лазерная резка металла что это такое
Лазерная резка металла: что это такое, плюсы и минусы
Лазерная резка в профессиональных кругах обозначена как Laser Beam Cutting или же сокращенно LBC по своей сути предусматривает нагревание того или иного участка изделия и его последующее разрушение посредством луча лазера.
Суть и технология лазерной резки
Луч лазера фокусируют на небольшом участке изделия и формируют на поверхности высокой плотности энергию, достаточной для обработки металла. Например, для быстрого плавления металла необходима плотность в 108 Ватт на 1 см. кв., и при данном показателе можно добиться таких свойств лазерной установки:
Независимо от площади и свойств обрабатываемой поверхности, свойства луча лазера и процесса обработки будут протекать одинаково. Достигается это за сет распространения тепла на поверхности обрабатываемого объекта. В области, на которую направлен луч лазера идет нагрев изделия до уровня необходимой температуры плавления – за определенный промежуток времени металл еще больше нагревается и сам процесс плавления идет в его глубь. При необходимости можно добиться уровня кипения металла и фиксация его испарения.
Все это дает возможность проводить резку металла по 2 специальным схемам:
Согласно методу испарения – его применяют при повышенных расхода электроэнергии. Но это не всегда экономически выгодно с позиции экономии, да и метода подходит лишь для обработки тонкого листа стали.
Потому чаще всего обработку проводят методом плавления и для снижения затрат энергии увеличивается сама скорость процесса резки металла, можно обрабатывать более толстый слой металла. Часто специалисты вдувают в сам процесс лазерной резки дополнительный состав газа – инертный или азотный, кислородный.
В частности, сам вспомогательный состав газа может выполнять следующие функции и задачи:
Плюсы и минусы резки металла лазером
Раскрой металла лазером имеет массу положительных характеристик:
Помимо этого, станок лазерной резки можно назвать универсальным – на нем можно производить практически любые детали, независимо от их сложности.
Если говорить о минусах резки лазером, то тут можно выделить такие моменты:
Установка лазера для резки – что это?
На современном рынке лазерных установок представлены самые разнообразные модели, с разным уровнем мощности. Условно их можно поделить на такие типы:
Комплектация каждого станка для лазерной резки металла лазером включает в себя такие составляющие:
Технология лазерной резки металла – оборудование, особенности, видео
Лазерная резка, или LBC (Laser Beam Cutting), как она обозначается во всем мире, – это процесс, при котором материал в зоне реза нагревается, а затем разрушается при помощи лазера.
Промышленная резка металла с помощью лазера
Сущность лазерной резки металла
Лазерная резка металла, как понятно из ее названия, выполняется при помощи луча лазера, получаемого при помощи специальной установки. Свойства такого луча позволяют фокусировать его на поверхности небольшой площади, создавая при этом энергию, характеризующуюся высокой плотностью. Это приводит к тому, что любой материал начинает активно разрушаться (плавиться, сгорать, испаряться и т.д.).
Станок лазерной резки металла, к примеру, позволяет концентрировать на поверхности обрабатываемого изделия энергию, плотность которой составляет 10 8 Ватт на один квадратный сантиметр. Для того чтобы понять, как удается добиться такого эффекта, необходимо разобраться, какими свойствами обладает лазерный луч:
Процессы, происходящие при резке металла с использованием лазера, хорошо заметны на приведенных в статье видео. При воздействии луча на поверхность металла происходит быстрое нагревание и последующее расплавление подвергаемой обработке площади.
Быстрому распространению зоны плавления вглубь обрабатываемого изделия способствуют несколько факторов, в том числе и теплопроводность самого материала. Дальнейшее воздействие лазерного луча на поверхность изделия приводит к тому, что температура в зоне контакта доходит до точки кипения и обрабатываемый материал начинает испаряться.
Процесс лазерной резки в схематичной форме
Лазерную резку металла может выполняться двумя способами:
Для того чтобы выполнить резку металла методом испарения, требуется большая мощность оборудования и, как следствие, значительные энергозатраты, что не всегда целесообразно с экономической точки зрения. Ограничивают использование такого метода и строгие требования к толщине обрабатываемых изделий. Именно поэтому данный метод используют только для резки тонкостенных деталей.
Значительно большее распространение получила лазерная резка металла методом плавления. В последнее время лазерную резку методом плавления все чаще проводят с использованием газов (кислород, азот, воздух, инертные газы), которые с помощью специальных установок вдувают в зону реза (видео этого процесса можно легко найти в Сети).
Такая технология позволяет снизить энергозатраты, повысить скорость работы, использовать оборудование небольшой мощности для резки металла большой толщины. Конечно, это нельзя считать лазерной резкой в чистом виде, правильнее будет называть его газолазерной технологией.
Лазерная резка стали 10мм
Использование кислорода в качестве вспомогательного газа при выполнении лазерной резки позволяет одновременно решить такие важные задачи, как:
Преимущества и недостатки лазерной резки
Лазерная резка металлических изделий имеет целый ряд весомых преимуществ по сравнению с другими способами резки. Из многочисленных достоинств данной технологии стоит обязательно отметить следующие.
Резка фанеры лазером
Наряду с высокой мощностью устройства для лазерной резки обладают исключительной универсальностью, что дает возможность решать с их помощью задачи любой степени сложности. В то же время для лазерной резки металла характерны и некоторые недостатки.
Виды оборудования для лазерной резки
Оборудование для лазерной резки металла делится на три основных типа.
Газовые установки для лазерной резки
Газы в таких установках, использующиеся в качестве рабочего тела, могут прокачиваться по продольной или поперечной схеме. Принцип работы таких лазеров заключается в возбуждении атомов газа под действием электрического разряда, вследствие чего частицы начинают излучать монохроматический свет. Большое распространение в современной промышленности нашли щелевидные установки, работающие на углекислом газе. Они достаточно компактные, при этом мощные и отличаются простотой в эксплуатации (в Интернете достаточно много видео, на которых показана работа таких установок).
Принцип действия газового лазера
Конструкция такого оборудования состоит из двух основных элементов: лампы накачки и рабочего тела, в качестве которого чаще всего используется стержень из искусственного рубина. В состав последнего также включен неодим иттриевого граната. Лампа накачки в таких аппаратах необходима для того, чтобы передать на рабочее тело требуемое излучение. Чаще всего такие установки для лазерной резки работают в импульсном режиме, но есть и модели, функционирующие непрерывно.
Принцип действия рубинового лазера
В газодинамических установках рабочий газ предварительно нагревается до 2–3 тысяч градусов, затем на высокой скорости (выше скорости звука) пропускается через специальное сопло, а после этого охлаждается. Такое оборудование является очень дорогостоящим, как и сам процесс формирования лазерного луча, поэтому его использование очень ограничено.
Если посмотреть видео работы лазерной установки, то очень сложно определить, к какой группе она относится. Для этого необходимо получить представление об устройстве такого оборудования.
Любое оборудование для выполнения лазерной резки, к какой бы группе оно ни принадлежало, содержит следующие элементы:
Лазерная резка: как она работает
Лазерную резку используют для раскроя листовых материалов, чаще всего – металлов. Одно из ее главных отличий – возможность изготовления деталей со сложным контуром.
Принципы работы лазерной резки
Использование этого метода основано на тепловом воздействии лазерного излучения на материалы. При этом разрезаемый металл нагревается сначала до температуры плавления, а потом до температуры кипения, при которой он начинает испаряться. Лазерная резка испарением требует высоких энергозатрат, поэтому ее используют для работы с тонкими металлами.
Относительно толстые листы разрезают при температуре плавления. Чтобы облегчить этот процесс, в зону резки подается газ: азот, гелий, аргон, кислород или воздух. Его задача – удалять из зоны резки расплавленный металл и продукты его сгорания, поддерживать горение металла и охлаждать прилегающие зоны. Наиболее эффективен для этого кислород. Он заметно увеличивает скорость и глубину резки.
Подробнее о процессе лазерной резки можно узнать из видео ниже:
Параметры резки разных металлов
Скорость резки зависит не только от мощности лазера и толщины металла, но и от его теплопроводности. Чем она выше, тем интенсивнее отводится тепло из зоны резки и тем более энергозатратным будет весь процесс. Так, если лазером мощностью 600 Вт можно легко разреза́ть черные металлы или титан, то алюминий или медь, обладающие высокой теплопроводностью, обрабатывать значительно сложнее. Средние параметры для работы с разными металлами выглядят следующим образом:
сталь
Виды лазерной резки
Лазерные установки состоят из трех основных частей:
По типу рабочей среды лазеры для резки делят на три вида:
К твердотельному виду относятся и волоконные лазеры. В них излучение усиливается в стекловолокне, а источником энергии служит полупроводниковый лазер.
Так устроен твердотельный лазер
Для понимания механизма работы лазера можно рассмотреть установку с рабочим телом в виде стержня из граната, легированным неодимом. Ионы последнего и служат активными центрами. Поглощая излучение газоразрядной лампы, ионы переходят в возбужденное состояние, то есть у них появляется излишек энергии.
Ионы возвращаются в исходное состояние и отдают энергию в виде фотона – электромагнитного излучения или по-другому света. Фотон вызывает переход в обычное состояние других возбужденных ионов. В итоге процесс нарастает лавинообразно. Зеркала способствуют движению луча в определенном направлении. Многократно возвращая фотоны в рабочее тело при отражении, они способствуют образованию новых фотонов и усилению излучения. Его основные характеристики – малая расходимость луча и высокая концентрация энергии.
Так устроен газовый лазер с продольной прокачкой
Схема работы газодинамического лазера
Преимущества и недостатки лазерной резки
Можно выделить следующие преимущества лазерной резки металлов:
Недостатками лазерной резки считаются высокое энергопотребление, дорогое оборудование.
Назначение и критерии выбора лазерной резки
Лазерную резку используют для обработки не только металлов, но и резины, линолеума, фанеры, полипропилена, искусственного камня и даже стекла. Она востребована при изготовлении деталей для различных приборов, электротехнических устройств, сельскохозяйственных машин, судов и автомобилей. Такой способ раскроя материала используют для получения жетонов, трафаретов, указателей, табличек, декоративных элементов интерьера и многого другого.
Основной критерий выбора вида лазерной резки – тип обрабатываемого материала. Так, углекислотные лазеры подходят для резки, гравировки, сварки разных материалов – металла, резины, пластика, стекла.
Твердотельные волоконные установки оптимальны при раскрое латунных, медных, серебряных или алюминиевых листов, но не подходят для неметаллов.
Лазерная резка
Лазерная резка – технология, получившая применение при обработке и разделении слоистых материалов, композитов, дерева, металла, горных пород, бумаги, полимерных пленок, керамики и пр. Она используется везде, где требуется высокая точность работ при минимальном механическом напряжении. Процесс лазерной резки предполагает быстрый локальный нагрев поверхности сфокусированным лучом лазера, вызывая плавление и испарение материала. Работы проводятся без механического контакта инструмента с обрабатываемым материалом. При этом создается высокая концентрация энергии, что позволяет обрабатывать изделия из материалов любой твердости. Также лазерной резкой сверлят отверстия, наносят риски, пазы, дорожки.
Лазерная резка: виды
К резке лазерным лучом относят несколько методов:
Первые две технологии относятся к процессам непрерывного действия. При скрайбировании зачастую применяют лазеры импульсного или импульсно-периодического типа.
Выбирая метод резки лазером, во внимание принимают вид обрабатываемого материала, его толщину, требуемый уровень качества.
Преимущества и недостатки лазерной резки
К преимуществам резки лазером относят:
Технология нашла широкое применение при резке сложных контуров и мелких деталей, что также является ее преимуществом. К недостаткам лазерной резки можно отнести дорогую стоимость оборудования и высокое энергопотребление.
Параметры качества лазерной резки металлов
Система лазерной резки – это уникальная точность и высокое качество выполнения работ на высоких скоростях. Параметры процесса резки лазером зависят от следующих критериев:
Данные параметры нормируются. Зачастую место прожига выносится за пределы вектора резки в программе станка, наделенной повышенной гибкостью настроек. При неправильном подборе скорости процесса, некорректно выставленном фокусном расстоянии, неверной скорости и мощности источника излучения качество работ заметно снизится.
Технология лазерной резки металла
Испарение
Характеризуется поглощением лазерного излучения, вследствие чего его энергия передается поверхности. Локальное повышение температуры до точки кипения происходит настолько быстро, что жидкий материал не успевает скопиться. Неметаллические материалы со сложным химическим строением разрушают методом возгонки. По мере возрастания температуры будут разделяться отдельные компоненты. Внутреннее кипение при определенной длине волны – особенности лазерной резки частично прозрачных материалов.
Один их этапов испарения – образование эрозионного факела. Предполагается удаление с поверхности пара струей, которая подается с околозвуковой скоростью. Поток также захватывает сконденсировавшиеся капли, продукты эрозии со стенок и дна каналов. В результате этого процесса, сопровождающегося повышением температуры, возникает термомеханическое напряжение и волны давления, которые и вызывают разрушение материала.
Следующий этап – экранирование поверхности. Выход пара из зоны обработки приведет к снижению плазмообразования, что повлечет за собой уменьшение интенсивности излучения. Также оно будет рассеиваться на твердых частичках и конденсате. Если совпадет частота колебаний молекул газа и лазерного луча, будет наблюдаться резонансное поглощение. Задача экранировки состоит в том, чтобы обеспечить оптимальную мощность излучающего потока. Ту, при которой удельный выброс массы будет максимальным.
В итоге устанавливается автоколебательный режим испарения, носящий самосогласованный пульсирующий характер. Данный процесс сопровождается высокими удельными энергозатратами. Применяется для сверления отверстия, скрайбирования и гравирования.
Плавление
Процесс методом плавления происходит следующим образом:
Используя лазеры для резки и эту технологию, обрабатывают металлы, горные породы, керамику, стекло и пр. Следует учесть, что некоторые пластики и минералы при таком излучении могут необратимо поменять свой химический состав. В определенных газовых средах нагрев лазером может дополнительно повысить тепловую энергию.В результате чего потребление энергоресурсов будет существенно снижено в сравнении с лазерной обработкой материалов методом испарения.
Термораскалывание
С использованием данной технологии разрезают лазером хрупкие материалы. Перепад температур в зоне выполнения работ приводит к появлению термоупругих напряжений, превышающих предел прочности изделия. В результате поверхность растрескивается. Распространением трещин можно управлять, корректируя режим работы луча. В сравнении с двумя предыдущими вариантами термораскалывание требует минимальных затрат мощности и энергии.
Термохимическое воздействие
Также лазерное излучение может оказывать и термохимическое воздействие на материал. Это обусловлено:
Необходимо современное оборудование для лазерной обработки материалов, обращайтесь в компанию АО «ЛЛС». Менеджеры предоставят дополнительную консультацию и помогут с выбором.
Основы технологии лазерной резки металла
Из школьного курса элементарной физики вы знаете о сильном тепловом воздействии сфокусированного света. Познавательный трюк с увеличительным стеклом ясно показывает возможности преломленного потока солнечного луча.
Принципом действия работы лазера может служить его перевод с английского: усиление света вынужденным излучением. По-простому — это световое излучение, вызванное атакой фотонов на рабочую среду с усилением за счет ответной реакции. Световой поток через систему оптических призм и зеркал фокусируется в узконаправленный луч импульсной или непрерывной модуляции. Мощность и интенсивность лазера зависит от используемого активатора и сложности резонирующих систем.
В качестве первичного активного вещества используют все возможные агрегатные состояния: твердое, газообразное, жидкое и плазменное. Важнейшим критерием является способность к возбуждению и отдаче свободных квантов-фотонов. Накачка первичных световых атомов производится разными способами. Это может быть сфокусированное солнечное излучение, специальные лампы, другие лазеры, электрическое воздействие или химические процессы. Для увеличения силы потока делают многоуровневые атакующие каскады. В основе резонаторов применяют плоскопараллельные и сферические зеркала или их комбинации. Главный параметр хорошего прибора — устойчивое сохранение светового луча и его точная фокусировка.
Первый лазер был сделан на рубине в 1960 году, он работал в инфракрасном диапазоне и являлся началом эры световых помощников человека. История развития прикладной квантовой науки шла по пути усиления первоначальных систем накачки и совершенствования оптических резонаторов для достижения мощного и управляемого луча. Выискивались новые рабочие среды, были испробованы и получили путевку в жизнь лазерные установки на красителях, на свободных электронах, химические модели и полупроводниковые исполнения.
Производственное использование лазера
Лазер называют самым красочным и одним из важнейших изобретений XX века. Многие годы никто не понимал его практического применения, прибор называли устройством, которое само ищет задачи для решения. Теперь лазерные аппараты лечат людей, исследуют звезды и применятся для развлекательных мероприятий.
Машиностроительные производства давно начали использовать резку металла лазером. Пионерами выступили судостроительные верфи, авиационные заводы и автомобильные гиганты, искавшие передовые методы работы для увеличения производительности труда. Возрастающая конкуренция стимулировала появление инновационных обрабатывающих центров с принципиально новыми системами влияния на рабочий процесс.
К настоящему времени на промышленных предприятиях лазерная резка металла представлена следующими видами установок:
Следующее видео представляет волоконный лазерный станок.
Для работы с цветными металлами и антикоррозионными сталями, имеющими высокую отражающую способность, прикладными исследовательскими институтами разработаны специальные модели традиционных лазеров с резонатором из оптико-волоконной трубки. Световой луч в таких установках более сфокусированный и концентрированный и не рассеивается о зеркальную поверхность алюминиевых, титановых или нержавеющих заготовок.
Широко распространенные газовые СО₂-лазеры работают на рабочей смеси углекислого газа, азота и гелия, зеркала резонатора покрыты серебряным или золотым напылением для увеличения отражающей способности.
Технология лазерной резки металлов постоянно совершенствуется: пробуются новые типы установок, усложняются системы управления процессом, применяются компьютерные комплексы для контроля режимов обработки. Основной упор делается на увеличение точности, чистоты реза и производительности.
Особенности технологического процесса
В действительности, процесс испарения металла наблюдается только у тонких заготовок, при средней и большой толщине реза удаление остатков вещества из рабочей зоны производится с помощью струи вспомогательного газа (азот, кислород, воздушная смесь или инертные газы).
Такие установки, работа которой представлена на видео, называют газолазерными резаками.
Сравнительные характеристики лазерной и плазменной резки приведены
Современные лазерные комплексы
Новое поколение прецизионных обрабатывающих станков с ЧПУ позволяют проводить обработку материалов с точностью до 0,005 мм. Площадь обработки некоторых моделей лазерных установок достигает нескольких квадратных метров. Большим достоинством является минимизация человеческого фактора, заключающаяся в высокой автоматизации производственного процесса.
Геометрия детали задается в программный блок, осуществляющий управление лазером и рабочим столом с заготовкой. Системы настройки фокуса автоматически выбирают оптимальное расстояние для эффективного резания. Специальные теплообменники регулируют температуру лазерной установки, выдавая оператору контрольные данные текущего состояния инструмента.
Лазерный станок оснащается клапанными механизмами для подключения газобаллонного оборудования, чтобы обеспечить подачу вспомогательных газов в рабочую зону. Система дымоулавливания призвана оптимизировать расходы на вытяжную вентиляцию, включая её непосредственно в момент обработки. Область обработки полностью экранируется защитным кожухом для безопасности обслуживающего персонала.
Лазерная резка листового металла на современном оборудовании превращается в легкий процесс задания числовых параметров и получения на выходе готовой детали. Производительность оборудования напрямую зависит от параметров станочного комплекса и квалификации оператора, создающего программный код. Технология лазерной резки металлов гармонично вписывается в концепцию роботизированного производства, призванного полностью освободить человека от тяжелого труда.
Производители предлагают различные типы лазерных станков: универсальные и специализированные. Стоимость первых на порядок больше, но они позволяют производить несколько операций и выпускать детали более сложной формы. Большое количество рыночных предложений дает возможность выбора для заинтересованных потребителей.
Преимущества и недостатки
Среди минусов: высокая стоимость оборудования и расходных материалов.
Лазерная резка стали и цветных металлов пользуется большим рыночным спросом. Способность быстро выдавать чистовые детали нестандартной формы привлекает в профильные предприятия заказчиков малых партий разнообразных изделий. Лазерные технологии активно используются в декоративном творчестве при изготовлении дизайнерских украшений и оригинальных сувениров.
Решение о применении лазерной обработки должно приниматься с учетом расчета окупаемости оборудования и величине эксплуатационных расходов. В настоящее время такие установки могут себе позволить, в основном, крупные предприятия с большим производственным циклом. С развитием технологии будут снижаться стоимость станков и количество потребляемой энергии, поэтому в будущем лазерные аппараты вытеснят своих конкурентов из сферы резки любых материалов.