Технология лазерной резки металла
Лазерная резка металла — это процесс, в котором для нагрева поверхности металлической заготовки используется лазерное излучение, представляющее собой сфокусированный, узконаправленный пучок света. Лазерный луч, получаемый путем прохождения света через оптические призмы и зеркала, имеет малую площадь поперечного сечения и высокую энергию, что позволяет ему быстро и интенсивно нагревать поверхность.
Лазеры давно и успешно применяются во многих сферах промышленности, включая лазерную маркировку, сварку и очистку. В этих технологиях используются те же принципы, что и для резки – сфокусированные лучи, высокая плотность мощности и контролируемое применение энергии. Это подчеркивает универсальность и эффективность лазеров в различных процессах металлообработки.
Взаимодействие между лазерным лучом и металлом происходит посредством потока фотонов, которые представляют собой кванты электромагнитного излучения. Правильно функционирующий станок для лазерной резки автоматически фокусируется и поддерживает стабильность лазерного луча. Процесс резки металла обычно состоит из трех этапов: нагрев металла до температуры плавления, его кипение и испарение, а затем перемещение рабочего инструмента станка по заданной траектории для вырезания нужной формы.Лазеры для резки состоят из источника энергии (системы накачки), рабочего тела, создающего излучение, и оптического резонатора (набора специальных зеркал).
Для глубокой резки используется вспомогательный газ, например, инертный газ, кислород или воздух, для удаления расплавленного металла из рабочей зоны. Машины, оснащенные вспомогательным газом, часто называют «газовыми резаками». Кислород является широко используемым вспомогательным газом, поскольку он не только способствует удалению расплавленного металла и его оксидов, но и увеличивает скорость резки.
Лазеры с ЧПУ, использующие углекислый газ, эффективно справляются со сваркой, раскроем, гравировкой металла, стекла, пластика и другого сырья. Оборудование твердотельного типа эффективно для резки алюминия, меди, серебра, латуни.
Рис. 1. Лазерная резка металлических листов
Способы резки металла. Альтернативные технологии
Есть много различных способов резки металла, каждый из которых имеет свои преимущества и применение:
Абразивная резка: Этот метод предполагает использование абразивных частиц, обычно в виде шлифовального круга или отрезного диска, для удаления металла. Он часто используется для резки твердых металлов или материалов, которые трудно поддаются обработке.
Распиловка: Для резки металла используется вращающийся диск с зубьями. Пилить можно вручную или с помощью электроинструментов, таких как ленточные или дисковые пилы. Пиление универсально и подходит для резки металла различных типов и размеров.
Резка ножницами: Процесс, при котором используется острое лезвие для разрезания металлических листов или пластин. Как правило, получаются прямые срезы, используется технология чаще всего для тонких металлических пластин.
Рис. 2. Резка металлического листа ножницами
Лазерная резка: Лазерная резка использует мощный луч для расплавления и испарения металла, в результате чего получается точный и чистый срез. Благодаря точности и скорости она широко используется для сложных конструкций, высокоточных разрезов и автоматизации. Алгоритм движения составляется исходя из заданной информации о материале (толщине, температуре плавления), она вводится в программное обеспечение, которое управляет действиями станка.
Плазменная резка: Плазменная резка предполагает пропускание высокоскоростной струи ионизированного газа (плазмы) через сопло для расплавления и раздувания металла. Она особенно эффективна для резки толстых металлов и часто используется в промышленности.
Рис. 3. Плазменная резка металла
Гидроабразивная резка: Гидроабразивная технология использует струю воды под высоким давлением, смешанную с абразивными частицами, для разъедания металла. Этот метод универсален и может резать широкий спектр материалов, включая металлы, керамику и композиты, без выделения тепла.
Рис. 4. Гидроабразивная резка металла
Электроэрозионная обработка: Использует электрические разряды для удаления материала из металла. Происходит контролируемая искра между электродом и заготовкой, разъедающая металл и создающая желаемую форму. Часто используется для сложных форм и закаленных материалов.
Рис. 5. Электроэрозионная обработка металла (EDM)
Кислородно-топливная резка: Кислородная резка основана на сжигании топливного газа (например, ацетилена) и кислорода для получения высокотемпературного пламени, которое плавит и окисляет металл. Этот метод обычно используется для резки толстых металлов, особенно черных.
Выбор метода зависит от таких факторов, как материал, желаемое качество резки, требуемая скорость и наличие оборудования.
Преимущества лазерной резки
- Высокая тепловая эффективность: Лазерная резка является более термически эффективной, так как имеет маленькую зону нагрева и не искажает материал;
- Скорость обработки: Лазерная резка в полтора раза быстрее других методов, что позволяет ускорить обработку деталей и повысить производительность;
- Плотность резки: Лазер позволяет вырезать больше деталей на одном листе. Например, при толщине листа 25 мм расстояние между деталями может составлять от 7 до 10 мм, что позволяет максимально использовать материал и повысить общую эффективность;
- Качество резки: Лазерные станки обеспечивают высококачественную обработку кромок без заусенцев, неровностей или окалины, оставляя чистые и точные срезы;
- Экономия затрат: Лазерная резка может привести к экономии затрат примерно на 20-30% по сравнению с другими методами. При лазерной резке увеличивается количество деталей, обрабатываемых на одном листе, что позволяет уменьшить расстояние между деталями и сэкономить материал;
- Универсальность: Лазерная резка позволяет обрабатывать широкий спектр металлов и сплавов, таких как сталь толщиной до 30 мм, алюминиевые сплавы толщиной до 20 мм, медь толщиной до 15 мм, латунь толщиной до 12 мм и нержавеющая сталь толщиной до 12 мм;
- Возможность работы с тонкими металлами: Лазерная резка может работать с очень тонкими металлами толщиной от 0,2 мм, не оставляя повреждений или деформации;
- Высокая скорость резки: Станки для лазерной резки могут достигать скорости резки до 60 м/ч, обеспечивая эффективное и быстрое производство;
- Минимальная обработка после резки: Детали, вырезанные лазером, часто практически не требуют дополнительной обработки кромок, что снижает необходимость в дополнительных этапах и экономит время и ресурсы;
- Широкий спектр применения: Лазерная резка используется в различных отраслях промышленности, включая обрабатывающую, автомобильную, аэрокосмическую, электронную, ювелирную и производственную.
Азот обычно используется в качестве вспомогательного газа в процессе лазерной резки нержавеющей и оцинкованной стали. Этот газ подается в рабочую зону под высоким давлением, доходящим до двадцати атмосфер.
Факторы, влияющие на качество резки
Качество лазерной резки металла зависит от нескольких факторов, в том числе:
Тип и размер детали: Различные детали могут иметь разный уровень сложности, толщины и теплопроводности, что может повлиять на процесс резки и получаемое качество.
Настройка оборудования: Правильная калибровка и настройка оборудования для лазерной резки, включая мощность лазера, фокусировку и качество луча, имеют решающее значение для получения точных и качественных срезов.
Техническое состояние: Станок с ЧПУ (компьютерное числовое управление), используемый для лазерной резки, должен быть в хорошем рабочем состоянии, с возможностью точного перемещения и позиционирования. Любые механические проблемы или неточности в работе станка могут повлиять на качество резки.
Качество макета: Дизайн макета разрезаемой детали играет важную роль для качества конечного продукта. При проектировании следует учитывать такие факторы, как отсутствие чрезмерно острых углов, обеспечение соответствующего зазора для лазерного луча и оптимизация траектории резки для эффективного и точного реза.
Мощность лазера: Мощность оборудования влияет на скорость резки и способность обрабатывать различные материалы. Более мощные лазеры могут эффективнее резать толстые материалы.
Толщина и теплопроводность материала: Эти показатели влияют на скорость резки и требуемую мощность лазера. Более толстые или высокотеплопроводные материалы могут потребовать большей мощности или специальных методов, таких как газолазерная технология с кислородом или использование инертных газов.
Вспомогательный газ: Вспомогательный газ, такой как кислород, азот или сжатый воздух, используется для удаления расплавленного или испаренного металла из зоны резки. Тип и давление вспомогательного газа могут влиять на качество резки, включая такие факторы, как шероховатость кромок и зона термического влияния. Например, кислород обычно используется для резки высокоуглеродистых сталей из-за его сильной термической реакции, а азот применяется для нержавеющей стали для предотвращения окисления и поддержания высокого качества.
Рис. 6. Необходимая мощность лазерного оборудования для резки металлов
Металлы, которые подходят для резки
Список металлов, которые можно резать лазером:
- Углеродистая сталь;
- Нержавеющая сталь;
- Алюминий;
- Титан;
- Броневая и жаропрочная сталь;
- Никелевые сплавы;
- Драгоценные металлы (например, золото, серебро, платина).
Обратите внимание, что хоть медь и латунь можно резать лазером, они имеют более высокую отражательную способность и теплопроводность, что может требовать специальных настроек и более высокой мощности лазера для достижения оптимальных результатов.
Оборудование для лазерной резки металла
Твердотельные лазеры
Наиболее распространенный тип лазерного оборудования, используемого для резки металла. Они имеют диапазон мощности до 6 кВт и работают с помощью импульсного или непрерывного излучения. В осветительном модуле располагается твердое рабочее тело и газоразрядная лампа высокой мощности. Рабочее тело может быть изготовлено из рубина, стекла с неодимом или CaF2 (флюорит кальция). Эти аппараты создают мощные импульсы за доли секунды, обеспечивая эффективную резку металла.
Газовые лазеры
Газовые лазеры — еще один вид оборудования, используемого для резки металла. Их мощность достигает 20 кВт. В газовых лазерах рабочим телом является газ, такой как азот, кислород или гелий. Атомы газа возбуждаются электрическим током для создания монохроматических и направленных лазерных лучей, которые используются для резки металла.
Газодинамические лазеры
Газодинамические лазеры — самый мощный тип лазерного оборудования, используемого для резки металла. Их мощность превышает 100 кВт. В этих установках рабочим телом является углекислый газ (CO2). СО2 сильно нагревается и проходит через трубку, сильно суженную посередине. На выходе он быстро расширяется, что приводит к охлаждению и созданию энергии для быстрой резки металла.
Данные виды лазерного оборудования предлагают различные уровни мощности и возможности для резки металлических заготовок. Выбор подходящего лазерного оборудования зависит от таких факторов, как желаемая скорость резки, толщина и тип металла, а также конкретные требования к применению.
