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

азерный 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, лазерная резка металла 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:

• твёрдотельные – основной конструктивный узел подобного устройства, осветительная камера. Здесь располагается рабочее тело (твёрдый материал), источник энергии.

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.

• Газовые – в подобных устройствах в качестве рабочего тела применяется СО₂. Вариант, смесь данного газа с иными (пример, азотом).
• 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).Газодинамические – данная разновидность самая мощная. Рабочее тело, СО₂, разогретый до температур в (726 – 2726) °С (1000-3000) °К., возбуждаемый вспомогательным лазером незначительной мощности. 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:

• плавление – наиболее востребован.

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».

• Испарение – добиться этого позволяет только оборудование значительной мощности с существенным энергопотреблением. Это не всегда является целесообразным решением с экономической точки зрения.

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:

• лазерно-кислородное резание
  

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, h_MAX = 30 мм. минимальная скорость, при этом, порядка 0.5 м/мин. Если скорость снижается, качество реза существенно падает.

• Кислородное резание в режиме LASOX, предусматривающее использование лазерного луча для поддержки процесса

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.