол наклона. Это дает возможность получить сфокусированный луч.
Когерентность, означающее согласованность и резонирование большого числа волновых процессов, происходящих в лазерном луче. Благодаря этому суммарная мощность излучения возрастает в разы.

В двух словах лазерную металлообработку можно описать следующим образом. Луч, воздействуя на обрабатываемую поверхность, быстро нагревает и расплавляет ее. А так как он продолжает действовать на подвергаемый обработке металл, то температура в месте контакта достигает точки кипения, заставляя материал испаряться.

Какие существуют типы лазеров

Есть несколько технологий лазерной резки металла, определяемых в зависимости от вида рабочего элемента – лазера, и его мощности. На сегодняшний день можно выделить три основных вида лазерных установок:

твердотельные с мощностью, не превышающей 6 кВт;
мощность газовых установок достигает 20 кВт;
самыми мощными являются газодинамические установки, минимальная мощность которых составляет 100 кВт.

VT-metall предлагает услуги:

Лазерная резка металла Гибка металла Порошковая покраска металла Сварочные работы

В промышленности в основном используются твердотельные установки, предназначенные для лазерной металлообработки.

Лазерное излучение в подобных установках, за счет которого и происходит резка металла, может быть как импульсным, так и непрерывным. Рабочие элементы (рабочее тело) в таких устройствах представлены рубином, стеклом с примесью неодима или флюорита кальция. Основным преимуществом этого типа оборудования является возможность создания мощнейшего лазерного импульса за доли секунды. Газовые лазерные установки больше соответствуют научным либо техническим целям, в промышленности они находят применение нечасто.

Рабочим телом в такого рода оборудовании является смесь газообразных веществ, которая применяется в процессе лазерной металлообработки. Установки работают за счет азота, углекислого газа и гелия. Электрический ток, воздействуя на атомы этих газов, возбуждает их, благодаря чему начинают проявляться такие свойства, как монохроматичность и направленность. Именно их и можно назвать основными достоинствами газовых лазерных установок.

Самыми мощными являются газодинамические лазеры, рабочим веществом которых является углекислый газ.

Процесс лазерной металлообработки выглядит следующим образом: нагретый до определенной температуры углекислый газ поступает в узкий канал, в котором происходит расширение его структуры, после чего газ охлаждается. В результате образуется необходимая энергия, за счет которой и выполняется лазерная резка металлов.

Что можно сделать с помощью лазерной металлообработки

Среди основных технологий лазерной металлообработки можно выделить прямое лазерное спекание, лазерную и лазерно-механическую гибку, лазерную сварку, лазерное сверление и лазерную резку. Остановимся на каждом из этих процессов немного подробнее.

1. Прямое лазерное спекание металлов.

Прямое лазерное спекание металлов – обладающий высоким потенциалом способ, позволяющий быстро изготавливать металлические прототипы. С его помощью производят металлические формообразующие вставки пресс-форм, которые в дальнейшем используются в процессе литья пластмасс под давлением, а также изготавливают образцы и прототипы разного рода деталей.

В процессе лазерного спекания металлический порошок при помощи лазерного луча постепенно наплавляют по контуру заготовки. Для этого при таком виде лазерной металлообработки используются 3D-данные. Для изготовленных посредством данной технологии деталей характерны высокая прочность, а также устойчивость к разного рода механическим воздействиям.

При помощи лазерного спекания обрабатывают следующие материалы:

высококачественную сталь;
инструментальную сталь;
титан;
алюминий.

Рекомендуем статьи по металлообработке

2. Лазерная и лазерно-механическая гибка металлов.

Этот вид лазерной металлообработки предполагает, что заготовки будут загибаться под воздействием лазерного луча. Узконаправленный нагрев металлической пластины приводит к тому, что она начинает расширяться в определенном месте, однако ее расширение невозможно из-за расположенных рядом холодных частей поверхности, не подвергавшихся воздействию лазера. Возникающее в процессе механическое напряжение приводит к сгибанию плоской пластины. Процесс сопровождается пластическими деформациями металла, за счет которых пластина не возвращается к прежней форме, а остается деформированной и после того, как остынет.

При выполнении лазерно-механической гибки металлов места сгиба нагревают лазерным лучом, а затем механически сгибают. Использование этой технологии позволяет снизить прилагаемые механические усилия для деформации заготовки, увеличив при этом относительное удлинение при разрыве металла. Таким образом, обеспечивается возможность придать заготовке больший угол, хотя радиус изгиба будет при этом меньшим.

3. Лазерное сверление металлов.

При подобном способе обработки металлов не образуется стружка. Лазерная установка направляет внутрь детали такое количество энергии, что она ионизирует и испаряет материал в месте воздействия.

Большая разница в давлении между всей деталью и местом сверления приводит к отбрасыванию ионизированного пара (точнее, плазмы) в сторону. При использовании этого способа металлообработки необходимо следить за тем, чтобы по краям просверленного отверстия не образовывалось наплавление металла.

4. Лазерная сварка металлов.

Технология лазерной сварки металлов предполагает соединение деталей конструкций за счет воздействия лазерного луча. Он выступает в роли источника сконцентрированной тепловой энергии. При лазерной сварке образуется тонкий сварочный шов, достигается большая глубина и высокая скорость работы. Технология находит применение в промышленном производстве крупных партий деталей, например, в автомобилестроении.

Лазерную сварку можно отнести к универсальным способам соединения деталей, она одинаково хороша для обработки углеродистой стали, высокопрочной низколегированной стали, а также для заготовок из нержавеющей стали, алюминия и титана. Этот вид лазерной металлообработки отличается высоким качеством, схожим с электронно-лучевым методом соединения металлов. На скорость работы влияет количество затраченной энергии, а также тип и толщина заготовок. Мощные газовые установки прекрасно справляются с производством крупных серий деталей.

5. Лазерная резка металлов.

К этой технологии обращаются при необходимости разрезания листового металла, а также для изготовления трехмерных заготовок, например, таких, как трубы или профили.

Лазерная резка металлов незаменима при работе с заготовками, имеющими сложную геометрическую форму (двух- или трехмерную). Без данной технологии не обойтись в случаях, когда обработка должна быть выполнена не только точно, но и быстро (в основном, со скоростью от 10 до 100 и более м/мин), при необходимости производства трехмерных вырезов (включая, работу с труднодоступными местами заготовки), а также при выполнении бесконтактной работы с деталями практически без приложения усилий.

Если сравнивать лазерную металлообработку с прочими видами обработки металлов (например, вырубкой в штампе), она будет экономически обоснованной, даже если речь идет об изготовлении деталей небольшими партиями.

В наши дни производятся комбинированные установки, сочетающие в себе, кроме преимуществ лазера, также и достоинства, которыми обладают вибрационная высечка и вырубка в штампе. С их помощью можно осуществлять не только лазерную резку контуров заготовок, но и работать с вырубной головкой. Подобные установки оснащаются фокусированными мощными лазерами. В основном пользуются углекислотными (газовыми) аппаратами, однако все чаще обращаются к твердотельному и волоконному лазеру. Последний обладает большей эффективностью и лучше поддается фокусировке.

Лазерная металлообработка, резка и гибка осуществляется путем:

плавления обрабатываемого материала;
испарения металла.

Второй вариант предполагает использование более мощного оборудования, что повышает расход электроэнергии и может быть необоснованным с экономической точки зрения. Кроме того, подвергать такой обработке можно только детали определенной толщины (тонкостенные).

Чаще всего прибегают к лазерной резке металлов путем плавления обрабатываемого материала. С недавних пор при ее выполнении используются газы (кислород, азот, воздух, инертные), направляемые в место реза за счет специальных установок.

Этот способ лазерной металлообработки снижает затраты электроэнергии, увеличивает скорость обработки, позволяет пользоваться установками невысокой мощности для обработки толстостенных металлов. Такую технологию нельзя назвать именно лазерной резкой, скорее, этому способу подойдет название газолазерного.

Преимущества лазерной резки металлов

Среди прочих видов лазерной металлообработки наибольшим спросом пользуется резка металлов, обладающая следующими достоинствами:

Универсальностью. При помощи лазера можно резать различные материалы – хрупкие и более прочные металлы, пластик или дерево. Использование лазера не предполагает механического контакта с заготовкой. При этом получаемые детали могут иметь совершенно любую форму.
Точностью. Лазерная металлообработка позволяет получить максимально точный разрез. К тому же деталь не будет деформирована или поцарапана, она выйдет совершенно ровной и гладкой.
Широким диапазоном толщины металла. При помощи лазера можно резать медь и латунь, толщина которых составляет от 0,2 до 14 мм, сталь и изделия из алюминиевых сплавов толщиной от 0,2 до 20 мм, нержавеющую сталь, толщина которой может достигать 50 мм.
Отсутствием необходимости в дальнейшей обработке. Детали, которые получают в результате лазерной резки, можно сразу же использовать по назначению.
Оперативностью. Лазурные установки позволяют в сжатые сроки работать как с тонкими стальными листами, так и с конструкциями, изготовленными из твердых сплавов.
Экономической выгодой. Благодаря лазерной резке можно отказаться от дорогостоящих работ по штамповке и литью. Это особенно актуально при необходимости работы с малыми партиями деталей. Так как заготовки не нуждаются в дальнейшей обработке, а производительность установок и скорость их работы высока, эти факторы снижают себестоимость готовых деталей.

Благодаря лазерной резке можно изготавливать детали, имеющие любую герметическую форму, в том числе сложную. При этом сама резка осуществляется очень быстро и предельно точно.

К недостаткам лазерной металлообработки можно отнести высокую цену, отсутствие постоянства в скорости производства, а также работу лишь с заготовками ограниченных размеров. Лазерной резке можно подвергать листы, величина которых не превышает 150 на 300 см. Технология также не подходит для работы с толстостенными металлами. Не стоит забывать и о том, что на эффективность обработки в большей части влияет тип используемого лазера.

Имейте в виду, что отличный результат может гарантировать только профессионал. Неправильная либо неумелая работа с лазерной установкой может повлечь за собой порчу материала.

Почему следует обращаться к нам

Мы с уважением относимся ко всем клиентам и одинаково скрупулезно выполняем задания любого объема.

Наши производственные мощности позволяют обрабатывать различные материалы:

цветные металлы;
чугун;
нержавеющую сталь.

При выполнении заказа наши специалисты применяют все известные способы механической обработки металла. Современное оборудование последнего поколения дает возможность добиваться максимального соответствия изначальным чертежам.

Для того чтобы приблизить заготовку к предъявленному заказчиком эскизу, наши специалисты используют универсальное оборудование, предназначенное для ювелирной заточки инструмента для особо сложных операций. В наших производственных цехах металл становится пластичным материалом, из которого можно выполнить любую заготовку.

Преимуществом обращения к нашим специалистам является соблюдение ГОСТа и всех технологических нормативов. На каждом этапе работы ведется жесткий контроль качества, поэтому мы гарантируем клиентам добросовестно выполненный продукт.

Благодаря опыту наших мастеров на выходе получается образцовое изделие, отвечающее самым взыскательным требованиям. При этом мы отталкиваемся от мощной материальной базы и ориентируемся на инновационные технологические наработки.

Мы работаем с заказчиками со всех регионов России. Если вы хотите сделать заказ на металлообработку, наши менеджеры готовы выслушать все условия. В случае необходимости клиенту предоставляется бесплатная профильная консультация.

Лазерная резка листового металла

В настоящее время лазерная резка является одной из самых современных технологий металлообработки. С помощью нее выполняется раскрой и разрезание листового материала. Мощный лазер продуцирует тончайший световой луч, который локально воздействует на объект. В результате можно добиться высочайшей точности при создании любой, самой необычной формы изделия. Лазерная резка листового металла обладает таким количеством преимуществ среди всех методов металлообработки, что ее популярность вполне обоснована.

Простой принцип лазерной резки металла

Станок для резки листового материала способен создавать концентрацию энергии на поверхности заготовки с плотностью в 108 Вт на 1 см 2 . Такой эффект достигается за счет уникальных свойств луча лазера, а именно:

Имеет постоянную длину и частоту волны, то есть монохроматичен, что выгодно отличает его от световых волн. Монохроматичность дает возможность фокусировать луч на любой поверхности через обычные оптические линзы.
Исключительно высокая направленность и малый угол расходимости. Эти свойства луча позволяют выполнять качественную фокусировку.
Когерентен, то есть большинство волновых процессов внутри луча согласованы между собой, а все вместе значительно повышают суммарную мощность излучения.

При лазерной резке материала зона плавления быстро распространяется вглубь изделия. Это обуславливается высокой теплопроводностью материала. Далее под воздействием лазера температура в зоне резки достигает точки кипения, и начинается испарение материала.

Резка металла лазером может выполняться следующими способами:

Лазерная резка листового металла при помощи испарения выполняется только на очень мощном оборудовании. Соответственно, энергии тратится достаточно много. Прежде чем пользоваться этим методом, необходимо рассчитать его экономическую целесообразность. Кроме того, данный прием не позволяет обрабатывать толстые листовые заготовки. Испарение обрабатываемого металла применяется только для обработки тонкостенных деталей.

Метод плавления металлической заготовки лазером получил более широкое распространение. Его популярность объясняется более высокой продуктивностью при низких энергозатратах. Этот способ позволяет обрабатывать более толстый листовой материал при помощи маломощного оборудования. Безусловно, данный прием нельзя назвать резкой лазером в чистом виде, скорее это газолазерная технология.

Оборудование для лазерной резки листового металла

Приведем основные разновидности оборудования для обработки листового материала лазером:

Твердотелое оборудование. Устройство этого типа работает при помощи кристалла рубина (алюмоиттриевого граната, неодимового стекла), на который подается поток света под определенным углом. Сфера применения твердотелого оборудования: резка цветных металлов, гравировка, небольшие слесарные работы. В основном такие станки можно встретить в небольших мастерских.
Газовая установка. Ее работа строится на том, что газ заряжается, проходя через электрическое поле. После этого он способен излучать монохроматический свет. Самыми распространенными моделями являются щелевидные, в которых используется углекислый газ. Это очень простые и мощные установки компактных размеров.
Газодинамическая установка. Представляет собой мощное и сложное устройство, в котором углекислый газ разогревается до высочайшей температуры (до +3000 °С). После этого он пропускается через узкое сопло и расширяется. Выделяемая энергия при последующем охлаждении помогает сформировать тонкий луч. Это процедура отличается высокой стоимостью в сочетании с отменным качеством полученного изделия.

Резка листового металла с помощью лазерных комплексов

Современные технологии развиваются быстрыми темпами, поэтому сейчас существует много разных видов станков для лазерной резки листового металла.

На смену простым механическим резакам, отличающимся низкой производительностью и чрезмерно шумной работой, пришли многокоординатные аппараты. В зависимости от направления производства и экономических расчетов можно подобрать оптимальный по мощности лазер. Прецизионные обрабатывающие станки с ЧПУ способны выдавать готовую продукцию с точностью до 0,005 мм. При этом зона обработки на некоторых станках может достигать нескольких квадратных метров.

Современное оборудование позволяет значительно снизить воздействие человеческого фактора на производственный процесс. Большинство операций лазерной резки выполняются в автоматическом режиме. Форма и размеры изделия задаются в программном блоке. Он координирует деятельность лазера и рабочего стола, где зафиксирована заготовка. Наилучшее расстояние для эффективного резания устанавливается автоматически, так как станки оснащены системой настройки фокуса.

Температура станка регулируется с помощью специальных теплообменников. Оператор в любой момент может проверить контрольные данные текущего состояния агрегата. Для подключения газобаллонного оборудования станок обеспечен системой клапанов. Через них в рабочую зону подается вспомогательный газ. Чтобы снизить нагрузку на вытяжную вентиляцию, современное оборудование имеет систему дымоулавливания. Безопасность обслуживающего персонала обеспечивает защитный кожух, которым закрыта область обработки.

Благодаря современному оборудованию точность лазерной резки листового металла повысилась, а сам процесс значительно упростился. Теперь достаточно правильно задать необходимые числовые параметры и на выходе получить готовую деталь. Отдельные параметры станка и квалификация оператора оказывают значительное влияние на производительность оборудования.

Современная концепция роботизированного производства направлена на освобождение человека от тяжелого труда. Новейшие технологии обработки листового металла при помощи лазера гармонично вписываются в данную идею.

Существует несколько типов лазерных станков. Универсальные стоят гораздо дороже, чем специализированные. На них можно выполнить сразу несколько операций и получить готовое изделие сложной формы. Специализированные станки имеют более узкую направленность. Широкий ассортимент станочного оборудования позволяет найти оптимальное решение для любого потребителя.

Плюсы и минусы лазерной резки листового металла

Обработка листового материала лазером имеет целый ряд преимуществ, выгодно отличающих этот способ от других методов обработки.

Перечислим основные достоинства метода:

позволяет обрабатывать заготовки разной толщины: лазерная резка алюминия – 0,2–2 см, нержавейки – толщиной до 1,2 см, углеродистой стали – 0,5–2 см, латуни и меди – 0,2–1,5 см;
ширина реза от 0,1 до 1 мм;
не возникает непосредственного контакта рабочего инструмента с поверхностью детали, поэтому можно обрабатывать хрупкие и ломкие материалы;
не требуется дополнительной финишной обработки;
высокая производительность (особенно при сопоставлении с резкой металла кислородом);
управлять оборудованием достаточно просто и легко (достаточно загрузить чертеж изделия в блок управления);
резка тонколистового проката выполняется с высокой скоростью;
возможна резка материала под углом и в различных направлениях;
резка в небольших количествах экономически более выгодна, чем использование операций штамповки и литья;
позволяет достичь точного реза с ровными краями, вследствие чего деталь можно сразу отправлять на другой участок обработки;
можно изготавливать изделия сложных форм;
компактное расположение деталей на листе раскроя позволяет значительно экономить материал.

Недостатками лазерной резки листового металла можно считать следующие факторы:

высокая стоимость;
резка бронзы, алюминия, легированной стали и латуни отличается низкой продуктивностью;
не позволяет обрабатывать заготовки любой толщины;
могут возникать сложности с последующей операцией – гибкой, если при резке возникало подкаливание материала.

Особенности лазерной резки определенных металлов и сплавов

Чистый титан прекрасно поддается резке лазером. Чтобы повысить скорость работы, можно использовать кислород. Негативной стороной этого способа является аккумулирование оксидного слоя по линии реза. Хотя при помощи кислородной струи этот слой легко удаляется.

Высокая теплопроводность алюминия и значительный коэффициент отражения от длины волны придают свои особенности процессу обработки. Для работы с алюминием лучше использовать лазер мощностью более 500 Ватт с точной фокусировкой луча. Вспомогательный газ будет способствовать удалению расплавленного материала из области реза. Соответственно, качество лазерной резки листового металла будет более высокое, чем у ленточной пилы.

Обработка медных и латунных листовых заготовок будет протекать аналогично работе с алюминием. Это объясняется тем, что данные материалы схожи по многим параметрам. Их небольшим отличием является то, что медь и латунь способны поглощать небольшое количество энергии.

Инструментальная листовая сталь прекрасно поддается лазерной резке. Ее свойства во многом похожи на характеристики легированной.

Лазерная резка листового металла пользуется особой популярностью в связи с тем, что растет потребность клиентов в различных деталях из нержавеющей стали. При использовании луча лазера зону термического влияния можно существенно минимизировать, что позволяет сохранять определенные свойства материала, включая устойчивость к коррозии. Из-за того, что нержавеющая сталь не способна взаимодействовать с кислородом, скорость резки может снижаться.

Лазерной резке поддаются практически все виды сталей. Если говорить об отдельных разновидностях, то, например, хромомолибденовая и хромоникелевомолибденовая сталь показывают максимальную точность реза и отсутствие каких-либо шероховатостей.

От чего зависит цена лазерной резки листового металла

Разберем подробнее, какие параметры оказывают влияние на стоимость лазерной резки листового металла:

Сложность задачи. В зависимости от особенностей фигурных элементов может значительно изменяться цена резки металла лазером. Например, стандартная прямая резка листового металла не вызовет таких затрат, как лазерный раскрой и перфорация форм повышенной сложности по индивидуальному проекту.

Применяемая технология. Гораздо больше стоят работы, которые необходимо выполнять на сложном автоматизированном оборудовании с применением новейших методов и сложнейшего программного обеспечения процесса лазерной резки листового металла.
Параметры заготовки. Стоимость резки зависит от толщины и размера листового металла, который необходимо обработать. Эти параметры могут значительно затруднять процесс резки, поскольку на крупных заготовках сложнее точно позиционировать режущий инструмент.

Несмотря на высокую стоимость лазерной резки листового металла, она пользуется популярностью, потому что позволяет добиваться хороших результатов. Кроме того, многие компании делают скидки в зависимости от объема работ.

Почему следует обращаться именно к нам

Преимуществом обращения к нашим специалистам является соблюдение ими ГОСТа и всех технологических нормативов. На каждом этапе работы ведется жесткий контроль качества, поэтому мы гарантируем клиентам добросовестно выполненный продукт.

Лазерный раскрой листового металла

Производство металлоконструкций не обходится без раскроя плоского и профильного проката. От этой операции во многом зависит качество и стоимость готовой продукции. Сегодня в мастерских и на предприятиях успешно применяются несколько различных технологий резки, мы расскажем об одной из них. Итак, тема нашей статьи – лазерный раскрой листового металла.

Что понимается под раскроем металла

Раскрой листового металла относится к заготовительным операциям. Они выполняются с целью сформировать детали, пригодные для сварки и монтажа. По сути, это производство фрагментов металлоконструкций. На предприятиях нередко работают целые заготовительные подразделения, где производится резка, обработка краев реза, гибка и т. д. В результате получаются заготовки, требующие дополнительной обработки, или уже готовые детали. Все зависит от того, какие технологии и оборудование применяются на этом этапе.

Перед началом раскроя нужно рационально разместить «выкройки» на листе. Заготовка может быть любой формы, но проще всего, конечно, работать с прямоугольными. В ходе резки листового металлопроката образуются отходы – возвратные и невозвратные. Количество этих остатков непосредственно связано с используемой технологией.

Раскрой листового металла – непростая и очень ответственная операция. От нее зависит качество и себестоимость деталей и всей конструкции в целом. На современных предприятиях отдают предпочтение эффективным высокотехнологичным методам резки.

Принципы лазерной технологии раскроя листового металла

Наиболее точный раскрой листового металлопроката обеспечивает плазменная и лазерная резка – две технологии, связанные с термическим (термохимическим) воздействием на материал.

Эти методы основаны на быстром и сильном нагревании металлического листа в намеченной точке при помощи лазерного луча или струи плазмы. Происходит локальное расплавление и испарение металла. При перемещении резака по контуру будущей детали перемещается и зона нагрева. В итоге получается аккуратно вырезанная заготовка. Лазер также способен сделать отверстия заданной формы и размера.

Каков принцип работы лазерных установок? Энергия источника (вспышка особой лампы, электрический разряд или химическая реакция) превращается в световую энергию и многократно усиливается. Нарастанию способствует оптический резонатор – система из двух или нескольких специальных зеркал. Процесс происходит в так называемой активной среде, она может представлять собой газ, жидкость или твердое тело. Образуется узкий пучок концентрированной энергии высокой мощности, который и прожигает материал в заданной точке. Для резки металла применяются твердотельные (в том числе оптоволоконные), и газовые лазерные станки.

Лазерный раскрой листового металла происходит с минимальной погрешностью благодаря очень точной фокусировке луча – вся его энергия может быть сконцентрирована в точке диаметром 1 микрон. Программное управление обеспечивает идеальное соответствие вырезанных деталей чертежу. Причем возможно вырезать заготовки любой, самой сложной формы. Отличительной особенностью данной технологии является высокая скорость процесса при отличном качестве продукции.

Лазер способен резать любые металлы и сплавы. Поскольку мощный нагрев в точке реза происходит быстро, вся поверхность не успевает нагреться, поэтому лист не деформируется. Непосредственного контакта инструмента с обрабатываемым материалом нет, поэтому можно разрезать даже тонкие или хрупкие материалы. Правда, лазерный раскрой листового металла толщиной более 20 мм обычно не производится, так как для этого нужна установка очень большой мощности, а это экономически неоправданно.

Мощность лазерного излучения можно регулировать – выполнять не только резку, но и гравировку листа.

При раскрое происходит мгновенное расплавление и испарение металла. Струя вспомогательного газа выдувает остатки расплава и продукты окисления материала. Для раскроя относительно толстых листов в рабочую зону дополнительно подают кислород под давлением, чтобы поверхность материала в точке реза нагревалась еще сильнее.

Перечислим основные преимущества лазерной резки:

доступна обработка даже самых твердых металлов и сплавов;
высокая скорость раскроя;
при высокой производительности станка сохраняется отличное качество работы;
можно резать хрупкий металл, для которого другие способы обработки не годятся;
подходит для производства фигурных заготовок и деталей, форма может быть любой;
малые потери металла благодаря достаточно плотному размещению заготовок на листе, за счет этого себестоимость продукции снижается;
вырезанные лазерным лучом детали не нуждаются в дополнительной обработке;
процессом лазерного раскроя листового металла на станках с ЧПУ легко управлять;
метод экономически эффективен, если правильно выбрать область применения и подобрать соответствующее поставленным задачам оборудование.

Недостатки данной технологии:

не подходит для резки металла толщиной более 20 мм;
при работе с металлом, обладающим выраженными отражающими свойствами (полированная нержавейка и др.), мощность и производительность станка снижается.

Лазерный раскрой листового металлопроката особенно востребован в случае изготовления больших партий идентичных деталей с абсолютно точным соблюдением их формы и размеров. Это актуально, например, при производстве судов, самолетов, автомобилей, станков, радиоэлектроники и точных приборов, для создания декоративных решеток и др.

Какое оборудование сегодня используют для лазерного раскроя листового металла

С появлением лазерных режущих станков производство металлоконструкций стало значительно дешевле и быстрее. Лазерный раскрой обеспечивает высочайшую точность и скорость работы. Эта технология оптимальна для обработки металлических листов малой и средней толщины. Она применяется на предприятиях металлургической отрасли и практически на любом машиностроительном производстве.

В России встречаются лазерные станки производства компаний Mitsubishi, Durmazlar, Trumpf, TST LASER, Mazak, FINN-POWER, Knuth, Halk, Mattex.

Наиболее популярно следующее оборудование:

Лазерные станки ARAMIS.
Лазерное оборудование компании Durmazlar.
Установка 2D/3D СО2 Space GEAR MarkII производства фирмы MAZAK.
Станки с ЧПУ для сварки и лазерного раскроя листового металла Laserdyne производства ПРИМА НОРС.

Стоимость оборудования для лазерной резки составляет в среднем 350 000 рублей.

Луч лазера – концентрированный поток световых частиц высокой энергии. Он почти не рассеивается и создает на поверхности разрезаемого материала крошечное световое пятно, размер которого обычно составляет несколько микрон. В этой точке металл моментально плавится, кипит и испаряется, в то время как остальная поверхность не подвергается нагреванию. Эти особенности позволяют добиться чрезвычайно узкого реза, при этом размеры и форма детали выдержаны с точностью до десятых долей миллиметра.

Нюансы лазерного раскроя металла в промышленных условиях

Для резки и гравировки металла на предприятиях используются твердотельные и газовые лазеры (жидкостные для этой цели не подходят). По сравнению с газовым, твердотельный лазер проще по конструкции, обладает более высоким КПД и экономичнее в эксплуатации. Однако его мощность обычно лежит в пределах от 1 до 6 кВт – значительно меньше, чем у газового лазера. Твердотельная лазерная установка может работать в постоянном или импульсном режиме, последний дает возможность увеличить мощность.

Рабочим телом (активной средой) твердотельного лазера служит стержень, изготовленный из кристалла или стекла с особыми «лазерными» свойствами. Чаще используются кристаллы иттрий-алюминиевого граната с неодимом (Nd:YAG), неодимовое стекло или рубины. Кстати, самый первый в истории лазер был рубиновым.

Под влиянием системы накачки (обычно это специальные лампы с подходящим по спектру излучением) стержень испускает фотоны. Световая энергия усиливается и фокусируется благодаря оптическому резонатору – системе зеркал и линз. Их положение можно менять для точной настройки лазера. Управление световым потоком, регулировка его параметров, а также концентрация луча в нужной точке в соответствии с контурами заготовки происходит автоматически, за это отвечает компьютер.

Для раскроя металлических листов используются и волоконные лазеры – тоже твердотельные, но выделенные в отдельную группу. В основе – кварцевое оптическое волокно, легированное неодимом, иттербием или другими редкоземельными металлами. Нередко волокно является одновременно и активной средой, и оптическим резонатором, а это означает упрощение конструкции и ее неприхотливость, ведь зеркала и линзы достаточно капризны. Накачка происходит с помощью диодной лампы (светодиода).

Волоконные лазерные установки компактны и мобильны, отличаются высокой мощностью и длительным периодом эксплуатации. Подходят для прецизионной резки благодаря отличной фокусировке луча. Высокий КПД установки, ее надежность, почти идеальные параметры луча, несложное и недорогое обслуживание сделали лазеры этого типа очень популярными на промышленных предприятиях. Стоит отметить также, что лазерный луч со всей его энергией передается по оптическому волокну как электрический ток по проводу – преимущества очевидны.

В газовых лазерах место стержня занимает трубка, заполненная газом, – в металлорежущих станках используется углекислый газ с добавлением азота и гелия. Трубка помещена в оптический резонатор. Внутри нее газовая смесь испускает фотоны под влиянием электрических разрядов (электрическая накачка). Газовый лазер дешевле твердотельного. Он способен выдавать мощность свыше 20 кВт в непрерывном режиме, так что может кроить очень твердые металлы и сплавы.

Помимо газов, служащих для получения собственно лазерного луча, в процессе раскроя материала участвуют вспомогательные газы. Например, металлы с высокой температурой плавления лучше всего резать в струе кислорода. Для резки алюминия и нержавеющей стали используется азот. Для титана, меди и некоторых других металлов подойдет только аргоновая среда.

5 итоговых советов по работе с лазером при раскрое листового металла

Не рекомендуется подвергать лазерной резке некачественный металл. Следы коррозии или ржавчина сведут на нет преимущества этой современной технологии – качество реза будет неудовлетворительным.
Не следует обрабатывать листы с заметными неровностями – результат непредсказуем.
Размечая лист, нужно помнить о том, что заготовки должны располагаться не менее чем в 10 мм от краев. При этом минимальное расстояние между ними – 5–10 мм.
Для повышения качества работы рекомендуется использовать металлические листы со скругленными углами.
Раскрой заготовок со сложными контурами стоит дороже, поскольку продолжается дольше. Причина в том, что при прохождении каждой линии контура станок врезается в материал за пределами будущей детали, затем возвращается назад и меняет направление.

Итак, раскрой металла – это технологическая операция превращения металлопроката в заготовки или готовые детали требуемых размеров и формы. Лазерная резка используется для работы с любыми металлами. Она превосходит иные технологии по скорости обработки металлопроката и качеству готовой продукции, к тому же незаменима при производстве деталей сложной формы. При этом процесс резки экономически выгоден и безопасен как для человека, так и для окружающей среды.

Основы лазерной резки — знания, которые вам пригодятся

Лазеры впервые были использованы для резки в 1970-х годах.

В современном промышленном производстве лазерная резка более широко применяется в обработке листового металла, пластмасс, стекла, керамики, полупроводников и таких материалов, как текстиль, дерево и бумага.

В ближайшие несколько лет применение лазерной резки в прецизионной обработке и микрообработке также получит значительный рост.

Во-первых, давайте посмотрим, как работает лазерная резка.

Когда сфокусированный лазерный луч попадает на заготовку, область облучения быстро нагревается, расплавляя или испаряя материал.

Как только лазерный луч проникает в заготовку, начинается процесс резки: лазерный луч движется по контуру и расплавляет материал.

Обычно для удаления расплава из разреза используется струйный поток, оставляя узкий зазор между режущей частью и рамой.

Узкие швы получаются почти такой же ширины, как и сфокусированный лазерный луч.

Примечание: данная статья является переводом

Газовая резка

Газовая резка - это стандартная техника, используемая для резки низкоуглеродистой стали. В качестве режущего газа используется кислород.

Перед вдуванием в разрез давление кислорода повышается до 6 бар. Там нагретый металл вступает в реакцию с кислородом: он начинает гореть и окисляться.

В результате химической реакции высвобождается большое количество энергии (в пять раз больше энергии лазера).

Рис.1 Лазерный луч плавит заготовку, а режущий газ сдувает расплавленный материал и шлак в зоне разреза

Резка плавлением

Резка плавлением - это еще один стандартный процесс, используемый при резке металла, который также может применяться для резки других легкоплавких материалов, например, керамики.

В качестве газа для резки используется азот или аргон, а воздух под давлением 2-20 бар продувается через разрез.

Аргон и азот являются инертными газами, что означает, что они не вступают в реакцию с расплавленным металлом в надрезе, а просто выдувают его на дно.

Между тем, инертный газ может защитить режущую кромку от окисления воздухом.

Резка сжатым воздухом

Сжатый воздух также можно использовать для резки тонких листов.

Давления воздуха, увеличенного до 5-6 бар, достаточно, чтобы сдуть расплавленный металл в разрезе.

Поскольку почти 80% воздуха - это азот, резка сжатым воздухом - это, по сути, резка плавлением.

Плазменная резка

Если параметры выбраны правильно, то в разрезе плазменной резки с применением плазменного наплавления появляются плазменные облака.

Плазменное облако состоит из ионизированного пара металла и ионизированного газа для резки.

Плазменное облако поглощает энергию CO2-лазера и переводит ее в заготовку, позволяя соединить больше энергии с заготовкой, что позволяет быстрее плавить металл и ускоряет процесс резки.

Поэтому процесс резки также называют высокоскоростной плазменной резкой.

Плазменное облако фактически прозрачно для твердого лазера, поэтому плазменная резка может использоваться только при лазерной резке CO2.

Газифицирующая резка

Газифицирующая резка испаряет материал и минимизирует тепловое воздействие на окружающий материал.

Использование непрерывной обработки CO2-лазером для испарения материалов с низким тепловыделением и высоким поглощением позволяет достичь вышеуказанных эффектов, например, тонкой пластиковой пленки и неплавящихся материалов, таких как дерево, бумага и пенопласт.

Ультракороткоимпульсный лазер позволяет применить эту технику к другим материалам.

Свободные электроны в металле поглощают лазер и резко нагреваются.

Лазерный импульс не вступает в реакцию с расплавленными частицами и плазмой, и материал сублимируется напрямую, не успевая передать энергию окружающему материалу в виде тепла.

В материале для пикосекундной импульсной абляции нет явного теплового эффекта, нет плавления и образования заусенцев.

Рис.3 Газификационная резка: лазер заставляет материал испаряться и гореть. Давление пара вытягивает шлак из разреза

На процесс лазерной резки влияют многие параметры, некоторые из которых зависят от технических характеристик лазерного генератора и станка для лазерной резки, а другие варьируются.

Степень поляризации

Степень поляризации показывает, какой процент лазера преобразуется.

Типичная степень поляризации составляет около 90%. Этого достаточно для высококачественной резки.

Диаметр фокусировки

Диаметр фокуса влияет на ширину разреза и может изменяться путем изменения фокусного расстояния фокусирующей линзы. Меньший диаметр фокуса означает более узкие разрезы.

Фокусное положение

Положение фокуса определяет диаметр луча, плотность мощности и форму надреза на поверхности заготовки.

Рис. 4 Положение фокуса: внутри, на поверхности и на восходящей стороне заготовки.

Мощность лазера

Мощность лазера должна соответствовать ьипу обработки, а также типу и толщине материала.

Мощность должна быть достаточно высокой, чтобы плотность мощности на заготовке превышала порог обработки.

Рис.5 Более высокая мощность лазера позволяет резать более толстый материал

Рабочий режим

Непрерывный режим в основном используется для резки стандартного контура металла и пластика толщиной от миллиметра до сантиметра.

Для выплавки отверстий или получения точных контуров используются низкочастотные импульсные лазеры.

Скорость резки

Мощность лазера и скорость резки должны соответствовать друг другу. Слишком высокая или слишком низкая скорость резки может привести к увеличению шероховатости и образованию грата.

Рис.6 Скорость резания уменьшается с увеличением толщины пластины

Диаметр сопла

Диаметр сопла определяет форму потока газа и воздушного потока из сопла.

Чем толще материал, тем больше диаметр газовой струи и, соответственно, больше диаметр отверстия сопла.

Чистота и давление газа

Кислород и азот часто используются в качестве газов для резки.

Чистота и давление газа влияют на эффект резки.

При резке кислородным пламенем чистота газа составляет 99,95 %.

Чем толще стальной лист, тем ниже давление газа.

При резке азотом чистота газа должна достигать 99,995 % (в идеале 99,999 %), что требует более высокого давления при плавлении и резке толстых стальных листов.

Технические параметры

На ранней стадии лазерной резки пользователь должен определить настройки параметров обработки путем пробной операции.

Теперь необходимые параметры обработки хранятся в управляющем устройстве системы резки.

Для каждого типа и толщины материала имеются соответствующие данные.

Технические параметры позволяют людям, не знакомым с технологией, беспрепятственно управлять оборудованием для лазерной резки.

Оценка качества резки

Существует множество критериев для определения качества кромок лазерной резки.

Например, стандарт формы грата, провисания и зернистости можно оценить невооруженным глазом.

Прямолинейность, шероховатость и ширина надреза должны быть измерены специальными приборами.

Осаждение материала, коррозия, область термического воздействия и деформация являются важными факторами для измерения качества лазерной резки.

Перспективы в будущем

Непрерывный успех лазерной резки находится за пределами досягаемости большинства других методов. Эта тенденция продолжается и сегодня. В будущем применение лазерной резки будет становиться все более и более перспективным.

Если вам понравилась статья, то ставьте лайк, делитесь ею со своими друзьями и оставляйте комментарии!

Читайте также: