Лазерная резка металла возможности

Обновлено: 08.07.2024

В строительной и производственной сферах большой популярностью пользуется нарезка деталей при помощи лазерных установок. Механическое воздействие на материал при таком процессе сводится к нулю, и это гарантирует отсутствие деформаций рабочей поверхности. Эксплуатация лазеров позволяет получить высококачественные детали, избежав при этом производственных затрат, связанных с человеческим фактором. Однако лазерная резка металла от 1 детали имеет ряд нюансов. Предлагаем с ними ознакомиться.

Как работает лазерная резка

Лазерная резка металла от 1 детали может производиться разными способами: при помощи кислорода, с использованием смеси газов (аргона или азота), с помощью сжатого воздуха. Выбор газа для резки лучом зависит от того, из какого материала состоит деталь, какую толщину имеет заготовка, предстоит ли дальнейшая обработка. Например, использование кислорода позволяет добиться максимально высоких температур при резке, а аргон будет незаменим при нарезании титана и циркония.

лазерная резка металла

Современные лазеры предназначены для раскраивания металла толщиной от 0,2 мм до 40 мм. Принцип лазерной резки состоит в том, что луч обеспечивает возгорание, плавление, испарение, выдувание газовой струей материала того участка, на который он направлен.

В зависимости от тела, которое генерирует луч, можно выделить три типа оборудования для листовой лазерной порезки:

Твердотельные лазерные станки. Снабжены диодом и стержнем, состоящим из рубина, граната либо неодимового стекла. Мощные лампы направляют заряд энергии на оптический стержень, который осуществляет ее проекцию на рабочую поверхность. Фокусировка осуществляется в том числе благодаря зеркалам и призме. Твердотельное оборудование предназначено для разрезания меди, алюминия, алюминиевых сплавов, латуни.
Волоконные. Генератором луча служит оптоволокно. Современные станки оснащены опцией быстрой настройки размера фокального пятна, благодаря чему значительно повысилась производительность нарезки деталей из меди, стали, алюминия.
Газовые. В качестве генератора выступают газы – обычно гелий, углекислый газ и азот. Они под давлением поступают в газоразрядную трубку, активируясь при этом электрическими импульсами. Преимущество лазерной резки газовыми станками в том, что ей подлежат даже высокопрочные сплавы.

Управление станком для лазерной резки деталей

Автоматизированный станок для нарезания металла лазером состоит из непосредственно лазера, снабженного источником питания, системы управления, а также контура, обеспечивающего передачу излучения в зону резки. По принципу действия это излучение напоминает плазменную дугу или газовое пламя, однако имеет гораздо большую концентрацию мощности – до 5 000 Вт.

станок для лазерной резки металла

Управление лазерным станком довольно несложное. Для осуществления лазерной резки деталей расходный материал фиксируется на рабочем столе. Затем в блок управления задаются параметры будущей детали (длина, ширина), указываются тип и толщина листового металла. Откалибровка фокуса и выбор расстояния от резака до разрезаемой поверхности происходит автоматически. В автоматическом режиме происходит и температурный контроль. Если технический процесс требует подачи вспомогательных газов, то к аппаратуре необходимо подключить баллоны с необходимым веществом. Для этого предусмотрены патрубки, снабженные клапанами. Защитный кожух ограждает оператора и прочий персонал от мелких частиц металла.

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.

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.

Преимущества и недостатки лазерной резки

Лазерная резка имеет ряд положительных качеств. Например:

При ее проведении отсутствует механическое воздействие на обрабатываемую поверхность. Благодаря этому можно нарезать материалы, которые при обычной резке получили бы повреждения или деформировались.
Обработке подлежат многие виды металлов, в том числе сплавы алюминия и различные типы стали.
Чаще всего лазерная резка листового металла не сопровождается возникновением облоя. В противном случае он легко удаляется с поверхности, не оставляя царапин.
Детали при нарезании не нагреваются. Можно применять лазерную резку листа даже для тех металлов, которые имеют высокую теплопроводность.
Раскрой материала полностью автоматизирован. Погрешность при нарезке составляет не более 0,1 мм, процент отходов минимален. Это позволяет снизить себестоимость производства.
Высокая производительность лазерного оборудования, в итоге – значительно экономится время резки.
Нет необходимости приобретения дорогостоящих молдов или пресс-форм.
Универсальность оборудования. С помощью приспособления для лазерной резки металла можно изготавливать самые различные типы деталей.
В случае необходимости, оборудованием для резки листовых металлов можно осуществлять фрезеровку и высверливание отверстий нужного диаметра и глубины.
Есть возможность гравировки поверхностей.

Преимущества лазерной резки сопровождаются некоторыми недостатками:

Листовой металл, подлежащий резке лазером, не может быть толще 40 мм, а его площадь – больше 1500 на 3000 мм.
Этот способ резки относительно дорог.
Невозможно производить внутреннюю резьбу.
Необходима настройка оборудования перед каждым использованием.

Лазерная резка деталей: примеры

Прибегнув к лазерной резке, вы за относительно короткий промежуток времени можете получить детали, применяемые в машиностроении; комплектующие для торгового оборудования (в том числе стеллажей, шкафов, поддерживающих установок, полок и т.д.); декоративные элементы для дизайна помещений; детали для вывесок, бигбордов и прочих рекламных носителей; трафареты, шаблоны и многое другое. Пользуются популярностью и резаные лазером элементы отопительного оборудования — печей, дымоходов, котлов, и детали ограждений, ворот. Принцип лазерной резки применяется при изготовлении многих деталей лифтового оборудования и вендинговых аппаратов.

детали, нарезанные лазером

Как можно заметить, лазерной резкой пользуются в тех случаях, когда необходимо получить высококачественные детали с минимальной шириной реза, гладкими и ровными краями, и при этом есть возможность пренебречь некоторым изменением цвета изделия в месте раскройки.

Что лучше — резка металла лазером или плазмой

Плазменная резка отличается от лазерной тем, что проплавление металла производится при помощи плазменной дуги, в то время как плазменная струя удаляет расплав. Резку плазмой применяют для обработки тонколистового металла, однако экономически целесообразно использовать для толстых поверхностей: меди (до 80 мм), чугуна (до 90 мм), алюминия (до 120 мм), сталей (до 150 мм). Хорошее качество отверстий гарантировано в случае, если их диаметр будет не меньше диаметра поверхности, разрезаемого плазмой. Нижние кромки отверстий, как правило, меньше верхних. Поверхность реза конусная и составляет от 3 до 10 градусов.

Про особенности плазменной сварки можно прочитать здесь.

Эксплуатация лазера имеет наибольшую эффективность при нарезке стали толщиной до 6 мм. Сфокусированное лазерное излучение производит качественные узкие резы, диаметр произведенных отверстий в нижней части имеют несколько больший размер, чем в верхней. Отклонение кромки реза от заданных параметров – около 0,5 градуса.

Выбирая между плазмой и лазером, стоит ориентироваться прежде всего на тип и толщину материала, подлежащего обработке. Кроме этого, стоит учесть, что лазерное оборудование имеет большую цену, однако при необходимости вырезания большого количества отверстий в детали часовая стоимость использования плазменного станка выше.

В заключение

Принцип лазерной резки может быть применим во всех случаях, когда требуется высокоточная нарезка деталей, фрезеровка или гравировка. Оборудование вне зависимости от его типа (твердотельное, газовое, волоконное) позволяет осуществить разрезание листов металла практически в автоматическом режиме. При этом гарантированы аккуратная поверхность реза, минимальное количество облоя или его полное отсутствие, минимальная погрешность нарезки, высокая производительность. Преимущества лазерной резки численно превышают ее недостатки, наиболее существенным из которых представляется стоимость. При выборе между лазерной и плазменной резкой стоит обратить внимание на цену оборудования и часовую стоимость его эксплуатации, а также на толщину рабочего материала.

Технология лазерной резки металла

Лазерная резка металла — это процесс нагревания и разрушения металла при помощи лазерного луча. Международное название технологии — Laser Beam Cutting (LBC).

На сегодняшний день существует 3 основных способа работы лазера по металлу:

Плавление — наиболее распространенный способ, который подходит для большого количества материалов. Луч лазера разогревает поверхность металла до температуры плавления, которая различается у видов сырья. При правильно подобранном режиме металл расплавляется только по срезу, целостность кромок сохраняется. В зону обработки бьет поток сжатого газа, который выдувает расплавленный металл, охлаждает края, предотвращает плавление и деформации на срезах. Например, присутствие кислорода при резке нержавеющей стали или алюминия грозит окислением места среза, поэтому поверхность обдувается азотом. Алгоритм движения составлен на базе информации о материале (толщине, температуре плавления) и заложен в программное обеспечение, которое управляет действиями оборудования. Эта технология отличается высокой точность, скоростью и экономичностью.
Горение — способ лазерной резки металла, который оптимизирует обработку черных металлов, но не подходит для цветных металлов и стали с высоким содержанием легирующих элементов. Воздействие кислорода дает в несколько раз больше тепловой энергии, чем работа лазера. Себестоимость процесса и время обработки уменьшаются. Методика имеет недостаток — горят кромки некоторых материалов. Затраты на постобработку срезов могут превысить экономию непосредственно резки. Выбор технологии лазерной резки “горение” определяет материал. Например, черная сталь в процессе обработки не образует оксидов или позволяет легко удалить их. Сплавы алюминия и нержавеющая сталь при контакте с O₂ окисляются, поэтому при раскрое этих материалов поступление кислорода отсекают струей азота.
Испарение — используется редко, востребован только при резке тонкостенных изделий или листов малой толщины. Луч работает не сплошной струей, а короткими импульсами, рассчитанными на то, чтобы расплавить и испарить металл, не задев ничего вокруг, например, подложку (в изделиях). Воздушный напор удаляет технический мусор из рабочей области. Эта методика требует значительно большего нагрева материала. Например, алюминий плавится при 660 ํС, а закипает при 2 519 ํС. Соответственно, нужно почти в четыре раза больше энергии. Процесс более затратный, поэтому оправдан только в случаях, где не справляются другие технологии.

Таким образом, лазерная резка методом плавления — оптимальное соотношение цены и качества для большинства материалов.

Оборудование для лазерной резки

Устройства классифицируют по разным параметрам. По типу рабочей среды — источника лазерного излучения — выделяют три вида приборов:

Твердотельные системы. В осветительном модуле располагается твердое рабочее тело и газоразрядная лампа высокой мощности. Рабочим телом может служить стержень из рубина, неодимового стекла и других материалов. Края стержня оснащены зеркалами: полупрозрачным и отражающим. Луч лазера, созданный рабочим телом, набирает мощность, благодаря множественным отражениям и выходит наружу через полупрозрачное зеркало.
Газовые устройства. В них работает CO₂ (отдельно или в комплексе с гелием и азотом). Углекислый газ активизируют электроразряды. Для увеличения мощности также используют систему зеркал.
Газодинамические приборы обладают самой высокой мощностью. Активным веществом тоже является оксид углерода (CO₂), разогретый до температуры в диапазоне от 726 до 2726 °С. Он активизируется при помощи дополнительного лазерного луча небольшой мощности. Проходя через специальное сопло, газ меняет состояние и становится источником излучения. Этот вид оборудования самый дорогостоящий.

Выбор вида лазерной резки зависит от материала, который необходимо обработать.

ЧПУ, использующие углекислый газ, отлично справляются со сваркой, раскроем, гравировкой металла, стекла, пластика и другого сырья. Оборудование твердотельного типа эффективно для резки алюминия, меди, серебра, латуни. Не работают с неметаллическими материалами.

Качество лазерной резки. От чего оно зависит?

Под качеством лазерной резки обычно понимают точность, качество реза (минимальную шероховатость, прямые стенки), скорость предоставления услуг.

Результат работ зависит от многих составляющих:

Типа и размеров детали;
Правильной настройки оборудования для лазерной резки;
Технического состояния ЧПУ-станка;
Качества разработки макета.

Чтобы получить нужный результат, необходимо учесть все эти параметры. При соблюдении правил использования, лазерные резаки обеспечивают точность до 0,1 мм.

Скорость резки обусловлена мощностью оборудования, толщиной и теплопроводностью обрабатываемого материала. Чем выше показатель, тем быстрее отводится тепло с рабочего участка, соответственно требуется больше энергии. Например мощности лазера в 600 Ватт достаточно для резки титана или черных металлов, но мало для меди или алюминия.

Особенности резки отдельных металлов

Индивидуальные свойства материалов требуют применения различных технологий лазерной резки. Сплавы и цветные металлы обрабатывают на станках мощностью не ниже 1 кВт, для работы с черными металлами будет достаточно мощности от 0,5 кВт.

Раскрой высокоуглеродистых сталей осуществляется в основном по газолазерной технологии с применением кислорода. Благодаря сильной тепловой реакции в зоне воздействия лазера, увеличивается скорость обработки металлического листа.

Этот метод дает высокое качество реза. Для фигурной резки, например, заготовок с острыми углами или отверстиями, в комплексе с лазерным лучом используют инертный газ.

При обработке изделий или листов из нержавеющей стали, используют азот, который транспортируют в рабочую область под давлением до двадцати атмосфер. Учитывая высокую прочность сырья, лазерная резка — практически единственный метод качественной обработки нержавеющей и оцинкованной стали.

Работа с цветными металлами требует аппаратов больше мощности, например твердотельного типа.

Для взаимодействия с латунью, алюминием и сплавами с его содержанием используют инертный газ под давлением до десяти атмосфер. Кромки получаются хорошего качество, возможно небольшое образование грата, который легко удалить.

Медь обладает высокими теплопроводными свойствами. Оптимальная толщина листов для раскроя лазером не больше 0,5 мм. Большая толщина требует значительных расходов, что не является экономически целесообразным.

Альтернатива лазерной резке металла

В современной металлообработке эффективно используют четыре технологии резки металла:

Лазерная;
Плазменная;
Газовая;
Гидроабразивная.

Каждый способ имеет свои преимущества и недостатки по отношению к различным видам материалов.

Плазменная резка металла

Плазменная резка — технология раскроя металла, при которой в качестве режущего инструмента выступает струя плазмы. К преимуществам относится возможность работы с любыми сырьем: цветными, тугоплавкими и другими сложными металлами. Еще один плюс технологии — создание резы любой формы, в том числе сложной геометрической.

Плазменная резка немного проигрывает лазерной в качестве кромок, соответственно и в точности. При лазерной обработке кромки имеют большую степень соответствия по перпендикулярности.

Для материалов толще 6 мм плазменный метод занимает меньше времени и затрат энергии по сравнению с лазерным. Однако при работе с тонкими материалами и изготовлении деталей сложной геометрии использование лазера эффективнее ввиду большей точности и максимального соответствия техническому заданию.

Газовая резка металла

Суть процесса газовой резки заключается в следующем: газ ацителен или пропан разогревает материал обработки до 1000-1200⁰С, затем подключается кислород, который загорается при контакте с раскаленным металлом и режет его. Технология подходит для материалов, температура горения которых ниже, чем плавления: для сталей с низким и средним содержанием легирующих элементов. Преимущества метода в невысокой стоимости, простоте, мобильности оборудования. Однако он подходит не для всех материалов, точность резки значительно уступает лазерной и плазменной.

Гидроабразизная резка металла

Рабочим инструментом при гидроабразивной резке выступает смесь воды с абразивными частицами (зерна карбида кремния, электрокорунда, других твердых веществ, гранатовый песок). Вода поступает в режущую головку под давлением до 6000 атмосфер, оттуда она со скоростью около 1000 м/сек (и выше) вырывается в камеру, где смешивается с абразивом. Смешанная струя разрушает целостность металла и смывает отрезанные частицы. Важная особенность гидроабразивной резки состоит в том, что обрабатываемые поверхности практически не нагреваются, что дает методу массу неоспоримых преимуществ.

Технология имеет ряд плюсов:

Работа с любыми материалами;
Высокое качество реза благодаря отсутствию пригорания и плавления поверхности;
Возможность обработки термочувствительного сырья;
Отсутствие вредных выделений в рабочем процессе;
Пожаробезопасность работ.

К недостаткам можно отнести более низкую скорость в сравнении с плазменной и лазерной обработкой, высокую стоимость оборудования и себестоимость процесса.

Из рассмотренных вариантов лазерная резка — наиболее универсальный инструмент. Кроме непосредственного раскроя устройства используют для лазерной гравировки металла, маркировки, разметки и прочих операций.

Практическое применение технологии лазерной резки

Производство изделий при помощи лазерного оборудование состоит из нескольких этапов:

Формирование идеи продукта.
Разработка художественного эскиза.
Создание технического макета модели.
Изготовление тестовой детали на ЧПУ-станке.
Контроль параметров и доработки в случае необходимости.
Запуск серийного производства.

Созданию технического макета нужно уделить особое внимание, так как от его точности будет зависеть качество готового изделия.

Станки используют форматы программ AutoCAD, CorelDraw, поэтому чертежи для лазерной гравировки или резки должны быть выполнены в этих программах.

Требования к макетам для лазерной резки

Масштаб чертежа 1:1.
Замкнутые внешние и внутренние контуры.
CIRCLE, LINE, ARC — команды для создания контуров.
Команды ELLIPSE, SPLINE не поддерживаются.
При наложении линий друг на друга лазерный резак будет проходить по одной и той же траектории несколько раз.
В чертеже для лазерной резки должно быть указано количество деталей и рабочий материал.
Вся информация о чертеже должна быть размещена в одном файле.

Ценообразование в услугах лазерной резки металлов

Цена услуг зависит от ряда составляющих и меняется в зависимости от технического задания.

Что влияет на стоимость услуг лазерной резки металла

Вид металла. Например, резка черных металлов, стали и нержавейки стоит в 2-3 раза дешевле резки меди, латуни, титана, алюминия и его сплавов.
Толщина листа. Чем больше толщина, тем выше цена. Нестандартные технические задания рассчитываются индивидуально.
Сложные формы деталей. Чем больше требуется резов для достижения результата, тем выше цена.

Эти и ряд других параметров, которые оговариваются с заказчиком, формируют стоимость лазерной резки и гравировки.

О компании

Адрес: Санкт-Петербург, Петровский пр., д.20 литер Я (около д. 20 литер В)

Режим работы:
Понедельник - пятница
10:00 - 18:00

Полезные статьи
Работаем по всей России
Высокоточное производство
Пользовательское соглашение

Принцип лазерной резки

Основное назначение лазерной резки – раскрой листовых материалов, преимущественно металлов. Ее главное достоинство заключается в возможности изготовления деталей, имеющих сложные контуры. В этой статье мы расскажем о том, каков основной принцип лазерной резки .

Основной принцип лазерной резки

Лазерный луч (так называемый лазер) – это когерентное монохроматическое вынужденное излучение узкой направленности, инициатором которого в активной среде выступает внешний энергетический фактор (электрический, оптический, химический и т. д.). В основе этого физического явления лежит способность веществ излучать волны определенной длины.

Фотонное излучение происходит в момент столкновения атома с другим когерентным (идентичным) фотоном, который не поглощается в процессе. Фотоны, которые при этом становятся «лишними», и образуют лазерный луч.

Принцип лазерной резки заключается в том, что излучение оказывает тепловое воздействие на обрабатываемые материалы. В процессе обработки происходит нагревание металла до температуры плавления, а затем до температуры кипения, достигнув которой материал начинает испаряться. В связи с высокой энергозатратностью, такая обработка подходит для металлов небольшой толщины.

Работа с относительно толстыми листами выполняется при температуре плавления. Для облегчения процесса применяют подаваемый в зону обработки газ. Чаще всего пользуются азотом, гелием, аргоном, кислородом или воздухом. Задача газа заключается в удалении из области резки расплавленного материала и продуктов сгорания, поддержании горения металла и охлаждении прилегающих зон. Самым эффективным газом, используемым в процессе обработки, является кислород, позволяющий повысить скорость и глубину реза.

Благодаря высокой концентрации энергии лазерный луч проникает в материал обрабатываемой детали. За счет его воздействия в зоне резки происходит расплавление, испарение, воспламенение или другие процессы, меняющие структуру металла и вызывающие его исчезновение.

Лазерная резка схожа с обычной механической, но вместо режущего инструмента используется луч лазера, а также нет отходов, которые при механической обработке представляют собой металлическую стружку, а при работе с лазером они просто испаряются.

Срез металла при лазерной обработке очень тонкий, к тому же сама область реза очень мала (включая минимальную деформацию и температурную нагрузку на прилегающие зоны). Благодаря этим особенностям резка лазером является наиболее высококачественным способом обработки металлов. К тому же принцип лазерной резки позволяет использовать ее в работе практически с любыми материалами, независимо от конструкционных особенностей, формы и размера (включая бумагу, резину, полиэтилен и др., которые в силу мягкости или малой толщины не могут быть обработаны фрезой).

Прежде чем перейти к описанию принципа лазерной резки, поговорим об установках для работы с лазером, состоящих из трех основных частей:

Рабочей (активной) среды, создающей лазерное излучение.
Источника энергии (системы накачки), благодаря которому возникает электромагнитное излучение.
Оптического резонатора, представляющего собой систему зеркал, которые усиливают излучение.

Возникновение лазерного луча можно описать следующим образом – за счет источника энергии активная среда (к примеру, рубиновый кристалл) из внешней среды получает фотоны, имеющие определенной энергию. Проникая в активную среду, фотоны вырывают из ее атомов аналогичные частицы, однако сами в процессе не поглощаются.

VT-metall предлагает услуги:

Лазерная резка металла Гибка металла Порошковая покраска металла Сварочные работы

Активная среда дополнительно насыщается за счет действия оптического резонатора (например, двух параллельно расположенных зеркал), благодаря чему имеющие одинаковую энергию фотоны многократно сталкиваются с атомами, тем самым порождая новые фотоны. Одно из зеркал оптического резонатора делают полупрозрачным, позволяющим пропускать фотоны в направлении оптической оси (в виде узконаправленного луча).

Лазерная резка металлов обладает следующими преимуществами:

Поскольку режущий элемент не вступает в механический контакт с разрезаемой поверхностью, возможно обрабатывать легкодеформируемые или хрупкие материалы.
Принцип лазерной резки позволяет работать с металлами, имеющими различную толщину. У стальных заготовок она может варьироваться от 0,2 до 30 мм, у алюминиевых сплавов – от 0,2 до 20 мм, у медных и латунных деталей – от 0,2 до 15 мм.
Лазерная резка отличается высокой скоростью.
Этот способ позволяет работать с заготовками, имеющими любую конфигурацию.
Благодаря лазерной резке детали имеют чистые кромки, а отходы практически отсутствуют.
Резка отличается высокой точностью – до 0,1 мм.
Плотная раскладка заготовок на листе обеспечивает более экономичный расход листового металла.

Этот способ обработки имеет и определенные недостатки, в первую очередь речь идет о высоком потреблении энергии, а также об использовании дорогостоящего оборудования.

Какие лазеры используют для резки

Линейка лазерных установок достаточно велика. В основе классификации обычно лежит вид активной среды (лазеры могут быть твердотельными, газовыми, полупроводниковыми), тип подачи энергии (импульсные установки или имеющие постоянную мощность), размеры оборудования, мощность излучения, назначение и т. п.

Выбирая подходящий вид лазерной резки следует исходить из типа материала, который необходимо обработать. При помощи углекислотных лазеров можно выполнять многочисленные операции (резку, гравировку, сварку) с различными материалами (металлами, резиной, пластиком, стеклом).

При необходимости раскроя листов латуни, меди, серебра, алюминия лучшим выбором станет твердотельная волоконная установка. С ее помощью обрабатывают только металлы.

В зависимости от типа рабочей среды существует следующая классификация лазеров:

Основной элемент твердотельных лазерных установок – осветительная камера, в которой расположены источник энергии и твердое рабочее тело. В качестве источника энергии выступает мощная газоразрядная лампа-вспышка. Рабочее тело представляет собой стержень, выполненный из неодимового стекла, рубина или алюмоиттриевого граната, легированный неодимом или иттербием.

С обоих торцов стержня размещены зеркала, одно из которых является отражающим, второе – полупрозрачным. Рабочее тело создает лазерный луч, который, многократно отражаясь и при этом усиливаясь, проходит сквозь полупрозрачное зеркало.

Рекомендуем статьи по металлообработке

Волоконные установки также входят в число твердотельных. В качестве источника энергии в таком оборудовании выступает полупроводник, а для усиления излучения используется стекловолокно.

Чтобы понять принцип лазерной резки и работы установки в целом, обратимся к оборудованию, в котором рабочая среда представлена гранатовым стержнем, в качестве легирующего материала выступает неодим. Ионы неодима играют роль активных центров. За счет поглощения излучения газоразрядной лампы они возбуждаются, то есть получают излишнюю энергию.

При возвращении ионов в первоначальное состояние происходит отдача ими фотонной энергии, т. е. электромагнитного излучения (света). За счет фотонов в обычное состояние переходят и другие возбужденные ионы. Этот процесс носит лавинообразный характер. Благодаря зеркалам лазерный луч движется в заданном направлении. Отражаясь, фотоны много раз возвращаются в рабочее тело и вызывают образование новых фотонов, усиливая тем самым излучение. Отличительными чертами луча являются его узкая направленность и значительная концентрация энергии.

В качестве рабочего тела таких установок выступает углекислый газ в чистом виде либо в смеси с азотом и гелием. Посредством насоса газ поступает в газоразрядную трубку. Для возбуждения используются электрические разряды. Усилению отражения также способствуют зеркала – отражающее и полупрозрачное. В соответствии с конструктивными особенностями установки могут иметь продольную и поперечную прокачку или быть щелевыми.

Какие параметры нужно учитывать при лазерной резке металлов

Лазерная резка подходит для работы не только с металлами, но и с резиной, линолеумом, фанерой, полипропиленом, искусственным камнем и стеклом. Обработка лазером применяется в приборо-, судо- и автомобилестроении, для создания элементов электротехнических устройств, сельскохозяйственных машин. Используя принцип лазерного раскроя, изготавливают жетоны, трафареты, указатели, декоративные элементы интерьера и пр.

Принцип лазерной резки зависит от многих параметров. Необходимо учитывать, с какой скоростью выполняется обработка, лазер какой мощности при этом используется, какова его плотность, фокусное расстояние, также учету подлежат диаметр луча и состав излучения, а также марка и вид обрабатываемого материала. Например, скорость резки низкоуглеродистых сталей примерно на 30 % выше, чем при работе с нержавейкой. Снижению скорости практически в два раза способствует замена кислорода обычным воздухом. Лазер мощностью 1 кВт разрезает алюминий со скоростью примерно 12 м/с, титан – 9 м/с (при использовании кислорода в качестве активной среды).

Разберем принцип лазерной резки на следующем примере. За основу берем мощность лазера 1 кВт, в качестве активной среды выступает кислород, подаваемый в рабочую область под давлением 0,5 МПа, диаметр луча равен 0,2 мм.

Технология лазерной резки металла – оборудование, особенности, видео

Лазерная резка, или LBC (Laser Beam Cutting), как она обозначается во всем мире, – это процесс, при котором материал в зоне реза нагревается, а затем разрушается при помощи лазера.

Промышленная резка металла с помощью лазера

Сущность лазерной резки металла

Лазерная резка металла, как понятно из ее названия, выполняется при помощи луча лазера, получаемого при помощи специальной установки. Свойства такого луча позволяют фокусировать его на поверхности небольшой площади, создавая при этом энергию, характеризующуюся высокой плотностью. Это приводит к тому, что любой материал начинает активно разрушаться (плавиться, сгорать, испаряться и т.д.).

Станок лазерной резки металла, к примеру, позволяет концентрировать на поверхности обрабатываемого изделия энергию, плотность которой составляет 10 8 Ватт на один квадратный сантиметр. Для того чтобы понять, как удается добиться такого эффекта, необходимо разобраться, какими свойствами обладает лазерный луч:

Лазерный луч, в отличие от световых волн, характеризуется постоянством длины и частоты волны (монохроматичность), что и позволяет легко фокусировать его на любой поверхности при помощи обычных оптических линз.
Исключительно высокая направленность лазерного луча и небольшой угол его расходимости. Благодаря такому свойству на оборудовании для лазерной резки можно получить луч, отличающийся высокой фокусировкой.
Лазерный луч обладает еще одним очень важным свойством – когерентностью. Это значит, что множество волновых процессов, протекающих в таком луче, полностью согласованы и находятся в резонансе друг с другом, что в разы увеличивает суммарную мощность излучения.

Процессы, происходящие при резке металла с использованием лазера, хорошо заметны на приведенных в статье видео. При воздействии луча на поверхность металла происходит быстрое нагревание и последующее расплавление подвергаемой обработке площади.

Быстрому распространению зоны плавления вглубь обрабатываемого изделия способствуют несколько факторов, в том числе и теплопроводность самого материала. Дальнейшее воздействие лазерного луча на поверхность изделия приводит к тому, что температура в зоне контакта доходит до точки кипения и обрабатываемый материал начинает испаряться.

Процесс лазерной резки в схематичной форме

Лазерную резку металла может выполняться двумя способами:

плавлением металла;
испарением обрабатываемого металла.

Для того чтобы выполнить резку металла методом испарения, требуется большая мощность оборудования и, как следствие, значительные энергозатраты, что не всегда целесообразно с экономической точки зрения. Ограничивают использование такого метода и строгие требования к толщине обрабатываемых изделий. Именно поэтому данный метод используют только для резки тонкостенных деталей.

Значительно большее распространение получила лазерная резка металла методом плавления. В последнее время лазерную резку методом плавления все чаще проводят с использованием газов (кислород, азот, воздух, инертные газы), которые с помощью специальных установок вдувают в зону реза (видео этого процесса можно легко найти в Сети).

Такая технология позволяет снизить энергозатраты, повысить скорость работы, использовать оборудование небольшой мощности для резки металла большой толщины. Конечно, это нельзя считать лазерной резкой в чистом виде, правильнее будет называть его газолазерной технологией.

Лазерная резка стали 10мм

Использование кислорода в качестве вспомогательного газа при выполнении лазерной резки позволяет одновременно решить такие важные задачи, как:

активизация процесса окисления металла (это позволяет снизить его отражающую способность);
повышение тепловой мощности в зоне реза (поскольку металл в среде кислорода горит более активно);
выдувание из зоны реза мелких частиц металла и продуктов сгорания кислородом, подаваемым под определенным давлением (это облегчает приток газа в зону обработки).

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.

Виды оборудования для лазерной резки

Оборудование для лазерной резки металла делится на три основных типа.

Газовые установки для лазерной резки

Газы в таких установках, использующиеся в качестве рабочего тела, могут прокачиваться по продольной или поперечной схеме. Принцип работы таких лазеров заключается в возбуждении атомов газа под действием электрического разряда, вследствие чего частицы начинают излучать монохроматический свет. Большое распространение в современной промышленности нашли щелевидные установки, работающие на углекислом газе. Они достаточно компактные, при этом мощные и отличаются простотой в эксплуатации (в Интернете достаточно много видео, на которых показана работа таких установок).

Принцип действия газового лазера

Конструкция такого оборудования состоит из двух основных элементов: лампы накачки и рабочего тела, в качестве которого чаще всего используется стержень из искусственного рубина. В состав последнего также включен неодим иттриевого граната. Лампа накачки в таких аппаратах необходима для того, чтобы передать на рабочее тело требуемое излучение. Чаще всего такие установки для лазерной резки работают в импульсном режиме, но есть и модели, функционирующие непрерывно.

Принцип действия рубинового лазера

В газодинамических установках рабочий газ предварительно нагревается до 2–3 тысяч градусов, затем на высокой скорости (выше скорости звука) пропускается через специальное сопло, а после этого охлаждается. Такое оборудование является очень дорогостоящим, как и сам процесс формирования лазерного луча, поэтому его использование очень ограничено.

Если посмотреть видео работы лазерной установки, то очень сложно определить, к какой группе она относится. Для этого необходимо получить представление об устройстве такого оборудования.

Любое оборудование для выполнения лазерной резки, к какой бы группе оно ни принадлежало, содержит следующие элементы:

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: