Лазерная резка: принципы работы, виды и особенности

Наиболее современным и экономически выгодным способом обработки металла на текущий момент является лазерная резка. Сегодня существует несколько типов оборудования, которое обеспечивает лазерную резку, раскрой металлов и ряд других операций. Понимание специфики и физических принципов, которые лежат в основе этой технологии, необходимо для качественного выполнения работ и разумной организации производственных процессов.

Как действует лазерное оборудование

В основе режущих свойств лазера лежит процесс воздействия сфокусированным лучом высокой мощности и поглощение этого излучения материалом, в результате которого возникает точечное термическое воздействие луча на материал. Результатом является то, что металл на площадке в долю квадратного миллиметра моментально плавится, закипает, испаряется или сгорает. В том месте, где воздействовал лазер, образуется ровная, гладкая линия разреза. Энергия импульса, передаваемая молекулам металла, достигает плотности 10⁸ Вт/см². Рассмотрим, как выглядит раскрой листа с точки зрения физики.

Лазерный луч представляет собой узконаправленный фотонный пучок, образующийся в результате столкновения возбужденных атомов с фотонами под воздействием электрических, оптических, химических или других факторов. При этом атомы испускают другие фотоны, когерентные первоначальным. Система зеркал или других оптических устройствконцентрируют фотоны в однонаправленный луч, который доставляется к поверхности металлического листа.

При столкновении световых частиц с атомной кристаллической решеткой металла происходит передача энергии, т. е. очень быстрый нагрев материала и переход его атомов из твердого вначале в жидкое, а затем и в газообразное состояние. Поддержание этого процесса требует достаточно высоких энергетических затрат, поэтому такой обработке, как правило, подвергаются тонколистовые материалы.

Чтобы раскроить толстый лист, материал нагревают лазером до температуры плавления, после чего раскаленные капли выдувают мощным потоком технологического газа, с одновременным охлаждением прилегающих участков листа. При использовании кислорода или воздуха температурное воздействие лазера усиливается горением, создающим добавочный нагрев. Обдув может удалять не только частицы расплавленного металла, но и продукты окислительной реакции.

Таким образом, лазерная резка представляет собой сложный комплекс процессов, в основе которых лежит точечный нагрев металла высокоэнергетическим лучом. Результатом этих процессов становится появление тонкого и гладкого пропила в материале, подвергшемся обработке.

С помощью лазерной резки, можно получить очень тонкую линию реза, ее края минимально деформируются, не окисляются, минимально изменяют свою структуру из-за нагрева. Воздействию могут подвергаться любые материалы – бумага, пластик, резина, древесина и т. д. Но наиболее эффективно лазер показал себя в обработке металлов. В сочетании с обдувом технологическими газами он воздействует на заготовки достаточно большой толщины. В частности, при продувке кислородом:

• активизирующийся окислительный процесс уменьшает потери энергии из-за отражающей способности поверхности;
• горение металла в кислородной среде увеличивает температуру в зоне реза;
• струя кислорода, подаваемого под высоким давлением, одновременно удаляет из обрабатываемой зоны капли расплава и частицы окислов, а также остужает края разреза.

Используемое для лазерной резкиоборудование при всех его преимуществах, требует достаточно существенных вложений средств. Поэтому для многих предприятий сегодня выгоднее заказывать выполнение отдельных операций в других компаниях, чем покупать высокотехнологичные станки.

Виды лазерных установок

Компания «Лазеры и технологии» специализируется на обработке металлов и других материалов лазером. Мы обладаем обширным парком оборудования для решения самых сложных задач. В станках используются твердотельные, волоконные, газовые лазерные источники, каждый из которых обладает своими особенностями.

• Твердотельные лазеры. В качестве основного узла выступает твердотельный лазер, представляющий собой камеру с кристаллическим стержнем (рубиновым, гранатовым, из неодимового стекла) и мощным источником света. Система зеркал концентрирует световой поток, проходящий через стержень, и направляет его на обрабатываемую поверхность. Такие устройства используются для обработки меди, латуни, алюминия, керамики и т. д.
• Волоконнные лазеры. Оно является разновидностью твердотельного, где в качестве рабочего тела для генерации луча используется оптоволокно, а источником света служит полупроводник. Эти установки наиболее эффективны для крупносерийного производства, когда необходимо быстро и с высокой точностью изготавливать большое количество деталей.
• Газовые лазеры. Для генерации луча используется газоразрядная трубка, которая заполняется углекислотой либо смесью из азота и гелия. Возбуждение происходит при помощи электроразрядов, а для концентрации луча необходимы обычные и полупроницаемые зеркала. Углекислотные лазеры используются не только для порезки, но и для сварки либо обработки поверхности различных материалов – нанесения надписей, обозначений или декоративных изображений.
• Газодинамическое оборудование. Рабочей средой служит углекислый газ, нагретый до 1000–3000 °К, атомы которого возбуждаются при помощи маломощного луча. Газ с высокой скоростью пропускают через сопло Лаваля, в результате чего он резко расширяется и охлаждается, при этом генерируя высокоэнергетический луч. Газодинамические установки являются наиболее мощными.

Помимо типа лазерного источника, имеет значение мощность, тип оптической системы, координатная система и ряд других.

Почему выгодно резать лазером листовой металл

Современные станки, реализующие на практике принципы лазерной резки различных материалов – это высокоэффективное оборудование, применение которого обеспечивает существенные выгоды по сравнению с традиционными методами обработки. Перечислим основные плюсы технологии.

1. Бесконтактное воздействие. В процессе распиловки рабочие части не контактируют с обрабатываемым материалом. Полностью отсутствует нажим и другие виды механического воздействия, а значит, исключается деформация – изгибы, заломы, заусенцы и др. Обработке поддаются даже самые хрупкие материалы.
2. Универсальность. Воздействие эффективно практически для всех применяемых в промышленности металлов и их сплавов, необходимо лишь подобрать оптимальный тип и мощность устройства.
3. Ускорение производства. Раскрой происходит без чрезмерного прогрева заготовок, благодаря чему сразу можно приступать к следующему этапу производства.
4. Сокращение операций. После лазерного раскроя минимизируются последующие операции по обработке края: выравнивание, шлифовка и т. д.
5. Автоматизация.Станки выпускаются с системами ЧПУ которое использует специализированное программное обеспечение. После ввода необходимых характеристик изделия изготавливаются без участия человека.
6. Точность и качество. Все детали безукоризненно соответствуют заданным параметрам. Выпуск бракованных изделий возможен либо из-за ошибки в программировании станка, либо из-за брака исходного материала.
7. Функциональность. Лазерный резак при наличии соответствующей программы изготавливает элементы сложной формы – криволинейные, с многочисленными отверстиями, с нанесением гравировки и т. д.
8. Простая перенастройка. Чтобы перейти с изготовления одного изделия на выпуск другого или подкорректировать параметры детали, нужно всего лишь ввести изменения в настройки станка. Лазерное оборудование позволяет производить изделия крупными и мелкими сериями, а также изготавливать единичные экземпляры нужных конструкционных элементов.
9. Экономичность. Компьютерный раскрой и минимальная толщина реза сводят к минимуму количество отходов и позволяют использовать материалы с высокой эффективностью. Кроме того, скорость изготовления крупносерийных партий намного выше, чем при любом другом способе обработки.
10. Безопасность. Во время резки не образуется пыли, окалины и других вредных для организма человека частиц, нет риска травмирования работника в результате аварии станка.

В то же время не следует забывать и о недостатках технологии, хотя они, в основном, лежат в экономической плоскости. К минусам часто относят:

• высокую стоимость оборудования, которая хотя и понизилась в последние годы, но все же не настолько, чтобы любой желающий мог приобрести лазерный станок;
• сравнительно высокие энергозатраты, которые сказываются на себестоимости единицы продукции, однако более современное оборудование демонстрирует существенно лучшую энергоэффективность;
• необходимость соблюдать ограничения по толщине листа и габаритам готового изделия для каждого станка.

Следует заметить, что в большинстве случаев преимущества лазерной резки намного превосходят негативные аргументы, а иногда этот способ обработки является единственно возможным – например, при обработке хрупких и очень твердых сплавов.

Особенности раскроя некоторых металлов

Фактором, усложняющим лазерную резку определенных металлов, служит их высокая теплопроводность. При нагреве тепло активно отводится из зоны реза, поэтому приходится расходовать больше энергии на их обработку, выбирать специальные режимы работы станка.

Латунь

Сплав, основными компонентами которого служат медь и цинк, достаточно сложен для обработки, поскольку:

• плавится при довольно высокой температуре – не ниже 900 °С;
• хорошо проводит тепло;
• обладает высокой твердостью.

Поэтому материал, толщина которого не превышает 5 мм, режут в импульсном режиме, а при толщине листа от 5 до 12 мм применяют плазменный метод. Для обработки латуни могут использоваться только станки с длиной волны 1 мкм – с твердотельным или волоконным лазером, поскольку луч углекислотной установки полностью отражается от поверхности такого металла. Расход энергии зависит от толщины листа, соотношения компонентов сплава и некоторых других факторов. Резка толстого материала слишком энергозатратна и поэтому невыгодна с экономической точки зрения.

Алюминий

Этот металл тоже обладает высокой теплопроводностью и плохо поглощает энергию луча: большая часть фотонов отражается от его поверхности. Однако препятствие обойти достаточно просто: нужно всего лишь повысить мощность лазера. К сожалению, доступная для обработки толщина листа и скорость раскроя при этом снижаются.

Для алюминия можно использовать как твердотельные, так и газовые установки, обладающие достаточной мощностью. Оборудование на углекислом газе может эксплуатироваться в импульсном либо постоянном режиме, тогда как твердотельные устройства – только в импульсном. Наилучший по качеству результат дает работа луча с обдувом струей чистого азота, так как в этом случае обеспечивается наиболее гладкий и ровный край детали, без малейших шероховатостей и заусенцев.

Нержавеющая сталь

Антикоррозионные качества нержавеющей стали обусловлены легирующими добавками, в качестве которых выступают хром и никель. При обработке в среде чистого кислорода эти элементы образуют тугоплавкие шлаки, особенно если приходится резать толстый лист металла. Оксиды обладают низкой текучестью и перекрывают доступ к оставшемуся металлу, затрудняя процесс резания. Поэтому для достижения наивысшего качества нержавейку обрабатывают в среде чистого азота, который подается в зону резания под давлением не меньше 20 атмосфер, чтобы удалять накапливающиеся оксиды.

Титан

Металл сочетает относительно малую плотность с высокой температурой плавления и механической прочностью. До температуры 600 °С его поверхность защищает оксидная пленка, при превышении этого уровня становится возможным интенсивное горение. Лазерно-кислородная резка для титана даже более эффективна, чем для черных сталей и происходит в несколько раз быстрее (до 5 раз).

Показатели качества лазерной резки

Основными качественными характеристиками при выполнении раскроя листового металла при помощи лазерного оборудования являются:

• шероховатость кромок, т. е. величина отклонений от идеальной прямой линии;
• ширина разреза;
• отклонение от перпендикулярности торцов (клиновидность);
• ширина области термических изменений структуры металла;
• количество грата, т. е. наплывов расплавленного металла.

На уровень качества обработки оказывают влияние многие факторы, в первую очередь – тип, мощность и другие параметры установки для резки, состав металла и его толщина, скорость движения луча, наличие, вид и степень очистки вспомогательного газа. Скорость обработки выбирают в соответствии с типом и толщиной металла. Диаметр оптического фокуса должен быть минимально возможным, с его увеличением качество резки существенно снижается. Нормативные показатели точности обработки описаны в ГОСТах 5614–74 и 26940–86.

Способы повышения качества лазерной обработки

Существуют разные способы улучшения качественных показателей работы оборудования. Наиболее эффективными из них являются следующие действия.

1. Использование чистой линзы или защитного стекла. При использовании волоконного лазера очистке подлежит стекло, которое защищает оптику рабочей головки.
2. Настройка центровки сопла. Чтобы проверить, правильно ли отцентрована режущая головка, следует натянуть ленту и пробить ее маломощным импульсом, а затем сравнить расположение отверстия с геометрическим центром сопла. Любое отклонение снижает эффективность установки, причем падение может достигать 80 %.
3. Тестирование фокуса луча. Как правило, в современном оборудовании присутствует функция автоматического тестирования фокуса. При обнаружении отклонений фокусировку корректируют. Существуют методики ручного тестирования.

Кроме того, повысить качество резки помогает настройка расхода газа, использование дополнительных средств защиты оптики и т. д. Точность работы оборудования зависит от множества индивидуальных факторов, учесть которые помогает профессионализм и многолетний опыт.

Если вам необходим лазерный раскрой металла, обратитесь в ПВЦ «Лазеры и Технологии». Предприятие более двадцати лет выполняет заказы крупных компаний, небольших мастерских и частных лиц по изготовлению различных изделий при помощи лазерного оборудования. Позвоните нам или запросите информацию, написав на наш электронный адрес. Мы с удовольствием ответим на все возникшие вопросы, а также бесплатно проконсультируем по нюансам лазерной резки любых металлов и их сплавов.