Технология лазерной резки металла

Основы технологии лазерной резки металла

По-простому, лазерная резка — это световое излучение, вызванное атакой фотонов на рабочую среду с усилением за счет ответной реакции. Более подробно — далее

Из школьного курса элементарной физики вы знаете о сильном тепловом воздействии сфокусированного света. Познавательный трюк с увеличительным стеклом ясно показывает возможности преломленного потока солнечного луча.

Принципом действия работы лазера может служить его перевод с английского: усиление света вынужденным излучением. По-простому — это световое излучение, вызванное атакой фотонов на рабочую среду с усилением за счет ответной реакции. Световой поток через систему оптических призм и зеркал фокусируется в узконаправленный луч импульсной или непрерывной модуляции. Мощность и интенсивность лазера зависит от используемого активатора и сложности резонирующих систем.

В качестве первичного активного вещества используют все возможные агрегатные состояния: твердое, газообразное, жидкое и плазменное. Важнейшим критерием является способность к возбуждению и отдаче свободных квантов-фотонов. Накачка первичных световых атомов производится разными способами. Это может быть сфокусированное солнечное излучение, специальные лампы, другие лазеры, электрическое воздействие или химические процессы. Для увеличения силы потока делают многоуровневые атакующие каскады. В основе резонаторов применяют плоскопараллельные и сферические зеркала или их комбинации. Главный параметр хорошего прибора — устойчивое сохранение светового луча и его точная фокусировка.

Первый лазер был сделан на рубине в 1960 году, он работал в инфракрасном диапазоне и являлся началом эры световых помощников человека. История развития прикладной квантовой науки шла по пути усиления первоначальных систем накачки и совершенствования оптических резонаторов для достижения мощного и управляемого луча. Выискивались новые рабочие среды, были испробованы и получили путевку в жизнь лазерные установки на красителях, на свободных электронах, химические модели и полупроводниковые исполнения.

Производственное использование лазера

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

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

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

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

Следующее видео представляет волоконный лазерный станок.

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

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

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

Особенности технологического процесса

  • первая стадия — воздействие лазера на металл в точке начала реза вызывает нагревание вещества до температуры плавления и появлению усадочной раковины;
  • вторая стадия — энергия излучения приводит к кипению и испарению металла;
  • третья стадия — при проплавлении заготовки на полную глубину начинается поступательное движение рабочего органа в соответствии с заданной траекторией.

В действительности, процесс испарения металла наблюдается только у тонких заготовок, при средней и большой толщине реза удаление остатков вещества из рабочей зоны производится с помощью струи вспомогательного газа (азот, кислород, воздушная смесь или инертные газы).

Такие установки, работа которой представлена на видео, называют газолазерными резаками.

Сравнительные характеристики лазерной и плазменной резки приведены

Современные лазерные комплексы

Новое поколение прецизионных обрабатывающих станков с ЧПУ позволяют проводить обработку материалов с точностью до 0,005 мм. Площадь обработки некоторых моделей лазерных установок достигает нескольких квадратных метров. Большим достоинством является минимизация человеческого фактора, заключающаяся в высокой автоматизации производственного процесса.

Геометрия детали задается в программный блок, осуществляющий управление лазером и рабочим столом с заготовкой. Системы настройки фокуса автоматически выбирают оптимальное расстояние для эффективного резания. Специальные теплообменники регулируют температуру лазерной установки, выдавая оператору контрольные данные текущего состояния инструмента.

Лазерный станок оснащается клапанными механизмами для подключения газобаллонного оборудования, чтобы обеспечить подачу вспомогательных газов в рабочую зону. Система дымоулавливания призвана оптимизировать расходы на вытяжную вентиляцию, включая её непосредственно в момент обработки. Область обработки полностью экранируется защитным кожухом для безопасности обслуживающего персонала.

Лазерная резка листового металла на современном оборудовании превращается в легкий процесс задания числовых параметров и получения на выходе готовой детали. Производительность оборудования напрямую зависит от параметров станочного комплекса и квалификации оператора, создающего программный код. Технология лазерной резки металлов гармонично вписывается в концепцию роботизированного производства, призванного полностью освободить человека от тяжелого труда.

Производители предлагают различные типы лазерных станков: универсальные и специализированные. Стоимость первых на порядок больше, но они позволяют производить несколько операций и выпускать детали более сложной формы. Большое количество рыночных предложений дает возможность выбора для заинтересованных потребителей.

Преимущества и недостатки

  • высокое качество обработанной поверхности;
  • экономия материала;
  • способность работы с хрупкими материалами и тонкими заготовками;
  • возможность получения деталей сложной конфигурации.

Среди минусов: высокая стоимость оборудования и расходных материалов.

Лазерная резка стали и цветных металлов пользуется большим рыночным спросом. Способность быстро выдавать чистовые детали нестандартной формы привлекает в профильные предприятия заказчиков малых партий разнообразных изделий. Лазерные технологии активно используются в декоративном творчестве при изготовлении дизайнерских украшений и оригинальных сувениров.

Решение о применении лазерной обработки должно приниматься с учетом расчета окупаемости оборудования и величине эксплуатационных расходов. В настоящее время такие установки могут себе позволить, в основном, крупные предприятия с большим производственным циклом. С развитием технологии будут снижаться стоимость станков и количество потребляемой энергии, поэтому в будущем лазерные аппараты вытеснят своих конкурентов из сферы резки любых материалов.

Лазерная резка металла: технологии и принципы работы

Лазерная резка металла признана одной из самых перспективных технологий раскроя листовых материалов, разрезания корпусных заготовок. Преимущества бесконтактного метода в высокой скорости, исключительной точности и образцовом качестве получаемого реза. По окончании кроя детали, полученные из заготовок, не требуют дальнейшей доработки, готовы для последующих операций. Гибкость настроек лазерной резки обуславливает возможность изготовления деталей сложной формы. С помощью этой прогрессивной технологии, в частности, получают:

  • комплектующие для сборки узлов машин, механизмов, летательных аппаратов, водных судов;
  • детали печных дымоходов, отопительных котлов, емкостей, резервуаров;
  • кованые изделия для ворот, калиток, ограждений, в том числе декоративные элементы;
  • торговое и промышленное оборудование;
  • комплектующие для монтажа стеллажей, изготовления эксклюзивной дизайнерской мебели;
  • трафареты, сувенирную продукцию, игрушки;
  • вывески, буквы;
  • ювелирные изделия, элементы для электроники;
  • посуду;
  • комплектующие для роботизированной техники.

Из наименования метода понятно, что лазерная резка реализуется посредством применения лазерного луча, получаемого с помощью специального оборудования. Луч фокусируют в определенном месте, где высокоплотная энергия активно разрушает материал. Линия реза плавится, металл при этом сгорает или удаляется газовой струей.

По сути при резке лазером металлический лист (стенка корпусной детали) прожигается насквозь. При этом режущая головка не касается поверхности заготовки, процесс ведется бесконтактно. Технология резки металла лазером одинаково хороша для работы с тонкими стальными листами и тугоплавкими сплавами. Направленным мощным лучом разрезают мягкие и твердые металлы: сталь, медь, алюминий, алюминиевую фольгу, серебро, сплавы, а также и другие материалы, например, стекло, пластик. Мощный поток имеет стабильные задаваемые рабочие параметры, поддерживаемые автоматически. Он не изнашивается, поэтому и рез получается идеально ровным, без сколов, зазубрин и окалины. Кромка не нуждается в шлифовании или другой механической обработке.

Крой с помощью лазерного луча демонстрирует наибольшую эффективность при штучном производстве и выпуске ограниченных партий продукции. Технология не требует предварительной подготовки форм, за счет этого экономична. Способ предпочтителен при работе с металлами с низким показателем теплопроводности. При крое материалов, легко проводящих тепло, может образовывать грат (заусенцы).

Читайте также  Как сварить стол из металла своими руками

Методы лазерной резки

Существует два основных вида резки металлов лазерным лучом:

  1. Плавление;
  2. Испарение.

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

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

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

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

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

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

Основные виды оборудования для лазерной резки

Лазерная резка металла осуществляется с помощью высокотехнологичного оборудования, которое принято классифицировать как:

  1. Газовые установки.
  2. Комплексы твердотельного типа.
  3. Газодинамические устройства.

Лазерные станки функционируют непрерывно или импульсно. В состав оборудования входит несколько узлов, каждый из которых отвечает за определенное действие, работает согласованно с остальными.

Газовые лазеры

Газовые установки отличаются компактными размерами, демонстрируют высокую мощность, рекомендованы для резки заготовок из сверхпрочных сплавов. Газ (углекислый, азот или гелий) закачивается в газоразрядную камеру, он является активным элементом. Побуждение газа выполняется посредством посыла непрерывных высокочастотных импульсов, под воздействием которых частицы газа дают монохроматическое (электромагнитное с малым разбросом частот) излучение. Наиболее распространены щелевидные газовые лазеры, активным компонентом в которых является углекислый газ. Щелевидные лазеры с поперечной прокачкой выигрывают благодаря компактности, способности вырабатывать высокую мощность, безопасности, удобству и простому управлению.

Твердотельные лазеры

Твердотельное оборудование для лазерной резки металла уступает газовым моделям по мощностным параметрам. В целом оно также обладает эксплуатационной простотой. Лазеры такого типа комплектуются твердым стержнем, изготовленным из алюмоиттриевого граната, рубина или неодимового (минерального) стекла. Возбуждение стержня осуществляется за счет непрерывной накачки световым потоком. Фокусирование и усиление излучения происходит системой отражателей, призмами, резонаторами.

Газодинамические лазеры

Газодинамические лазерные комплексы относятся к категории самого дорогостоящего оборудования. Активным веществом в них, как и в газовых, является газ, который предварительно подогревается до высоких температур. После подогрева рабочая смесь направляется в специальное сопло на сверхскорости, а затем охлаждается.

Резка материалов с помощью лазерного луча позволяет получать детали точных размеров, воплощать в реальность сложные в техническом плане задачи по изготовлению ответственных комплектующих, фигурных элементов для декорации. Этот способ обработки металлов имеет массу достоинств, как и у всех остальных технологий, у него есть свои недочеты.

Преимущества и недостатки лазерной резки

К достоинствам лазерной резки металлов принято относить:

  • Экономичность: обусловлена оперативностью процесса, высокой производительностью установок, безотходностью, отсутствием необходимости дополнительной обработки деталей.
  • Возможность кроя металлических заготовок в широком диапазоне толщин. Например, лазером можно резать нержавейку толщиной до 50 мм, алюминиевые листы толщиной от 0,2 до 20 мм.
  • Удобство выпуска ограниченных партий продукции без необходимости подготовки форм, выполнения литья и штамповки.
  • Отсутствие механического контакта лазера с обрабатываемой поверхностью: обеспечивает возможность резки тонких и хрупких заготовок без риска их повреждения.
  • Высокий уровень промышленной безопасности.

В станках для резки металлических заготовок лазером предусмотрено программное обеспечение, что значительно повышает результативность работы, исключает ошибки. В систему загружаются чертежи требуемого формата, далее программа сама обрабатывает полученные данные и выполняет настройку режимов резки. Это исключает влияние человеческого фактора, гарантирует высокую скорость и точность обработки.

К недостаткам технологии резки с применением лазера принято относить существенные расходы. Метод штамповки деталей, например, более экономичен, чем лазерная резка. Но если в общую стоимость деталей, полученных штампованием, включить сумму затрат на технологическую оснастку, то их цена фактически будет такой же, как если бы их изготавливали с помощью лазерного станка. Кроме того, к недочетам лазерной резки относят ограничения по толщине материалов.

Применение бесконтактной газолазерной резки металлов в промышленном производстве становится все более востребованным. Однако высокотехнологичный метод пока не может полностью заменить устоявшиеся способы обработки металлов резанием. Несмотря на то, что есть реальная перспектива снижения суммы затрат на реализацию лазерной резки, стоимость ее остается достаточно высокой. Таким образом резка материалов лазерным лучом является экономически оправданной при условии рационального ее внедрения, когда традиционные технологии требуют слишком больших трудозатрат и времени или применить их представляется невозможным.

_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _

Технология лазерной резки металла

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

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

Описание технологии

При применении лазерной резки вальцуемый металл подвергается влиянию эффектов отражения и поглощения излучения от лазера. Изменение габаритов и формы элементов при лазерной обработке достигается благодаря воздействию двух результатов излучения: плавления и испарения. Описание процесса заключается в следующем:

  • Лазерный луч оказывает воздействие на железо в определенной точке.
  • Сначала элементы оплавляются до оптимальной температуры, потом начинается процесс плавки металла.
  • В фазе плавления возникают углубления.
  • Влияние энергии излучения лазера приводит ко 2 фазе процесса — кипит и испаряется металлическое вещество.

Однако, последний механизм требует высоких энергозатрат и осуществим лишь для достаточно тонкого металла. Поэтому на практике резку выполняют плавлением. При этом в целях существенного сокращения затрат энергии, повышения толщины обрабатываемого металла и скорости разрезания применяется вспомогательный газ, вдуваемый в зону реза для удаления продуктов разрушения металла. Обычно в качестве вспомогательного газа используется кислород, воздух, инертный газ или азот. Такая резка называется газолазерной.

Разновидности лазерных приборов

Лазер состоит из элементов:

  • Особенного ключа энергии (системы накачки).
  • Рабочего объекта, обладающего возможностью вынужденного излучения.
  • Оптического резонатора (набор специализированных зеркал).

Принадлежность обработки к той или иной вариации определяется по методу применяемого лазера и его мощи. Сейчас имеется следующее классифицирование лазеров:

  1. Твердотельные (мощь не более 7 квт).
  2. Газовые (мощь до 22 квт).
  3. Газодинамические (мощь от 110 квт).

В производственных целях большей известностью пользуется обработка железа с твердотельным прибором. Светоизлучение может подаваться в импульсном или сплошном режиме. В качестве трудового тела применяется рубин, стекло с добавкой неодима или CaF2 (флюорит кальция). Главным достоинством твердотельных лазеров считается способность создания мощного импульса энергии за несколько секунд.

Газовые лазеры используются для обработки железа в технологических и научных целях. Активным катализатором выступает смесь газообразного азота, углекислого газа и гелия, элементы которых активизируются электрическим разрядом и дают лазерному лучу монохромность и направленность.

Огромной мощностью отличаются газодинамические устройства. Рабочее тело — углекислый газ. Сначала газ прогревается до самой высокой температуры, потом он пропускается через небольшой канал, где случается расширение и последующее охлаждение углекислого газа. В результате этой процедуры выделяется энергия, применяемая для лазерной обработки железа.

Газодинамические устройства можно применять для обработки железа с любой поверхностью. Благодаря небольшому расходу лучевой энергии, их можно разместить на расстояние от обрабатываемой части и при этом сберечь качество резки железа.

Оборудование

Лазерные устройства для резки железа состоят из элементов:

  • Специализированного излучателя (твердотельный или газовый прибор). Должен обладать нужными энергетическими и оптическими показателями.
  • Система формирования лучей и газа. Отвечает за подачу луча от цели излучения к детали, которая обрабатывается, и изменение показателей поступающего к точке рабочего газа.
  • Устройство передвижения (координации) как самого железа, так и воздействующего на него лазерного луча. А также включает в себя электроисполнительный механизм, привод и мотор.
  • АСУ (автоматизированная система управления). Регулирует лазерный луч и управляет координатным механизмом и системой транспортирования и формирования луча и газа. Снабжена разнообразными датчиками и подсистемами.
Читайте также  Краска для металлических печей термостойкая

Современный прибор резки железа способен исполнять любые трудные задачи, даже художественную резку. Их изготовлением занимаются как российские фирмы («Технолазер»), так и иностранные предприятия (немецкая фирма «Trumpf»).

Лазерная резка тонкого железа

Промышленным изготовителям удобнее применять листы металла для нарезки, чем необработанные части большой толщины. При этом можно экономить электроэнергию и применять методы резки листового железа с большей мощностью.

Методы нарезки железа, лист которого подготовлен к обработке, — это кислородная нарезка (выжигание), резка группой газов (аргон, азот) и сжатым воздухом. Среди достоинств лазерной нарезки листового железа перед прочими видами обработки возможно выделить:

  • Большую точность отдачи и нарезки лазерного луча.
  • Возникает меньше пыли на плоскости детали.
  • Маленькая вероятность нанесения повреждений листу железа.
  • Понижение энергетических затрат.
  • Формирование объемных простых конструкций с высокий скоростью и наименьшей площадью отделываемого материала.

Благодаря своим плюсам и применению точного передового оборудования, резка железа используется для создания:

  • Частей машиностроительной техники.
  • Декоративных подставок, полок, стеллажей и оснащения для торговой промышленности.
  • Составляющих котлов, емкостей, дымоходов и печей.
  • Звеньев дверей и ворот, кованных ограждений.
  • Личного дизайна шкафов и корпусов.
  • Своеобразных вывесок, букв и трафаретов.

Использование резки имеет массу преимуществ перед иными видами отделки металла. Потому все больше предприятий употребляют в своем производстве именно лазерную обработку железа.

Инновационные лазерные комплексы

Всемирная станочная индустрия идет в ногу со временем и дает своим потребителям всевозможное электрооборудование для резки железа. Многокоординатные аппараты призваны сменять громкие и низко плодотворные механические резаки. Энергия лазера зависит от специфичности производства и финансового обоснования избранного агрегата. Новейшее поколение прецессионных разделывающих станков с ЧПУ разрешают проводить отделку материалов с верностью до 0,005 мм. Метраж обработки отдельных моделей лазерных установок достигает многих квадратных метров.

Огромным достоинством считается минимизирование человеческого фактора, содержащаяся в высокой автоматизации промышленного процесса. Геометрия компонентов задается в макропрограммный блок, исполняющий управление лазером и трудовым столом с болванкой. Системы настройки фокуса машинально выбирают приемлемое расстояние для действенного резания.

Специфические теплообменники регулируют температуру лазерного агрегата, выдавая оператору контрольные сведения настоящего состояния инструмента. Лазерный механизм оснащается клапанными приспособлениями для подключения газобаллонного снабжения, чтобы снабдить подачу запасных газов в рабочую часть. Система дымоулавливания призвана улучшить расходы на вытяжную вытяжку, включая её прямо в момент обработки. Зона обработки полностью экранируется предохранительным кожухом для защищенности обслуживающего персонала.

Резка листового железа на современном оборудовании преобразуется в легкий процесс задания числовых характеристик и получения на выходе готового компонента. Продуктивность оборудования впрямую зависит от характеристик станочного комплекса и квалификации оператора, формирующего программный код. Методика резки железа пропорционально вписывается в концепцию роботизированного изготовления, призванного полностью избавить человека от тяжелого труда.

Изготовители предлагают разные типы лазерных станков:

  1. Многоцелевые.
  2. Специальные.

Стоимость первых больше, но они дают возможность производить некоторое количество операций и выпускать детали более трудной формы. Немалое количество рыночных услуг дает возможность выбора для заинтересованных покупателей.

Профессионалы машиностроительных предприятий понимают возможности использования предоставленной технологии для изготовления точных деталей с превосходной шероховатостью. Область использования обширна: от обычного раскроя листового металлопроката до приобретения сложных кузовных деталей автомашин.

Видимые плюсы нарезки железа сводятся к нескольким аспектам:

  • Высокое качество отделанной поверхности.
  • Бережливость материала.
  • Умение работы с непрочными материалами и мелкими заготовками.
  • Вероятность получения компонентов сложной конфигурации.
  • Высокая цена оснащения.
  • И расходных материалов.

Нарезка железа и цветных металлов пользуется огромным рыночным спросом. Лазерные технологии интенсивно применяются в декоративном творчестве при создании дизайнерских украшений и уникальных сувениров.

Решение об использовании обработки должно приниматься с учетом расчета окупаемости оснащения и величине рабочих расходов. В настоящее время подобные установки могут себе разрешить в основном большие предприятия с немаленьким производственным циклом. С раскручиванием технологии будут уменьшаться стоимость станков и величина употребляемой энергии, поэтому в будущем лазерные агрегаты вытеснят своих конкурентов.

Преимущества и недостатки технологии

Нарезка железных изделий имеет множество значимых преимуществ по сравнению с иными способами резки. Из многочисленных достоинств настоящей технологии стоит в обязательном порядке отметить следующие:

  1. Интервал толщины изделий, которые можно успешно подвергать гравировке, довольно широкий: сталь — от 0,2 до 22 мм, медь и латунь — от 0,3 до 16 мм, сплавы на базе алюминия — от 0,3 до 22 мм, нержавеющая сталь — до 55 мм.
  2. При применении лазерных аппаратов исключается надобность механического контакта с обрабатываемой составной частью. Это позволяет производить, таким образом, резки просто деформирующиеся и хрупкие детали, не волнуясь за то, что они будут испорчены.
  3. Получить с помощью нарезки продукт требуемой конфигурации просто для этого довольно загрузить в блок регулирования лазерного агрегата чертеж, сделанный в специальной программе. Все остальное с наименьшей степенью погрешности (достоверность до 0,2 мм) осуществит оборудование, оснащенное компьютерной системой управления.
  4. Агрегаты для выполнения нарезки могут с большой скоростью обрабатывать нетолстые листы из стали, а также фабрикаты из твердых сплавов.

Лазерная обработка способна полностью заменить дорогостоящие научно-технические операции литья и штамповки, что уместно в тех случаях, когда нужно изготовить маленькие партии продукции. Можно существенно снизить первоначальную стоимость продукции, что достигается за счет более высокой скорости и выработки процесса обработки, снижения объема остатков, отсутствия потребности в последующей механической обработке.

Наряду с высокой мощностью, приборы для лазерной обработки имеют необыкновенную универсальность, что дает возможность вычислять с их помощью задачи любого уровня сложности. В то же время для лазерной обработки характерны и определенные недостатки.

Из-за высокой силы и значительного энергопотребления оснащения для лазерной резки, первоначальная стоимость изделий, изготовленных с его использованием, выше, чем при их производстве способом штамповки. Однако это можно причислить только к тем ситуациям, когда в себестоимость штампованного элемента не включена цена производства технологической оснастки.

Лазерная резка

Лазерная резка – технология, получившая применение при обработке и разделении слоистых материалов, композитов, дерева, металла, горных пород, бумаги, полимерных пленок, керамики и пр. Она используется везде, где требуется высокая точность работ при минимальном механическом напряжении. Процесс лазерной резки предполагает быстрый локальный нагрев поверхности сфокусированным лучом лазера, вызывая плавление и испарение материала. Работы проводятся без механического контакта инструмента с обрабатываемым материалом. При этом создается высокая концентрация энергии, что позволяет обрабатывать изделия из материалов любой твердости. Также лазерной резкой сверлят отверстия, наносят риски, пазы, дорожки.

Лазерная резка: виды

К резке лазерным лучом относят несколько методов:

  1. Разделение. Предполагает сквозную резку материала. Позволяет получать отдельные детали заданной конфигурации.
  2. Термораскалывание. В месте обработки лазер создает повышенное термическое напряжение. Подходит для работ с хрупкими материалами.
  3. Скрайбирование. Метод используется при работах с полупроводниками, керамикой, ситалловыми подложками. Обеспечивает их быстрое и качественное разделение.

Первые две технологии относятся к процессам непрерывного действия. При скрайбировании зачастую применяют лазеры импульсного или импульсно-периодического типа.

Выбирая метод резки лазером, во внимание принимают вид обрабатываемого материала, его толщину, требуемый уровень качества.

Преимущества и недостатки лазерной резки

К преимуществам резки лазером относят:

  • возможность обработки любых материалов: лазер разрезает лист стали, толщиной до 40 см;
  • высокая автоматизация процесса, позволяющая получать контуры сложных пространственных форм;
  • узкий рез, который обеспечивается локальным нагревом поверхности;
  • отсутствие механического воздействия, что позволяет обрабатывать тонкие, хрупкие, легко деформируемые материалы;
  • высокая производительность процесса: скорость резки около 25 м/мин;
  • возможность точно контролировать температуру нагрева, что повышает качество работ;
  • выполнение как плоской (2D), так и трехмерной 3D резки.

Технология нашла широкое применение при резке сложных контуров и мелких деталей, что также является ее преимуществом. К недостаткам лазерной резки можно отнести дорогую стоимость оборудования и высокое энергопотребление.

Параметры качества лазерной резки металлов

Система лазерной резки – это уникальная точность и высокое качество выполнения работ на высоких скоростях. Параметры процесса резки лазером зависят от следующих критериев:

  • марка стали;
  • толщина изделия;
  • мощность излучения лазера;
  • требования к чистоте реза;
  • газ, используемый в работе.
Читайте также  Как размагнитить металл в домашних условиях

Данные параметры нормируются. Зачастую место прожига выносится за пределы вектора резки в программе станка, наделенной повышенной гибкостью настроек. При неправильном подборе скорости процесса, некорректно выставленном фокусном расстоянии, неверной скорости и мощности источника излучения качество работ заметно снизится.

Технология лазерной резки металла

Испарение

Характеризуется поглощением лазерного излучения, вследствие чего его энергия передается поверхности. Локальное повышение температуры до точки кипения происходит настолько быстро, что жидкий материал не успевает скопиться. Неметаллические материалы со сложным химическим строением разрушают методом возгонки. По мере возрастания температуры будут разделяться отдельные компоненты. Внутреннее кипение при определенной длине волны – особенности лазерной резки частично прозрачных материалов.

Один их этапов испарения – образование эрозионного факела. Предполагается удаление с поверхности пара струей, которая подается с околозвуковой скоростью. Поток также захватывает сконденсировавшиеся капли, продукты эрозии со стенок и дна каналов. В результате этого процесса, сопровождающегося повышением температуры, возникает термомеханическое напряжение и волны давления, которые и вызывают разрушение материала.

Следующий этап – экранирование поверхности. Выход пара из зоны обработки приведет к снижению плазмообразования, что повлечет за собой уменьшение интенсивности излучения. Также оно будет рассеиваться на твердых частичках и конденсате. Если совпадет частота колебаний молекул газа и лазерного луча, будет наблюдаться резонансное поглощение. Задача экранировки состоит в том, чтобы обеспечить оптимальную мощность излучающего потока. Ту, при которой удельный выброс массы будет максимальным.

В итоге устанавливается автоколебательный режим испарения, носящий самосогласованный пульсирующий характер. Данный процесс сопровождается высокими удельными энергозатратами. Применяется для сверления отверстия, скрайбирования и гравирования.

Плавление

Процесс методом плавления происходит следующим образом:

  1. Поверхность поглощает луч, приводя к испарению материала в зоне обработки. В результате образуется парогазовый канал.
  2. Жидкий расплав скапливается на стенках каналов. Процесс аналогичен лазерной сварке с глубоким проплавлением.
  3. Расплав удаляется из зоны обработки при помощи выплеска, выдувания вспомогательным газом или фонтанирования.

Используя лазеры для резки и эту технологию, обрабатывают металлы, горные породы, керамику, стекло и пр. Следует учесть, что некоторые пластики и минералы при таком излучении могут необратимо поменять свой химический состав. В определенных газовых средах нагрев лазером может дополнительно повысить тепловую энергию.В результате чего потребление энергоресурсов будет существенно снижено в сравнении с лазерной обработкой материалов методом испарения.

Термораскалывание

С использованием данной технологии разрезают лазером хрупкие материалы. Перепад температур в зоне выполнения работ приводит к появлению термоупругих напряжений, превышающих предел прочности изделия. В результате поверхность растрескивается. Распространением трещин можно управлять, корректируя режим работы луча. В сравнении с двумя предыдущими вариантами термораскалывание требует минимальных затрат мощности и энергии.

Термохимическое воздействие

Также лазерное излучение может оказывать и термохимическое воздействие на материал. Это обусловлено:

  • локальным нагревом, сопровождающегося образованием частичек с внутренней энергией, превышающей ту, которая активизирует химические реакции;
  • поглощением фотонов молекулой с ее последующим диссоциированием до уровня вступления в реакцию с другой молекулой (температура среды практически не меняется);
  • появлением радиационно-химических процессов с образованием ионов, возбужденных частиц и радикалов;
  • макроскопическим разогревом поверхности.

Необходимо современное оборудование для лазерной обработки материалов, обращайтесь в компанию «ЛЛС Марк». Менеджеры предоставят дополнительную консультацию и помогут с выбором.

Лазерная резка: как она работает

Лазерную резку используют для раскроя листовых материалов, чаще всего – металлов. Одно из ее главных отличий – возможность изготовления деталей со сложным контуром.

Принципы работы лазерной резки

Использование этого метода основано на тепловом воздействии лазерного излучения на материалы. При этом разрезаемый металл нагревается сначала до температуры плавления, а потом до температуры кипения, при которой он начинает испаряться. Лазерная резка испарением требует высоких энергозатрат, поэтому ее используют для работы с тонкими металлами.

Относительно толстые листы разрезают при температуре плавления. Чтобы облегчить этот процесс, в зону резки подается газ: азот, гелий, аргон, кислород или воздух. Его задача – удалять из зоны резки расплавленный металл и продукты его сгорания, поддерживать горение металла и охлаждать прилегающие зоны. Наиболее эффективен для этого кислород. Он заметно увеличивает скорость и глубину резки.

Подробнее о процессе лазерной резки можно узнать из видео ниже:

Параметры резки разных металлов

Скорость резки зависит не только от мощности лазера и толщины металла, но и от его теплопроводности. Чем она выше, тем интенсивнее отводится тепло из зоны резки и тем более энергозатратным будет весь процесс. Так, если лазером мощностью 600 Вт можно легко разреза́ть черные металлы или титан, то алюминий или медь, обладающие высокой теплопроводностью, обрабатывать значительно сложнее. Средние параметры для работы с разными металлами выглядят следующим образом:

Виды лазерной резки

Лазерные установки состоят из трех основных частей:

  1. Рабочей (активной) среды. Она является источником лазерного излучения.
  2. Источника энергии (системы накачки). Он создает условия, при которых начинается электромагнитное излучение.
  3. Оптического резонатора. Система зеркал, усиливающих лазерное излучение.

По типу рабочей среды лазеры для резки делят на три вида:

  1. Твердотельные. Их основным узлом является осветительная камера. В ней находятся источник энергии и твердое рабочее тело. Источником энергии служит мощная газоразрядная лампа-вспышка. В качестве рабочего тела используют стержень из неодимового стекла, рубина или алюмо-иттриевого граната, легированного неодимом или иттербием. По торцам стержня устанавливают два зеркала: отражающее и полупрозрачное. Лазерный луч, излучаемый рабочим телом, многократно отражается внутри него, усиливается в ходе отражений и выходит через полупрозрачное зеркало.

К твердотельному виду относятся и волоконные лазеры. В них излучение усиливается в стекловолокне, а источником энергии служит полупроводниковый лазер.

Так устроен твердотельный лазер

Для понимания механизма работы лазера можно рассмотреть установку с рабочим телом в виде стержня из граната, легированным неодимом. Ионы последнего и служат активными центрами. Поглощая излучение газоразрядной лампы, ионы переходят в возбужденное состояние, то есть у них появляется излишек энергии.

Ионы возвращаются в исходное состояние и отдают энергию в виде фотона – электромагнитного излучения или по-другому света. Фотон вызывает переход в обычное состояние других возбужденных ионов. В итоге процесс нарастает лавинообразно. Зеркала способствуют движению луча в определенном направлении. Многократно возвращая фотоны в рабочее тело при отражении, они способствуют образованию новых фотонов и усилению излучения. Его основные характеристики – малая расходимость луча и высокая концентрация энергии.

  1. Газовые. В них рабочим телом является углекислый газ или его смесь с азотом и гелием. Газ прокачивается насосом через газоразрядную трубку. Он возбуждается с помощью электрических разрядов. Для усиления излучения устанавливают отражающее и полупрозрачное зеркало. В зависимости от особенностей конструкции такие лазеры бывают с продольной и поперечной прокачкой, а также щелевые.

Так устроен газовый лазер с продольной прокачкой

  1. Газодинамические. Эти лазеры самые мощные. В них рабочим телом является углекислый газ, нагретый до 1 000–3 000 °К (726–2726 °С). Он возбуждается с помощью вспомогательного маломощного лазера. Газ со сверхзвуковой скоростью прокачивается через суженный посередине канал (сопло Лаваля), резко расширяется и охлаждается. В результате его атомы переходят из возбужденного в обычное состояние и газ становится источником излучения.

Схема работы газодинамического лазера

Преимущества и недостатки лазерной резки

Можно выделить следующие преимущества лазерной резки металлов:

  • Нет механического контакта с поверхностью разрезаемого металла. Это делает возможным работу с легкодеформируемыми или хрупкими материалами.
  • Можно разрезать металлы разной толщины. Сталь в пределах 0,2–30 мм, алюминиевые сплавы – 0,2–20 мм, медь и латунь – 0,2–15 мм.
  • Высокая скорость резки.
  • Возможность изготовления изделий с любой конфигурацией.
  • Чистые кромки разрезаемого металла и низкое количество отходов.
  • Высокая точность работы – до 0,1 мм.
  • Экономный расход листового металла за счет более плотной раскладки деталей на листе.

Недостатками лазерной резки считаются высокое энергопотребление, дорогое оборудование.

Назначение и критерии выбора лазерной резки

Лазерную резку используют для обработки не только металлов, но и резины, линолеума, фанеры, полипропилена, искусственного камня и даже стекла. Она востребована при изготовлении деталей для различных приборов, электротехнических устройств, сельскохозяйственных машин, судов и автомобилей. Такой способ раскроя материала используют для получения жетонов, трафаретов, указателей, табличек, декоративных элементов интерьера и многого другого.

Основной критерий выбора вида лазерной резки – тип обрабатываемого материала. Так, углекислотные лазеры подходят для резки, гравировки, сварки разных материалов – металла, резины, пластика, стекла.

Твердотельные волоконные установки оптимальны при раскрое латунных, медных, серебряных или алюминиевых листов, но не подходят для неметаллов.