Эксперты в области
металлобработки

Что такое лазерная резка металлов

При выборе технологии резки металла следует иметь общее представление о сути процессов обработки и ожидаемых результатах.

Принципы, заложенные в основу лазерного резания

 

 

Лазерный луч (разговорное обозначение, «лазер»), представляет собой монохроматическое когерентное принудительное излучение, имеющее узкую направленность. Его возникновение в среде, являющейся активной, инициирует наружный энергетический фактор. Последний может быть химическим, оптическим (вариант, электрическим, иным). В основу положено свойство различных материалов излучать волны различной фиксированной длины.

При столкновении атомов с фотонами, являющимися когерентными, последние не поглощаются. а инициируют фотонное излучение. Луч формируют «лишние» фотоны.

В основу технологии, предусматривающей резку металла лазерным лучом, положен факт оказания им на заготовку теплового воздействия. Это разогревает её температуры плавления, повышающейся до точки кипения. При этом материал заготовки начинает испаряться.

Благодаря значительным энергозатратам, данная технология оптимальна для металлов, обладающих незначительной толщиной.

Более толстые листы режутся при создании температуры их плавления. В зону раскроя (обработки) подаётся газ. Это может быть кислород, атмосферный воздух, гелий, иной, удаляющий расплавленное вещество из зоны реза, поддерживающий горение, охлаждающий зоны заготовки, прилегающие к резу.

Лазерный луч отличается существенной концентрацией энергии, что позволяет проникать глубоко в материал заготовки, расплавляя, воспламеняя или испаряя последний, что приводит к его исчезновению.

Срез получается тонким, область реза имеет минимальную ширину. Соседние зоны подвергаются незначительным температурным нагрузкам, минимальным деформациям.

Всё это позволяет отнести процедуру лазерной резки металлов к весьма эффективным и действенным решениям. Если добавить к этому, что лазер способен работать практически по любым материалам, независимо от их размера, формы и конструктивных особенностей заготовки, можно утверждать, что подобный выбор гарантирует получение изделия надлежащего качества в оптимальные сроки.

Свойства луча лазера

Он, в отличие от обычного солнечного света, характеризуется фиксированной частотой, заданной длиной волны. Подобное свойство именуется монохромностью. Поэтому такое излучение называют монохроматическим. Подобный луч легко фокусируется на поверхности заготовки оптическими линзами.

 

Второй отличительной особенностью является когерентность. Суть данного свойства, в следующем. Множество процессов волнового характера, которые происходят в лазерном луче, резонируют между собой и полностью согласованы. Это позволяет многократно повысить совокупную мощность подобного излучения.      

Существующие типы лазеров

Производители предлагают следующие виды лазеров:

Это может быть лампа-вспышка (относящаяся к классу газоразрядных), обладающая высокой мощностью.

 

Используемое рабочее тело, рубиновый стержень (вариант: неодимовое стекло, реже, гранат алюмо-иттриевый). Последний легируется иттербием, неодимом.

В торцевых частях стержня закрепляется пара зеркал: отражающее, полупрозрачное.

Стержень формирует луч, который многократно отражается от внутренних стенок последнего, существенно усиливаясь благодаря этому. Затем выходит через сторону, где установлено полупрозрачное зеркало.

Наиболее востребованным лазером для резки металлов являются устройства данного вида, включая волоконные.

Усиление излучения происходит в стекловолокне. В роли источника необходимой энергии выступает полупроводниковый лазер.

Понять механизм работы легче, если рассмотреть его на примере конкретного изделия. Допустим, имеется твёрдотельный лазер, имеющий рабочий стержень, изготовленный из граната, который легирован неодимом.

Ионы неодима, поглощая излучение, формируемое газоразрядной лампой, возбуждаются (с образованием излишков энергии). Возвращаясь в состояние покоя, они отдают полученную энергию. Это происходит в виде излучаемых фотонов (света).

Последние возвращают в исходное остальные возбуждённые ионы, что приводит к лавинообразному развитию процесса, имеющиеся зеркала формируют нужное направление движения созданного луча. При отражении фотоны многократно возвращаются в стержень, способствуя появлению новых. Это провоцирует усиление излучения. Получается луч с существенной концентрацией энергии, минимальной расходимостью.   

 

Газы прокачиваются насосом сквозь газоразрядную трубку. Их возбуждение инициируется электрическим разрядом. Используемая система зеркал способствует усилению излучения.

Существуют версии, в которых реализованы разные варианты прокачки. Они могут быть щелевыми, иметь прокачку, осуществляемую в разных направлениях (поперечное, продольное).

 

Газ перемещается со скоростью, превышающей скорость звука, через специальное сопло, представляющее собой канал, суженный в средней части (сопло Лаваля). На выходе из него газы стремительно охлаждаются, интенсивно расширяются. При этом осуществляется переход атомов от возбуждения к покою. Газ является источником излучения.

Существующие варианты лазерной резки

Заготовки из металлов режутся лучом лазера при инициации одного из двух процессов:

При комплектации лазерного станка устройством подачи газов в место реза, которыми выдувается расплав, удалось: существенно повысить производительность подобных станков, расширить сферу их использования, минимизировать расход электроэнергии, снизить необходимую потребляемую мощность, увеличить скорость выполнения работ, повысить доступную для обработки толщину заготовки. Технически более точным наименованием будет «газолазерная резка».

 

Данное решение не подходит, когда речь идёт о необходимости обработки заготовок большой толщины. Поэтому вариант применяется только для достаточно тонких версий.

Лазерная резка металла выполняется по различным технологиям:

 

О2, в этом случае, выступает в роли режущего газа. Контактируя с горячей поверхностью металла, он инициирует окисление (процесс является экзотермической реакцией). Образующиеся окислы выдуваются струёй подаваемого газа.

Основными факторами, влияющими на производительность и качество, являются диаметр формируемого луча, скорость реза. Луч имеет d= (1-2) мм, что значительно меньше величины аналогичного показателя газовой струи.

Увеличение скорости выполнения резки металлов, уменьшение толщины заготовки снижает ширину реза (min значение < 100 мкм). При уменьшении толщины заготовки возрастает давление газового потока.

Струя формируется зазором между поверхностью заготовки и срезом сопла. Величина последнего выбирается с учётом толщины металлической заготовки. Она колеблется от 0.5 мм (для листа с h≤ 3 мм), до 3.0 мм (h≤ 30 мм). При N= 6КВт, hMAX = 30 мм. минимальная скорость, при этом, порядка 0.5 м/мин. Если скорость снижается, качество реза существенно падает.

Эта технология предусматривает предварительный прогрев поверхности толстой заготовки примерно до 1000°С. Затем подаётся кислородная струя на сверхзвуке. Именно она и режет металл. Это обеспечивает увеличение глубины выполняемого реза в сравнении с предыдущим вариантом.

 

 

Для создания сверхзвуковой скорости истечения газов требуется высокое давление (6.0-10.0) атмосфер. Ширина выполняемого реза равна d струи и превышает 3 миллиметра. Расстояние от обрабатываемой заготовки до среза установленного сопла примерно равно семи миллиметрам. Скорость резания падает (~ 0.2 м/мин), что существенно меньше, чем в предыдущем варианте. Но толщина заготовки, доступная для обработки, возрастает до 100 мм.   

Когда требуется исключить вероятность окисления краёв реза, работы выполняются в среде газов, являющихся инертными. Востребована при работе с Al сплавами, стали нержавеющих марок, титаном. При этом не предусмотрено использование дополнительного источника прогрева. Это сказывается на снижении эффективности проводимого раскроя.

Скорость реза весьма низкая. Требуется существенное давление, превышающее 10 атм. Диаметр сопла подбирается с учётом ширины заготовки. Рост последнего показателя приводит к увеличению расхода газа и стоимости выполняемых работ.

Если основным требованием является снижение теплового воздействия, оказываемого на подложку, используют данную технологию резания. Чаще всего, в микротехнологиях. Требуется весьма высокая интенсивность резки металлов.

В процессе работы подобных станков излучаются импульсы наносекундной (вариант, пикосекундной) длительности. При этом длина создаваемой волны не превышает 1 мкм. Создать излучение с подобными характеристиками позволяют твердотельные (эксимарные) лазеры (вариант, функционирующие на металлических парах). При этом КПД весьма незначителен.

Лазерно-кислородный вид резания металлов наиболее востребован (является стандартным вариантом раскроя). Остальные режимы узкоспециальные и применяются для решения конкретных задач.

Достоинства, недостатки лазерного раскроя металлов

К бесспорным достоинствам технологии относятся:

В числе недостатков следует отметить:

Компания Proflasermet предоставляет услуги по обработке металлических заготовок, включая весь комплекс лазерной резки металлов, их обработки с использованием всех существующих технологий. Развёрнутую информация о выполняемых работах и ценах на них можно получить на сайте или обратившись к менеджеру отдела продаж.     

Заявка на расчет