Лазерная резка металла принцип работы

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).

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.

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.

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.

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»).

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.

резка металла лазером

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.

Характеристики станков

Оборудование для лазерной резки делается рамочного типа. Это означает, что максимально допустимый размер заготовки ограничен габаритами рабочего стола. Изменение положения режущей головки относительно листа металла происходит во время движения каретки. Заранее составляется программа по обработке.

Эти компоненты определяют основные характеристики станка:

• размер рабочего стола;
• максимальная глубина реза;
• скорость обработки – мм/с;
• точность позиционирования;
• степень автоматизации работы.

В последнем случае используется ЧПУ с возможностью внесения алгоритмов движения луча по заготовке. Они составляются с помощью специального программного обеспечения. Нужно учитывать, что номинальная мощность лазера не изменяется. Контролировать глубину реза можно только временем воздействия луча на определенный участок листа.

Принципы работы лазерных станков

Какой принцип работы лазерной резки? Лазерный резак — это тип станков с ЧПУ (с числовым программным управлением). Это означает, что он управляется с помощью компьютера. Дизайнер может спроектировать что-то в специальной программе для лазерной резки и дизайна, а затем отправить его на станок для лазерной резки, чтобы он вырезал созданный дизайн.

После того, как дизайн отправляется на станок для лазерной резки с ЧПУ, станок активирует лазерный луч для вырезания материала. Лазерные резаки — отличный универсальный инструмент, потому что их можно использовать для создания самых разных стилей дизайна. Станки лазерной резки используются для чего угодно, от прототипов карт до растровых изображений.

Обычные лазерные резаки в основном используются для резки таких материалов, как дерево, пластмассы, бумаги и картона, хотя есть более мощные лазерные резаки, которые могут разрезать металлы и более толстые материалы.

Лазерные резаки могут быть очень быстрыми и могут производить детали за несколько минут. Как и 3D-принтеры , лазерные резаки — это машины для быстрого прототипирования; они позволяют дизайнерам быстро и дешево дорабатывать свои проекты, прежде чем они начнут выпускать продукты в более крупных масштабах.

Оборудование для лазерной резки металла.

Для выполнения таких технологических процессов обработки металлических листов используется специальное оборудование – лазерные станки.

В зависимости от особенностей принципов выполнения работы установки бывают таких видов:

• Твердотельные станки для лазерной резки металла – активно применяются для корректной, быстрой и эффективной обработки изделий из алюминия и алюминиевых сплавов различных составов, медных листов и заготовок из латуни.

Установка укомплектована диодом и специальной формы стержнем. Такая деталь изготавливается из рубина, гранита или определенных видов стекла.

Принцип работы такого станка заключается в проекции заряда энергии на стержень для его перенаправления на поверхность, которую необходимо обработать.

Дополнительными компонентами, которые позволяют повысить эффективность работы установки, точность и мощность проведения процедуры нарезки элементов, являются зеркала и призма.

• Волоконные приборы – основой генерации лазера является оптоволокно. Такие компоненты обеспечивают выполнение больших объемов производства деталей за достаточно короткое время с возможностью точно устанавливать необходимые размеры и параметры нарезки.
• Газовые станки в качестве генератора используют гелий, азот или углекислый газ. Особенности применения таких компонентов позволяют просто и эффективно обрабатывать прочные и крепкие сплавы металлических листов.

Выбрать оптимальный вариант оборудования для получения желаемых результатов, точно и аккуратно созданных конкретных деталей просто с учетом типа металлического сплава.

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.

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.

Лазерная обработка металла от ржавчины

Это еще распространенная сфера применения. Она основана на том, что световое излучение в первую очередь воздействует на окисленные элементы, то есть на коррозию, а только после этого, более продолжительное действие, станет разрушительным. Таким способом убирают не только очаги ржавления, но и другие загрязнения.

Технология очистки

Поверхность поглощает излучение, происходит один из процессов:

• Образовавшаяся окись подвергается тепловому лучу, отшелушивается. Затем потребуется шлифовка.
• Нагрев приводит к расплавлению коррозии.
• Загрязненные элементы испаряются с поверхности.

Исход процедуры зависит от материала. Сперва следует определить химический состав ржавчины и ее температуру плавления. Обычно она выше, чем у стали, и составляет около 1580 – 1650 градусов.

Устройство для удаления ржавых дефектов

Аппарат должен иметь мощность не менее 10 в 6 степени Вт/см2. Необходимый диаметр потока фотонов – от 100 мм. Нельзя применять такой же прибор, как и для резки. Здесь нужно дорогостоящее оборудование, цена на одну единицу – около 10 тысяч рублей. Это небольшой станок, отличающийся своей мобильностью.

Плюсы и минусы лазерной резки металлов

К преимуществам лазерной резки мы можем отнести:

• высокую точность работы, позволяющую изготавливать детали сложной конфигурации, а также изделия, имеющие дизайнерскую ценность, и декоративные элементы;
• возможность экономно расходовать металл за счет очень малой площади сечения лазерного луча и низкого процента отходов;
• способность работать с очень тонкими металлами без нанесения повреждений и деформации;
• высокую скорость резки, достигающую 60 м/ч;
• отсутствие необходимости дополнительно обрабатывать кромки полученных деталей после резки лазером;
• возможность обрабатывать разные металлы и сплавы.

Из недостатков следует выделить ограничение по толщине разрезаемого листового металла и высокую стоимость установок.