Как работает лазерная резка металла?

Лазерная резка: специфика процесса, оборудование, материалы

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.

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.

Разновидности лазерного раскроя

Оборудование для лазерной резки металла обязательно состоит из источника энергии (системы накачки), рабочего тела, создающего излучение, и оптического резонатора (набора специализированных зеркал). Исходя из мощности применяемых лазеров, станки подразделяются на три типа:

• Твердотельные (мощность до 6 кВт). Это самое распространённое лазерное оборудование, работающее за счёт импульсного или непрерывного излучения. В этом случае рабочее тело выполнено из рубина, стекла с неодимом или CaF2 (флюорит кальция). Главное преимущество данных станков – создаётся мощный импульс за долю секунды.
• Газовые (до 20 кВт). В этих установках рабочее тело представлено газом (азотом, кислородом, гелием), атомы которого под действием электрического тока возбуждаются, вследствие чего и создаются монохроматичные, направленные лазерные лучи.
• Газодинамические (мощность превышает 100 кВт). Станки с наиболее мощными лазерами, в которых рабочее тело представлено углекислым газом. При сильном нагревании СО2 проходит по сильно зауженной в середине трубке, а на выходе сильно расширяется, что приводит к его охлаждению и созданию энергии для быстрой резки металлических заготовок.

Если рассматривать принцип раскроя, стоит выделить такие виды лазерной резки металла:

• лазерно-кислородную;
• кислородную с поддержкой лазерными лучами;
• инертно-газовую;
• лазерную испарительную (сублимационную).

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.

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.

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.

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.

Технология лазерной резки металлов

Процедура резки достаточно проста. Лазер – это тонкий луч, который на металлической заготовке образует точку. Металл на этой точке быстро нагревается до температуры плавления и начинает закипать, а затем испаряться. Если режется тонкий металлический элемент, то это происходит именно так. С толстыми деталями немного сложнее, потому что большое количество металла не может испаряться. Поэтому в технологию добавляют газ, который выдувает расплавленный металл из зоны реза. В качестве газа можно использовать кислород, азот, любой инертный газ или обычный воздух.

Виды лазерной резки

В основе технологического процесса лежат несколько элементов, которые и определяют процесс резки металлов лазером. А именно:

• источник энергии;
• рабочий элемент, который и образует лазерный поток;
• блок, в состав которого входят специальные зеркала, такой прибор называется оптический резонатор.

Именно рабочий элемент и создает классификацию лазерных установок, в которых сам режущий инструмент разделяется по мощности.

1. Мощностью не больше 6 кВт – называются твердотельными.
2. 6-20 кВт – это газовые.
3. 20-100 кВт – газодинамические.

К первой позиции относятся технологии, в которых используется твердое тело: рубин или специальное стекло с добавками флюорита кальция. Такие лазеры могут создать мощный импульс буквально за несколько долей секунд, к тому же они работают как в импульсном режиме реза, так и в непрерывном.

Вторая позиция – это лазер на основе газовой смеси, которая нагревается электрическим током. Электроэнергия придает направленному потоку газов монохромность и направленность. В состав смеси входят углекислый газ, азот и гелий.

Третья позиция – это также газовый лазер на основе углекислого газа. Газ нагревают и пропускают через узкий проход, где он остывает и расширяется одновременно. При этом выделяется огромная тепловая энергия, которая и режет металл большой толщины. Точность реза высокая, потому что данный вид лазера обладает большой мощностью. При этом расход энергии луча небольшой.

Режимы резки

Параметров, которые влияют на резку, достаточно много. Это и скорость проводимого процесса, и мощность лазера, его плотность, фокусное расстояние, диаметр луча, состав излучения, вид и марка разрезаемого металла. К примеру, низкоуглеродистые стали режутся быстрее, чем нержавейка, почти на 30%. Если кислород заменить обычным воздухом, то скорость реза снижается почти в два раза. Скорость резки алюминия лазером мощностью 1 кВт составляет в среднем 12 м/с, титана – 9 м/с. Эти показатели соответствуют технологии, в которой применяется кислород.

Выбирая определенный режим резки, необходимо понимать, что от выбранных параметров будет напрямую зависеть и качество реза. Оно характеризуется точностью вырезанной детали, шириною реза, шероховатостью поверхности образованных кромок, их ровностью, наличием на них оплавленного металла (грата), зоной температурного влияния лазера (глубиною). Но, как показывают исследования, на качество больше всего влияет скорость резки и толщина заготовки.

Для примера можно привести показатели качества лазерного процесса, который производился при мощности 1 кВт, с использованием кислорода, газ подавался в зону резки под давлением 0,5 МПа. При этом диаметр сфокусированной точки составлял 0,2 мм.

Есть еще один параметр резки металлов при помощи лазера – это точность. Определяется она в процентном соотношении и зависит от качества самого технологического процесса. Требования к данному параметру основываются на толщине разрезаемой детали и на том, для каких нужд данная заготовка будет использована. Что касается толщины, то погрешность может составлять 0,1-0,5 мм, если лазером разрезается металлический профиль толщиною до 10 мм.

Какие установки используют для лазерной резки металла

Для лазерной резки металла можно использовать три вида установок:

1. В твердотельных в качестве рабочего тела используют соединения редкоземельных элементов или кристаллы (сапфир, гранат, рубин).
2. В газовых – смеси инертных газов.
3. В волоконных – оптическое волокно.

Рабочее тело – это основная часть лазерной установки, которая и создает поток фотонов, воздействующих на металл. Для этого его заряжают (накачивают) с помощью источника энергии. Им может быть импульсная или дуговая лампа, лазерный диод, электрический разрядник или взрывчатое вещество.

Современные высокоточные установки лазерной резки металла с ЧПУ способны обрабатывать заготовки площадью несколько квадратных метров и обеспечивать точность работы до 0,005 мм. За счет автоматизации процесса в них минимизирован человеческий фактор.

Так, управление рабочим столом и лазером выполняет программный блок, эффективность резки обеспечивает автоматическая система настройки фокуса, за поддержание температуры установки в приемлемых пределах отвечают теплообменники, а клапанные механизмы своевременно подают в зону реза вспомогательный газ.

Конструкции: ворота заборы и другие

Станки с лазерной установкой используются в обработке металлических и деревянных изделий, на предприятиях по производству упаковки и изготовлению резиновых прокладок, в швейных и обувных ателье и других производственных сферах. Следует отметить, что для резки неметаллических материалов эффективны в основном газолазерные установки с углекислым газом в качестве рабочего тела.

Из всего перечисленного многообразия видов деятельности выделяются следующие конструкции, выпускающиеся на лазерных станках.

• Заборы, ворота. Лазерная резка способна превратить обычные ворота и забор в настоящий арт-объект, входящий в создаваемый ландшафтный дизайн, например, дачного участка.
• Двери. Технология лазерной резки помимо повышения точности и скорости изготовления металлических дверей позволяет воплощать различные дизайнерские идеи.
• Сувенирная продукция. Ассортимент достаточно широк — от брелоков до различных видов художественной упаковки.
• Производство мебели с декоративными элементами интерьера. Изделия выполняются с очень точным выделением художественных элементов деталей, что отсутствует при использовании механических инструментов — резца или фрезы.
• Чехлы для обивки автомобильных кресел. Лазер обрабатывает любой из многочисленных применяемых в технологии изготовления чехлов материалов (искусственная и натуральная кожа, замша, велюр и многие другие прочные и износостойкие ткани). Высокая точность кроя сокращает время изготовления чехлов.
• Производство игрушек. Технология позволяет делать раскрой даже для самых маленьких мягких игрушек. Возможность получения гладкого реза важна для деревянных игрушек предназначенных малышам. Программные лазерные станки достаточно легко перестраиваются от серийных к индивидуальным заказам и обратно при производстве игрушек типа конструкторов, кубиков, пирамидок, развивающих игр и других.