Лазерная резка металла: описание, принцип работы, особенности, применение

Резка лазером применяется для разрезания листового металла толщиной до 80 мм и труб разного сечения. В последние годы такие резаки стали вытеснять другие станки, поскольку технология применения лазеров быстро развивается, и эффективность оборудования возрастает.

Процесс разрезания материала лазером довольно прост. Направленный поток фотонной энергии поглощает поверхность материала, в результате выделяется тепло, которое расплавляет металл, а иногда и доводит до испарения. В лазерных станках процесс резки занимает доли секунд.

Чтобы оснастить предприятие эффективным оборудованием, необходимо знать принцип лазерной резки металла, изучить основные виды установок и правильно выбрать производителя. К примеру, заслуживают доверия лазерные станки бренда SENFENG для резки металла. На производстве для изготовления оборудования используются современные технологии. Производитель предлагает как простые недорогие станки, так и крупные установки резки лазером с ЧПУ.

Принцип работы лазера для резки металла

Лазер работает по принципу усиления направленного потока света путем вынужденного излучения. В последнее время лазеры стали чаще использоваться для обрабатывающей отрасли промышленности. Они применяются для соединения, термообработки, сверления отверстий, гравировки. Принцип работы лазерной резки металла отличается от других видов обработки, поскольку требуется более высокая мощность и меньшее время взаимодействия с поверхностью.

Лазер генерируется источником света большой интенсивности внутри отражающего резонатора, содержащего стержень, который создает излучение. Благодаря направленному источнику света в стержне стимулируются атомы. Пучки фотонов заряжают атомы энергией. В результате генерируется вынужденное излучение.

На концах лазерного стержня находятся параллельно направленные зеркала, по которым перпендикулярно двигаются заряженные фотоны. Одно зеркало обладает пропускающей способностью и выводит часть света из стержня. Этот поток света и есть лазерный луч, с помощью которого разрезается металл. Второй комплект зеркал направляет поток света в линзу, фокусирующуюся на металлической поверхности. В некоторых моделях станков вместо дополнительных зеркал используется волоконная оптика.

Лазеры делят на 3 типа: оптоволоконные, СО2, Nd-YAG. Отличия состоят в используемом материале, с помощью которого генерируется лазерный луч.

CO2-лазеры

Этот тип лазеров используется довольно давно. И на сегодняшний день, хотя и относится к устаревшей технологии, успешно применяется на производствах. СО2-лазер образует газоразрядную среду, наполненную 10-20 процентами азота и двуокиси углерода со следами водорода, ксенона и гелия. Лазерное излучение получается с помощью разряда электрического тока, который проходит через генерирующую среду. В результате происходит возбуждение молекул азота, и излучение выходит на более высокий энергетический уровень.

Резонирующие зеркала отражают излучаемые фотоны на длинах волн 10,6 или 9,6 мкм. Одно из зеркал выпускает инфракрасный луч, который и разрезает металл. После того как молекулы СО2 выпустят инфракрасный свет, они приходят в первоначальное состояние и возвращают легированным атомам гелия остаток энергии.

Оптоволокно

Оптоволоконные лазеры относятся к более новым разработкам. С помощью оптоволокна лазеры генерируют волны разной длины с низкими потерями энергии, что способствует наиболее точному и эффективному разрезанию материала. Для направления пучка света применяется оптический кабель из световодов, заключенных в одну оболочку. В результате получается идеально прямой лазерный луч, который отличается большей точностью попадания.

Первый контакт луча с поверхностью должен быть более интенсивным, чтобы пронзить материал. Для этого в станках применяется мощный импульсный луч для просверливания сквозного отверстия за несколько секунд. В это же время поток воздуха на высокой скорости удаляет мусор. Большая выходная мощность и качество луча обеспечивают более чистую режущую кромку на поверхности.

Установки с оптоволоконными лазерами чаще всего компьютеризованы. Оператор управляет станком с помощью ЧПУ, что позволяет задавать параметры резки и получать данные о происходящих процессах. По сравнению с другими видами резаков, оптоволоконные станки обеспечивают лучшее качество резки при более высокой скорости и меньшем количестве отходов.

Кристаллические лазеры

Особенности лазерной резки металла этого типа заключаются в использовании кристалла иттриево-алюминиевого граната, легированного неодимом. Между двумя зеркалами внутри стержня помещается кристалл. Одно зеркало полностью отражает луч, а второе – наполовину. Фотоны накачиваются с помощью ксеноновой или криптоновой лампы. Может использоваться и серия лазерных диодов.

Неодим иттриево-алюминиево-гранатовые лазеры обладают высокой плотностью мощности, благодаря чему успешно применяются для травления и маркировки. Но для резки подходят меньше из-за высоких эксплуатационных расходов при средней эффективности.

Методы резки лазером

Лазеры различаются не только типом генерирующих луч сред, но и способом удаления материала в месте разреза. Существует 4 основных метода лазерной резки: плавление, сублимация, реактивная реакция и термическое напряжение.

Плавление

Для плавления требуется источник энергии невысокой мощности. Лазерный луч точечно нагревает металлическую поверхность, что приводит к ее расплавлению. В это время из коаксиального сопла выпускается струя вспомогательного газа, которая вытесняет материал из глубины реза. Такой способ чаще применяется для резки неокисляющихся или активных металлов, таких как нержавеющая сталь, титан, алюминиевые сплавы.

Сублимация

При сублимации материал из твердого состояния переходит в газообразное, минуя фазу превращения в жидкость. Сначала лазерный луч делает пропил, куда направляется поток мощной энергии с минимально возможным плавлением. Сублимация создает в месте пропила высокое давление, которое разрушает стенки, вытесняет материал на поверхность и превращает его в газообразное состояние. В результате получается более тонкая кромка без наплывов расплавленного металла, что уменьшает затраты на последующую обработку деталей.

Описание лазерной резки металла реактивным способом

Для выработки большого количества тепла за счет реакции с металлом применяется реактивный газ. Интенсивный луч направляется в место реза и расплавляет поверхность. В это время из коаксиального кабеля выходит газообразный кислород, который вступает в реакцию с расплавленным металлом. Этот процесс экзотермический и приводит к выделению тепла, которое полностью расплавляет материал. Под давлением кислородной струи расплавленные оксиды металлов удаляются с места реза.

Скорость резки реактивным способом довольно высокая. Но те виды оксидов металлов, которые не вступают в реакцию с кислородом, образуют кромку на поверхности. Поэтому реактивный метод используется больше для углеродистой стали, титана и других легко окисляемых металлов.

Термическое напряжение

Сначала лазерный луч делает пропил на глубину около одной трети толщины материала. Затем лазер создает локальное напряжение путем точечного нагрева. Точка нагрева образует вокруг себя сжимающие силы. Когда место нагрева немного остывает, возникает термическое напряжение. В результате образуется трещина в месте пропила, которая и приводит к разделению материала.

Преимущества и сфера применения лазерной резки

Лазерные станки используются для разрезания меди, алюминия, титана, разных видов стали, также прочих металлов и сплавов. Установки, оснащенные лазерными устройствами, способны разрезать не только листовой металл, но также круглые и прямоугольные трубы.

Плюсы резки металлов лазером:

• нет необходимости менять инструмент для разных видов разрезов;
• получается точный рез с точностью до +/-0,1 мм;
• создается возможность выполнять точные копии деталей;
• лазеры могут разрезать сложные материалы, не поддающиеся другим способам обработки – титан и стальные суперсплавы;
• превосходит по скорости другие способы резки металла в несколько раз в зависимости от мощности лазера;
• поскольку расплавленный материал практически полностью сдувается вспомогательным газом, на кромке не возникает остаточное напряжение;
• благодаря автоматизации процесса задействуется меньше рабочей силы;
• качество реза получается намного лучше с тонкими кромками без наплывов и с минимальным количеством отходов;
• отсутствует механическое трение с материалом обработки, что сокращает эксплуатационные расходы станков.

Несмотря на тот факт, что лазерное оборудование стоит дороже, это выгодные инвестиции. Станки дольше работают, требуют меньше эксплуатационных расходов. Процесс резки проходит быстрее, исключается вероятность ошибки и брака заготовок. Рез получается более тонким и ровным, что важно для некоторых отраслей промышленности, где требуется высокая точность.

Благодаря преимуществам лазерные станки постепенно вытесняют другие виды резаков. Установки применяются в разных отраслях промышленности – машино- и приборостроении, при изготовлении разных видов оборудования, медицинской техники, кухонной утвари, рекламных вывесок. Применяются лазерные резаки в оборонной промышленности, изготовлении сельскохозяйственной техники.