24artstroy.ru

Строительный журнал
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Лазерная резка: специфика процесса, оборудование, материалы

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

Лазеры используют в различных отраслях экономики – от медицины до развлекательной техники. Резку стали промышленным лазером стали применить в конце прошлого века, и они завоевали популярность на машиностроительных предприятиях самого широкого профиля: от аэрокосмических до производства бытовой техники. Кроме резки, с помощью лазера осуществляется и сварка металлов.

На производственных предприятиях используют следующие виды оптических излучателей:

  • твердотельные, усиление светового пучка происходит в кристалле из искусственного рубина, а для накачки импульса применяются мощные светодиоды или разрядные лампы;
  • газовые, световой импульс зарождается в объеме ионизированного инертного газа;
  • волоконные, рабочая зона выполнена из оптоволокна.

Волоконные устройства особенно хорошо подходят для резки цветных металлов и нержавеющих сплавов. Благодаря особым свойствам среды испускаемый лазерный луч мало рассеивается об отражающую поверхность детали.

Газовые излучатели развивают самую большую мощность.

Разновидности лазерных приборов

Лазер состоит из элементов:

  • Особенного ключа энергии (системы накачки).
  • Рабочего объекта, обладающего возможностью вынужденного излучения.
  • Оптического резонатора (набор специализированных зеркал).

Принадлежность обработки к той или иной вариации определяется по методу применяемого лазера и его мощи. Сейчас имеется следующее классифицирование лазеров:

  1. Твердотельные (мощь не более 7 квт).
  2. Газовые (мощь до 22 квт).
  3. Газодинамические (мощь от 110 квт).

В производственных целях большей известностью пользуется обработка железа с твердотельным прибором. Светоизлучение может подаваться в импульсном или сплошном режиме. В качестве трудового тела применяется рубин, стекло с добавкой неодима или CaF2 (флюорит кальция). Главным достоинством твердотельных лазеров считается способность создания мощного импульса энергии за несколько секунд.

Газовые лазеры используются для обработки железа в технологических и научных целях. Активным катализатором выступает смесь газообразного азота, углекислого газа и гелия, элементы которых активизируются электрическим разрядом и дают лазерному лучу монохромность и направленность.

Огромной мощностью отличаются газодинамические устройства. Рабочее тело — углекислый газ. Сначала газ прогревается до самой высокой температуры, потом он пропускается через небольшой канал, где случается расширение и последующее охлаждение углекислого газа. В результате этой процедуры выделяется энергия, применяемая для лазерной обработки железа.

Газодинамические устройства можно применять для обработки железа с любой поверхностью. Благодаря небольшому расходу лучевой энергии, их можно разместить на расстояние от обрабатываемой части и при этом сберечь качество резки железа.

Сущность работы

В станках, которые используются для лазерной резки металлов, главным инструментом резки является луч лазера, его довольно просто сфокусировать самостоятельно на почти любой поверхности. Разрушение металла под действием луча лазера происходит за счет высокой плотности энергии, которая поступает от него непосредственно на поверхность. Этого возможно добиться благодаря некоторым уникальным особенностям лазерного луча:

  • Во-первых, луч имеет монохроматичность, а это обозначает, что показатели длины и частоты волны все время имеют постоянные данные.
  • Во-вторых, лазерный луч можно сконцентрировать даже на маленьком участке обрабатываемого металла.
  • В-третьих, луч лазера имеет когерентность, а это обозначает, что его показатели мощности повышаются в десятки раз за счет резонанса, который вызывается некоторыми видами колебаний.

В рабочем участке луча этого типа происходит прогрев поверхности до такой температуры, при которой металл может расплавиться. На протяжении короткого времени плавление металла увеличивается и происходит перемещение фазы непосредственно плавления в металлический слой. При повышении температуры плавления металл может достичь критической точки кипения, в итоге, происходит процесс испарения.

Резка металла на лазерных станках может происходить по двум отдельным схемам, а именно:

  • С помощью плавления;
  • С помощью испарения.

Процедура испарения подразумевает довольно высокие затраты электроэнергии, а это непосредственно влияет на повышение затрат и зачастую целесообразно. Также с помощью испарения отрезать толстый лист металла довольно сложно, а потому этот способ, как правило, используется для резки тонкой стали.

Наиболее распространен способ резки поверхностей металла с помощью плавления. В данном случае, чтобы уменьшить затраты на эксплуатацию оборудования, повысить его эффективность и работать с толстым материалом, в процесс работы дополнительно добавляют специальный состав газа, а это уже совершенно иная технология.

Благодаря введению в процесс резки на лазерных станках газовой смеси, получается повысить уровень окисляемости металла, сделать выше добавочную теплоту, а также не допустить на кромках образование налета. Иногда эти устройства для лазерной резки применяют, в том числе, и для гравировки поверхности металла по установленным параметрам.

Читать еще:  Лазерные диоды для резки фанеры

Приобрести это оборудование — это обозначает перейти на абсолютно новый уровень в самостоятельной обработке поверхностей металла.

Преимущества и недостатки

На разных промышленных предприятиях применяют самые различные способы порезки металлических поверхностей, но самым совершенным является именно лазерный способ.

Сегодня приобрести станок, который используется для самостоятельной гравировки и порезки металлических изделий, можно в специализированных магазинах. Это оборудование имеет несколько явных преимуществ, в отличие от остальных аналогичных устройств.

С помощью станка для лазерной порезки можно проводить работы с металлами почти любой толщины. Устройство можно использовать для порезки алюминиевых сплавов, а также нержавеющей стали. Нужно отметить то, что это оборудование не имеет непосредственного механического контакта с металлической обрабатываемой поверхностью, а это обозначает то, что повреждения и деформация исключаются.

Благодаря тому, что аппараты для лазерной резки оборудуются управляющими устройствами, их управление происходит с помощью программы. В данном случае раскройка заготовки сперва делается в чертежном варианте, затем в виде файлов загружается в устройство и затем станок производит все нужные действия автоматически.

Нужно заметить и то, что на станках этого класса есть возможность производить порезку металлических деталей своими руками на высокой скорости, в числе которых, и твердосплавные изделия.

Для изготовления небольших партий изделий на аппаратах для лазерной резки не нужно применять разные пресс-формы или формы, что уменьшает материальные затраты, и цену изделий.

Нужно заметить и то, что процесс гравировки и порезки металлических изделий на лазерном оборудовании происходит с довольно большой скоростью, что значительно повышает производительность, а, помимо этого, экономно израсходуется разделочный материал.

На станках этого класса довольно просто все нужные операции проводить своими руками, помимо этого, эти устройства имеют высокую функциональность и универсальность.

К недостаткам эксплуатации лазерных станков можно отнести то, что обработка деталей происходит немного дороже, нежели на штамповочном оборудовании, но лишь в том случае, если в расчет не берется цена непосредственно штампа. Помимо этого, оборудование лазерного типа имеет определенные ограничения по толщине обрабатываемых поверхностей материала.

Устройство станка

Если приобрести на производство устройство для лазерной резки металлических поверхностей, то есть возможность перейти на абсолютно другой уровень возможностей. Эти станки имеют не только повышенную универсальность, но и высокую функциональность, что дает возможность решать почти любые задачи.

Управление станком этого типа своими руками происходит с помощью специального компьютерного обеспечения, которое почти полностью исключает участие людей в процессе работы.

Сегодня используется несколько разных видов лазерных станков, которые применяются для обработки металлических поверхностей. Так, есть газовые лазерные станки, где газ играет роль рабочего тела.

В данном случае во время процесса работы смесь газа прокачивается сквозь специальную трубку прямо в рабочее пространство луча, в котором атомы газа преобразуются в активное энергетическое состояние. Эти функциональные станки очень просто управляются и имеют высокую эффективность.

На производствах можно еще видеть лазерные твердотопливные станки, где в составе в обязательном порядке находится такое оборудование, как лампа накачки, с помощью которой на рабочую плоскость передается нужное излучение. Эти станки могут работать или в импульсном режиме, или и в постоянном рабочем состоянии.

Еще одной разновидностью лазерных устройств является газодинамическое оборудование. По своей конструкции они чем-то напоминают газовое оборудование, но отличаются от вторых тем, что в них нужно нагревать проходящий газ до необходимой температуры. Оборудование этого вида является довольно дорогим, а его установка не всегда является целесообразной с точки зрения экономии.

Любое из вышеперечисленных устройств в обязательном порядке включает в конструкцию системы излучения и преобразования, специального излучателя, который оборудован зеркалами резонатора, и функциональной системой управления, которая обеспечивает выполнение всех требуемых рабочих процессов в автоматическом режиме.

Основные виды оборудования для лазерной резки

Лазерная резка металла осуществляется с помощью высокотехнологичного оборудования, которое принято классифицировать как:

  1. Газовые установки.
  2. Комплексы твердотельного типа.
  3. Газодинамические устройства.

Лазерные станки функционируют непрерывно или импульсно. В состав оборудования входит несколько узлов, каждый из которых отвечает за определенное действие, работает согласованно с остальными.

Газовые лазеры

Газовые установки отличаются компактными размерами, демонстрируют высокую мощность, рекомендованы для резки заготовок из сверхпрочных сплавов. Газ (углекислый, азот или гелий) закачивается в газоразрядную камеру, он является активным элементом. Побуждение газа выполняется посредством посыла непрерывных высокочастотных импульсов, под воздействием которых частицы газа дают монохроматическое (электромагнитное с малым разбросом частот) излучение. Наиболее распространены щелевидные газовые лазеры, активным компонентом в которых является углекислый газ. Щелевидные лазеры с поперечной прокачкой выигрывают благодаря компактности, способности вырабатывать высокую мощность, безопасности, удобству и простому управлению.

Твердотельные лазеры

Твердотельное оборудование для лазерной резки металла уступает газовым моделям по мощностным параметрам. В целом оно также обладает эксплуатационной простотой. Лазеры такого типа комплектуются твердым стержнем, изготовленным из алюмоиттриевого граната, рубина или неодимового (минерального) стекла. Возбуждение стержня осуществляется за счет непрерывной накачки световым потоком. Фокусирование и усиление излучения происходит системой отражателей, призмами, резонаторами.

Читать еще:  Плазменная резка труб большого диаметра

Газодинамические лазеры

Газодинамические лазерные комплексы относятся к категории самого дорогостоящего оборудования. Активным веществом в них, как и в газовых, является газ, который предварительно подогревается до высоких температур. После подогрева рабочая смесь направляется в специальное сопло на сверхскорости, а затем охлаждается.

Резка материалов с помощью лазерного луча позволяет получать детали точных размеров, воплощать в реальность сложные в техническом плане задачи по изготовлению ответственных комплектующих, фигурных элементов для декорации. Этот способ обработки металлов имеет массу достоинств, как и у всех остальных технологий, у него есть свои недочеты.

Принцип работы оборудования лазерной резки металла

Конструкция аппаратов намного проще и компактнее, но обладают они большей мощностью, чем другое оборудование для обработки металла механическим способом.

Главным элементом аппарата является стержень, который является сердцем излучателя. Благодаря чему непрерывному световому потоку стержень возбуждается и накачивается.

Специальная система задает лучу фокус, а резонаторы придают ему необходимую для плавления силу.

Все узлы аппарата управляются программно с помощью автоматизации и заложенного в память станка ПО.

Самым используемым и продуктивным газом в аппаратах является кислород, так как при его использовании возможно достичь наибольшей температуры в сравнении с использованием других газов. Это происходит за счет реакции, которая получается при соприкосновении кислорода с раскаленной поверхностью металла. От чистоты кислорода зависит скорость обработки.

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.

Толщина заготовки, ммОптимальная скорость резки, м/сШирина реза, ммШероховатость кромок, мкмНеперпендикулярность, мм
110-110,1-0,1510-150,04-0,06
36-70,3-0,3530-350,08-0,12
53-40,4-0,4540-500,1-0,15
100,8-1,150,6-0,6570-80
Читать еще:  Станок для резки пенополистирола своими руками

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.

Мощность лазера для раскроя металлических заготовок различной толщины

Резка лучом лазера термическая, дает возможность добиться точности, почти полностью исключающей необходимость в дальнейшей обработке. Чтобы повысить эффективность, применяются различные газы: кислород, углекислый газ, азот, водород, гелий, аргон. Выбор зависит от вида материала, толщины заготовки, планов по поводу последующей обработки. Если для раскроя требуется очень высокая температура, используется кислород. Для работы с цирконием или титаном подходит только аргон.

Любой лазерное оборудование состоит из:

  • механизма (системы), обеспечивающего подачу энергии;
  • тела, генерирующего луч (твердого, волоконного, в виде смеси газов);
  • зеркал (резонатора).

В твердотельное лазерное оборудование размещается диод и стерженек, изготовленный из рубина, неодима или граната. В волоконных лазерах элементом, генерирующим луч, (иногда и резонатором) служит оптическое волокно. В газовом оборудовании используются газы или их смеси. Мощность и сфера применения полностью зависят от вида оборудования:

  • твердотелые (для латуни, меди, алюминия и сплавов из него) – 1-6 кВт;

  • газовые – до 20 кВт;

  • СО2-лазеры (для любых тонких металлических заготовок) – 600-8000 кВт;
  • газодимамические – от 150 кВт.

Для резки металла мощность лазера 450-500 Вт (кроме цветных металлов, для которых требуется от 1 кВт). Наиболее эффективен этот способ при толщине заготовок, толщина которых не превышает 6 мм. При 20-40 мм лазерное оборудование применяется редко. Для металла большой толщины лазерная резка (от 40 мм) почти не встречается.

Зависимость мощности от толщины заготовки

Толщина заготовки (мм)

Сталь (легированная, углеродистая)

Для обработки легированной и углеродистой стали в качестве вспомогательного элемента используется кислород, для нержавеющей стали – азот с давлением до 20 атмосфер. Цветные металлы и алюминий отличаются высокой теплопроводностью и низким уровнем поглощения лазерного луча. Для раскроя этих материалов используется твердотелый лазер, работающий в режиме импульсов.

Важно! Для резки металла толщиной 1мм выбор мощности лазера зависит от вида материала. Для стали достаточно 100 Вт, для титана необходимо 600 Вт.

Что можно изготовить при помощи лазерной резки

Обрабатываемые материалы (максимальный размер заготовки 3000 х 1500 мм)

  • черная сталь, чья толщина может достигать 20 мм;
  • нержавеющая сталь с толщиной до 12 мм;
  • алюминий толщиной до 10 мм.

Особенности лазерной резки металла

Эксперты в области обработки метала считают, что во время резки металла необходимо использовать инновационные технологии, так это позволит сократить издержки и достичь куда лучшее результата, нежели при использовании традиционных методов и технологий.

Чего можно достичь благодаря лазерной резки

Данный способ позволяет резать пластик и металл с исключительно высокой скоростью, достичь которую другими методами просто невозможно. Это может быть очень важно, если речь идёт о компании, которая занимается резкой в больших объёмах. С помощью лазерной резки она сможет удовлетворить запросы куда большего количества клиентов, что самым положительным образом скажется на её уровне заработка.

Также благодаря этому методу можно вести работы даже с твердосплавными материалами.

Нельзя забывать и про то, что данный способ отлично подходит для работы в импульсном режиме.

Ещё один результат, который представляет интерес для компаний, работающих в сфере производства, касается минимизации теплового воздействия на материал.

Характеристики лазерного луча, которые важны во время обработки пластика и металла

Лазерный луч отличается такими свойствами, как монохроматичность, а также когерентность и направленность. Именно высочайший уровень когерентности может дать нужный резонанс, способный значительно повысить силу излучения. Направленность же, в свою очередь, позволит сосредоточить луч на выбранном участке поверхности даже в том случае, если площадь участка ничтожно мала.

Монохроматичность позволяет сфокусировать оптическую линзу с куда меньшими усилиями оператора.

Недостатки лазерной резки

Недостатков у лазерной резки сравнительно немного. В частности, этот метод ни в коем случае нельзя назвать универсальным, ведь для каждого типа обрабатываемого материала существует сразу несколько параметров: по мощности лазера, использовании дополнительного газа, соблюдения высоких мер безопасности и других особенностей ведения работ.

Также не получится провести раскрой с некоторыми видами материалов. Среди них есть и достаточно популярные материалы, используемые повсеместно: поликарбонат, гетинакс, сотовый поликарбонат и полипропилен, текстолит и другими.

Лазерная резка — это лучший выбор, если речь идёт о работе с металлами или пластиком. Эти материалы отлично подходят для ведения работ, ведь достоинства лазерной резки позволят сэкономить силы, время и деньги.

Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector