Установка лазерной резки металла. Тонкости производства лазерной резки

Технология лазерной резки металла – оборудование, особенности, видео

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

Промышленная резка металла с помощью лазера

Сущность лазерной резки металла

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

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

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

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

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

Процесс лазерной резки в схематичной форме

Лазерную резку металла может выполняться двумя способами:

  • плавлением металла;
  • испарением обрабатываемого металла.

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

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

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

Лазерная резка стали 10мм

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

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

Преимущества и недостатки лазерной резки

Лазерная резка металлических изделий имеет целый ряд весомых преимуществ по сравнению с другими способами резки. Из многочисленных достоинств данной технологии стоит обязательно отметить следующие.

  • Диапазон толщины изделий, которые можно успешно подвергать резке, достаточно широк: сталь – от 0,2 до 20 мм, медь и латунь – от 0,2 до 15 мм, сплавы на основе алюминия – от 0,2 до 20 мм, нержавеющая сталь – до 50 мм.
  • При использовании лазерных аппаратов исключается необходимость механического контакта с обрабатываемой деталью. Это позволяет обрабатывать таким методом резки легко деформирующиеся и хрупкие детали, не переживая за то, что они будут повреждены.
  • Получить при помощи лазерной резки изделие требуемой конфигурации просто, для этого достаточно загрузить в блок управления лазерного аппарата чертеж, выполненный в специальной программе. Все остальное с минимальной степенью погрешности (точность до 0,1 мм) выполнит оборудование, оснащенное компьютерной системой управления.
  • Аппараты для выполнения лазерной резки способны с большой скоростью обрабатывать тонкие листы из стали, а также изделия из твердых сплавов.
  • Лазерная резка металла способна полностью заменить дорогостоящие технологические операции литья и штамповки, что целесообразно в тех случаях, когда необходимо изготовить небольшие партии продукции.
  • Можно значительно снизить себестоимость продукции, что обеспечивается за счет более высокой скорости и производительности процесса резки, снижения объема отходов, отсутствия необходимости в дальнейшей механической обработке.

Резка фанеры лазером

Наряду с высокой мощностью устройства для лазерной резки обладают исключительной универсальностью, что дает возможность решать с их помощью задачи любой степени сложности. В то же время для лазерной резки металла характерны и некоторые недостатки.

  • Из-за высокой мощности и значительного энергопотребления оборудования для лазерной резки себестоимость изделий, изготовленных с его применением, выше, чем при их производстве методом штамповки. Однако это можно отнести лишь к тем ситуациям, когда в себестоимость штампованной детали не включена стоимость изготовления технологической оснастки.
  • Существуют определенные ограничения по толщине детали, подвергаемой резке.

Виды оборудования для лазерной резки

Оборудование для лазерной резки металла делится на три основных типа.

Газовые установки для лазерной резки

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

Принцип действия газового лазера

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

Принцип действия рубинового лазера

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

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

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

  • систему, отвечающую за передачу и образование газа и излучения (в состав такой системы входят сопло, устройство для подачи газа, юстировочный лазер, поворотные зеркала, оптические элементы и др.);
  • излучатель, оснащенный зеркалами резонатора, содержащий активную среду, устройства для накачки и обеспечения модуляции, если она необходима;
  • систему управления всеми параметрами работы оборудования и осуществления контроля за их соблюдением;
  • узел, обеспечивающий перемещение обрабатываемого изделия и лазерного луча.

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.

Читайте также:  Что такое серпянка. Серпянка – это что такое?

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

В результате воздействия светового луча материал заготовки проходит несколько промежуточных изменений для превращения в обработанную деталь:

  • 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.

Активный кислород, подаваемый в зону резания не только выводит продукты плавления металла и охлаждает поверхность среза, но и способствует поддержанию температуры и ускоряет режимы обработки. При лазерной резке не происходит деформации заготовки, следовательно, отсутствуют затраты материала на припуск линейных размеров и необходимость в дополнительных чистовых операциях.

Сравнительные характеристики лазерной и плазменной резки приведены

Современные лазерные комплексы

Мировая станочная индустрия идет в ногу со временем и предлагает своим потребителям самое разнообразное оборудование для лазерной резки металла. Многокоординатные аппараты призваны заменить шумные и низко производительные механические резаки. Мощность лазера зависит от специфики производства и экономического обоснования выбранного агрегата.

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

Специалисты машиностроительных предприятий понимают перспективы использования данной технологии для получения точных деталей с хорошей шероховатостью. Область применения обширна: от простого раскроя листового металлопроката до получения сложных кузовных деталей автомобилей. Явные плюсы лазерной резки металлов сводятся к нескольким резюмирующим аспектам:

  • 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.

Оборудование для лазерной резки металла – современная обработка материалов

Высокоточная, с идеальными краями и без последующей обработки, фигурная, скоростная резка металла – все это позволяет реализовать оборудование для лазерной резки металла.

1 Резка металла лазером – передовая технология металлообработки

Лазерная резка, так же как и плазменная или газовая, является немеханическим способом раскроя металла, основанном на термическом воздействии. Лазерный луч, испускаемый специальным оборудованием, направляется и концентрируется на заготовке, достигая размеров площади контакта всего в несколько микрон. При этом кристаллическая решетка разрезаемого материала разогревается до температуры плавления.

В то же время, площадь луча настолько мала, что вся заготовка во время обработки остается практически холодной, а линия реза отличается минимальной погрешностью в десятые доли миллиметра. В месте резки металл плавится и может одновременно выкипать (испаряться). Расстояние между поверхностью заготовки и рабочим органом оборудования, испускающим лазерный луч, должно быть не более нескольких сантиметров. Лазером можно выполнять точные, аккуратные разрезы металлических заготовок небольшой толщины.

Филигранность обработки настолько велика, что вышедшая из лазерной установки деталь обычно не нуждается в какой-либо завершающей обработке и может сразу использоваться или передаваться на последующий этап технологического процесса. Лазерным лучом можно не только резать металл, но и фрезеровать, делать впадины, углубления заданного размера и многое другое. Только внутреннюю резьбу выполнить невозможно. Аппарат лазерной резки применяют и для гравировки. Процесс не требует использования сложного оборудования, мощность лазера не должна быть большой.

2 Преимущества и недостатки резки металла лазером

Лазерная резка считается самой качественной и современной среди всех остальных вариантов раскроя металла. Этот новый способ позволяет выполнить разрез по заданным критериям. Лазером можно обрабатывать любые металлы, независимо от их теплопроводности.

Концентрация энергии, которую обеспечивает луч, настолько высока, что металл в месте резки плавится. При этом область термического воздействия настолько мала, что минимальна и деформация изготовленной детали. Благодаря этому лазерную резку возможно использовать в обработке нежестких металлов.

Преимущества резки металлов лазером:

  1. Заготовка не подвергается механическому воздействию – можно резать легкодеформируемые и хрупкие материалы.
  2. Возможность работы с твердыми сплавами.
  3. Высокая точность реза и идеально ровные края кромки, без заусениц, наплывов и иных дефектов.
  4. Отсутствие потребности в последующей обработке изготовленных деталей.
  5. Возможность вырезать детали любой формы, даже самой сложной.
  6. Легкость управления лазерным оборудованием – достаточно в какой-либо чертежной программе подготовить рисунок будущего изделия и перенести его в компьютер установки для резки.
  7. Высокая производительность (примерно в 10 раз быстрее, чем газовой горелкой).
  8. Высокоскоростная обработка тонколистового проката.
  9. Детали на листе металла можно разместить максимально компактно – высокая экономичность расхода материала.
  10. Экономическая эффективность при изготовлении малых партий деталей, для которых делать формы для прессования или литья нецелесообразно.

  1. Высокая стоимость оборудования.
  2. Низкая эффективность при работе со сплавами и металлами, обладающими высокими отражающими свойствами (к примеру, алюминий, нержавеющая сталь).
  3. Максимальная толщина металла 20 мм.

3 Как устроено оборудование для лазерной резки металла?

Оборудование для лазерной резки металла, как правило, состоит из ниже перечисленных основных узлов:

  • излучателя;
  • системы транспортировки и формирования излучения;
  • системы формирования газа и его транспортировки;
  • координатного устройства;
  • системы автоматизированного управления (САУ).

Излучатель генерирует лазерный пучок с требуемыми для резки, оптическими, мощностными и пространственно-временными характеристиками. Он состоит из:

  • системы накачки;
  • активного элемента;
  • резонатора;
  • устройства модуляции лазерного излучения (при необходимости).

В качестве излучателя в оборудовании для обработки металла используются газовые и твердотельные лазеры, функционирующие в непрерывном и импульсном режимах. Система транспортировки и формирования излучения передает, фокусирует и направляет пучок от излучателя на деталь, подвергаемую резке. Состав системы:

  • юстировочный лазер;
  • оптические объективы (трансформаторы);
  • оптический затвор;
  • устройство изменения плоскости поляризации;
  • поворотные зеркала;
  • система фокусировки;
  • система стабилизации фокальной плоскости и величины зазора до детали.

Система формирования газа и его транспортировки подготавливает состав требуемых параметров и подает его через сопло в зону реза. Координатное устройство обеспечивает относительное перемещение детали и лазерного луча в пространстве. Включает в себя привод, двигатели, исполнительные механизмы. САУ предназначена для управления и контроля параметрами лазера, формирования и передачи команд на предусмотренные исполнительные модули систем формирования и транспортировки излучения и газа, а также координатного устройства. САУ состоит из:

  • датчиков параметров функционирования лазера (давления, состава рабочей смеси, температуры и других);
  • датчиков рабочих параметров излучения (стабильности оси направленности, расходимости, мощности и других);
  • систем управления затвором и адаптивной оптикой;
  • системы управления работой координатного устройства.
Читайте также:  Установка потолка грильято. Грильято потолок – практичность и современность в одном флаконе

4 Лазерные установки для резки металла – принцип действия

Твердотельные лазерные установки для резки металла конструктивно более просты и, в тоже время, менее мощные, чем газовые. Величина этой характеристики для них составляет в среднем 1–6 кВт. Сердце излучателя твердотельного лазера – стержень (активный элемент) из алюмоиттриевого граната, рубина или неодимового стекла. Стержень непрерывно подвергается накачке (возбуждению) световым потоком от специальных мощных ламп. Система отражателей фокусирует лазерное излучение, резонатор его усиливает, луч передается через систему призм к головке, где происходит его окончательное формирование и подача на заготовку. Управление всеми узлами оборудования происходит автоматически по заложенным в память станка программам.

В газовых лазерах активным элементом является углекислый газ, гелий или азот, закаченные в газоразрядную камеру. Возбуждение газа производится непрерывными электрическими импульсами высокой частоты. Такая конструкция позволяет при сравнительно небольших габаритах установки получать мощности 20 кВт и более, что необходимо для резки сверхпрочных сплавов.

Лазерная головка для резки металла, куда передается луч, обеспечивает его оптимальную стабильность при раскрое и резке, а также неизменность необходимого фокусного расстояния (даже при неровной поверхности металла). Заменой линзы головки можно менять толщину обрабатываемого материала (не на всех установках). Головка оснащена концентрическим соплом, через которое под давлением подается газ, выдувающий расплавленный материал из разреза и одновременно защищающий от продуктов обработки линзу. В области резки может быть предусмотрено дымоулавливание.

В случае обдува азотом луч расплавляет, а струя газа удаляет расплавленный металл из разреза. Азот используют, когда нежелательно окисление разрезаемого материала. Например, если подавать кислород при обработке нержавеющей стали, то ее сопротивляемость коррозии существенно понизится (для обработки нержавейки пригоден только чистейший азот). Резка алюминиевых деталей в кислороде сопровождается образованием неровных, с заусенцами срезов. При обработке в азоте материал только плавится, но не испаряется и не горит. Температура резки ниже, чем с кислородом, но и меньше скорость работы. Фокус луча обычно должен находиться у противоположной от источника излучения стороны листа.

При использовании кислорода температура резки выше, чем с другими газами. Как следствие, увеличивается скорость обработки и возможная толщина листа металла, который при некоторых условиях частично испаряется. Все это является следствием того, что кислород, попадая на поверхность раскаленного лазерным лучом металла, вступает с последним в реакцию окисления, которая сопровождается выделением тепла. Скорость резки тем выше, чем чище кислород. Для лазерной резки могут использоваться и другие газы – выбор зависит от вида и толщины металла, предполагаемой последующей обработки.

Технологии

Немного истории создания установок лазерной резки

Первый лазер создал Теодором Майманом в 1960 в лаборатории Хьюза. Где впервые методом оптической накачки активной среды (рубина) было получено вынужденное оптическое излучение – лазерное излучение. Первые технологические лазеры создавались в СССР и внедрены в промышленность на советских заводах. Лазер – квантовый прибор, генерирующий когерентное, монохроматическое, электромагнитное излучение оптического диапазона длин волн. LASER – это аббревиатура: LIGHT AMPLFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION – Усиление Света посредствам Вынужденного Излучения.

Преимущества лазерной обработки:

  • незначительная зона термического воздействия
  • с химической точки зрения процесс является чистым
  • незначительная последующая механическая обработка
  • безконтактность процесса
  • легкость автоматизации
  • высокая производительность


Типы источников

Широкое практическое применение получили следующие виды источников: твердотельные, газовые, полупроводниковые.

    Твердотельный – квантовый генератор, в котором активной средой является твердое вещество – кристалл. Наиболее распространены лазеры на рубине, стекле с неодимом и гранатах с неодимом. Накачка производится посредствам излучения. Кристаллы выполняют в форме стержней с зеркальным покрытием. Источниками накачки могут быть: ксеноновые лампы, криптоновые лампы, галогенные лампы, ртутные лампы высокого давления.

Газовые лазеры (CO2 лазеры) – квантовый генератор, в котором активное вещество газ. Среду накачивают высоковольтными, электрическими разрядами: электроны соударяясь с атомами газа, переводят их на следующие энергетические уровни.

Полупроводниковые лазеры – излучающие переходы совершаются в полупроводниковом материале парой широких энергетических зон. Накачка осуществляется инжекцией через гетеропереход, а также электронным пучком. Работают в импульсном и непрерывном режимах.

На сегодня, в машиностроении, твердотельные лазерные установки одержали сокрушительную победу над СO2- лазерами благодаря развитию оптоволоконных лазеров. Простота технологии производства и эксплуатации волоконного источника позволила удешевить технологию производства автоматизированных лазерных установок портального типа. Что сделало их самыми востребованным видом оборудования, если речь заходит о раскрое листового металла.

Волоконные лазеры. Относятся к твердотельным и являются, по сути, их логическим продолжением. Активной средой служит кристалл иттербия, Yb, длиной несколько десятков метров, диаметром 6-8мкм. Сердцевина обернута кварцевой оболочкой (шириной 400-600мкм). Сердцевину, то есть кристалл иттербия накачивают излучением от диодов. Излучение направляют прямо в кварцевую оболочку по всей длине. Оптоволоконные лазеры обладают весьма высокой эффективностью (до 80%) преобразования оптического в лазерное излучение.

В атомах иттербия происходят физические процессы, которые приводят к возникновению лазерного излучения. На концах волокна, на сердцевине делают два дифракционных зеркала в форме набора насечек, которые служат резонатором. В итоге, на выходе получаем идеальный, одномодовый пучок, с равномерным распределением мощности, что делает возможным сфокусировать пятно меньшего размера и получить большую, по сравнению с обычными твердотельными лазерами – глубину резкости.

В оптоволоконном лазере отсутствуют дефекты которые мешали получению максимальной эффективности твердотельных систем:

– отсутствует термолинза в кристалле

– искажение волнового фронта из-за дефектов в кристалле

– девиация пучка со временем

Излучение до выхода из устройства не соприкасается с окружающей средой, это обуславливает его надежность, высокую устойчивость к внешним механическим и климатическим воздействиям. Оптоволоконный генератор проще в изготовлении, у него значительный ресурс работы и он практически не нуждается в обслуживании при эксплуатации. Также легко управляется по мощности, при этом время включения и выключения до полной мощности составляет десятки микросекунд.

Сравнение эффективности резания металлов оптоволоконными и CO2-лазерами

Крайне актуальная тема для потенциальных заказчиков, а также, для тех, кто задумывается сменить СO2 лазерную установку на оптоволоконную.

  • Транспортировка лазерного луча от резонатора к режущей головки идет по оптоволоконному кабелю, в результате чего не происходит потеря энергии
  • Длина волны в инфракрасном диапазоне -1,07 мкм (СO2-10,6 мкм) позволяет уменьшить ширину реза, а соответственно, и точность резки
  • В отличии от CO2-лазеров оптоволоконные лазеры не боятся вибрации и не требуют постоянной юстировки зеркал

Сравнение скоростей на примере резки конкретных сталей

Конструкционная сталь

Зависимость скорости резания конструкционной стали от ее толщины

Заготовка: специальная лазерная конструкционная сталь

Режущий газ: кислород О2

Мощность лазеров:

  • Оптоволоконные YLR – 1000 и 4000В т
  • СО2 лазер – 3000 Вт

Выводы:

  • При толщине до 2мм скорость резания оптоволоконных лазеров быстрее
  • При толщине от 2 до 5мм скорости СО2-лазера и оптоволоконного лазера одинаковые, но мощность оптоволоконного (1000 Вт) в три раза меньше

Нержавеющая сталь

Зависимость скорости резания нержавеющей стали от ее толщины

Заготовка: нержавеющая сталь

Режущий газ: азот N2

Мощность лазеров:

  • Оптоволоконные YLR – 1000 и 4000В т
  • СО2 лазер – 3000 Вт

Выводы:

  • При толщине 1-5мм у оптоволоконного лазера 1000 Вт и СО2-лазера 3000 Вт графики практически совпадают
  • Но на всем диапазоне толщины от 1-10мм вне конкуренции скорость резания оптоволоконного лазера 4000 Вт

Алюминий

Зависимость скорости резания сплава алюминия ALMg3 от его толщины

Заготовка: сплав алюминия ALMg3

Режущий газ: азот N2

Мощность лазеров:

  • Оптоволоконные YLR – 1000 и 4000В т
  • СО2 лазер – 3000 Вт

Применяемый газ при лазерной резке

    Кислородная лазерная резка – применяется для резки конструкционных углеродистых сталей (черная сталь). Для нее характерна высокая скорость резки, так как к процессу лазерного нагрева подключается химическая реакция окисления с выделением тепла. Это увеличивает скорость расплавления металла и позволяет вести обработку на высоких скоростях.

  • Резка инертными газами – при резке легированных сталей, алюминия, латуни, меди, никеля и его сплавов – применяют азот. Титан вступает в химическую реакцию с азотом, образуя хрупкий и ломкий нитрид, поэтому при резке титана используют аргон. При резке азотом (аргоном) скорость процесса меньше, так как нет дополнительного источника тепла и требуется больше времени для нагрева металла до расплавления. Также для удаления продуктов расплава из зоны резания, во избежание получения грата необходимо вести резку при более высоком давлении.
  • Резка кислородом легированных сталей затруднена тем, что легирующие элементы образуют с кислородом тугоплавкие оксиды, которые значительно затрудняют процесс лазерной резки.

    Преимущества и недостатки лазерной резки

    Лазерная резка металла — наиболее прогрессивный процесс обработки металлов. Она позволяет создавать высококачественные элементы из таких металлов и сплавов, как латунь, медь, легированная, инструментальная и нержавеющая стали, титан, алюминиевые сплавы и др.

    Лазер достаточно широко применяется в различных областях промышленности. Благодаря высокой точности и сложноконтурному раскрою на сегодняшний день он является лучшей альтернативой механической обработке металлов, инструментами которой выступают фрезы, ножовочные полотна, ленточные пилы. Лазерная резка также способна облегчить производственный процесс и упростить его разработку.

    Сфокусированный лазерный луч размером до 0,004 предоставляет возможность создавать сложные детали с очень острыми углами. Так как процесс лазерной резки является бесконтактным, благодаря чему можно разрезать даже самые тонкие металлы. Основное преимущество лазерной резки — отсутствие режущих инструментов, которые быстро изнашиваются или ломаются. Это позволяет значительно сократить время простоя оборудования, а также затраты на техническое обслуживание. Второе его достоинство — точность резки, которое не ухудшается со временем.

    Существуют два типа лазеров:
    — твердотельные (YAG лазеры), мощность которых, как правило, не превышает 1-6 кВт, а длина волны — 1 мкм;
    — газовые (СО2-лазеры) с мощностью 50-15000 Вт, активной средой которых является гелий, аргон, азот, а также углекислый газ.

    Оба типа лазеров работают в импульсном и непрерывном режимах.

    Сегодня компании, которые занимающиеся лазерной резкой металла, предлагают своим клиентам усовершенствованные лазерные системы. Некоторые лазерные оборудования имеют обновленную систему управления: монитор, клавиатуру. Улучшения также реализованы в программном обеспечении платформы, в котором предусмотрен новый мультиязычный интерфейс. Кроме того, многие лазерные системы имеют функцию автоматического фокуса, передовые емкостные датчики высоты и полностью интегрированную систему машинного зрения.

    Преимущества и недостатки лазерной резки

    — высокая точность;
    — отсутствие нагрева разрезаемых изделий;
    —создание сложных и объемных конструкций;
    — легкость управления;
    — высокое качество поверхностей реза;
    — возможность создания высококачественной продукции;
    — не вызывает деформацию материалов;
    — отсутствие механического воздействия на изделие;
    — бесконтактный раскрой;
    — применение для резки металлов, которые обладают высокой теплопроводностью;
    — изготовление достаточно сложных и хрупких изделий;
    — автоматизация раскроя материала;
    — отсутствие запылённости;

    — позволяет резать таких материалы, как дерево, пластик, ткань, картон, а также кожа;
    — обработка материалов, подверженных риску деформации;
    — отсутствие перегрева заготовки;
    — небольшие сроки изготовления;
    — небольшая зона теплового воздействия.

    — не подходит для толстостенного металла
    — сравнительно высокая стоимость;
    — многие параметры, такие как эффективность, зависят от типа лазера;
    — ограничение по тощине;
    — невозможность проведения пуклевки, вытяжных работ, а также жалюзовки;
    — непостоянная скорость производства;
    — ограничение по габаритам. Максимальный размер разрезаемого листа 1500 на 3000 мм;
    — неправильная эксплуатация может привести к сожжению материала.

    Особенности резки некоторых видов металлов и сплавов

    Чистый титан хорошо реагирует на концентрированную тепловую энергию сфокусированного лазерного луча. Использование кислорода позволяет увеличивать скорость резки, но при этом он аккумулирует большой оксидный слой вдоль линии реза, который, однако, относительно легко удаляется кислородной струей.

    Из-за теплопроводности алюминия, а также высокого коэффициента отражения от длины волны, его резка требует использования лазера, обладающего исключительно высокой точностью луча и мощностью не менее 500 Вт в дополнение к точной фокусировке. В процессе резки вспомогательный газ, в первую очередь, служит для удаления расплавленного металл из области реза. Это позволяет добиться лучшее качество резки металла, нежели при использовании ленточной пилы.

    Медь и латунь могут поглощать некоторое количество энергии, но в основном ведут себя как алюминий.

    По многим характеристикам инструментальная сталь похожа на легированную. Она хорошо поддается режущему действию лазера.

    Нержавеющая сталь

    Благодаря тому, что клиенты все чаще заказывают различные детали из нержавеющей стали, лазерная резка становится одной из самых востребуемых услуг. Контролируемая тепловая мощность лазерного луча служит для минимизации ЗТВ (зоны термического влияния) вдоль области реза, таким образом, помогая материалу сохранять свою устойчивость к коррозии. Однако при этом скорость разки слегка снижается, поскольку нержавеющая сталь не вступает в реакцию с кислородом.

    Большинство сталей считаются идеальным материалом для лазерной резки. Такие высокопрочные металлы, как AISI-SAE 4130 (хромомолибденовая сталь) и 4340 (хромоникелевомолибденовая сталь), показывают исключительную точность лазерной резки. Благодаря этому на поверхности реза отсутствует шероховатость.

    Технологические преимущества лазерной резки:

    — изготовленная деталь приобретает идеальную линию среза, которая не нуждается в дополнительной обработке;
    — вследствие оптимизации раскроя листа металла значительно сокращается количество отходов;
    — контурная резка металла абсолютно любой сложности;
    — возможность вырезать отверстия сверхмалого диаметра и работать с наиболее хрупкими и тонкими материалами;
    — увеличение производительности благодаря работе на максимальной скорости лазерного раскроя;
    — значительно упрощает обработку деталей из толстых сплавов различных форм;
    — предоставляет возможность воплотить в жизнь неординарные и самые смелые авторские идеи.

    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:

    Малоуглеродистая стальИнструментальная стальНержавеющая

    стальТитанТолщина, мм1,01,22,23,01,01,32,53,20,61,0Мощность лазера, Вт100400850400100400400400250600Скорость резания, м/мин1,64,61,81,70,944,61,271,150,21,5

    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.

    Рейтинг
    ( Пока оценок нет )
    Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
    Remontpodomy.ru
    Добавить комментарий

    ;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: