Технология лазерной резки металла

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:

Малоуглеродистая сталь

Инструментальная сталь

Нержавеющая

сталь Титан Толщина, мм 1,0 1,2 2,2 3,0 1,0 1,3 2,5 3,2 0,6 1,0 Мощность лазера, Вт 100 400 850 400 100 400 400 400 250 600 Скорость резания, м/мин 1,6 4,6 1,8 1,7 0,94 4,6 1,27 1,15 0,2 1,5

Виды лазерной резки

Лазерные установки состоят из трех основных частей:

1. Рабочей (активной) среды. Она является источником лазерного излучения.
2. Источника энергии (системы накачки). Он создает условия, при которых начинается электромагнитное излучение.
3. Оптического резонатора. Система зеркал, усиливающих лазерное излучение.

По типу рабочей среды лазеры для резки делят на три вида:

1. Твердотельные. Их основным узлом является осветительная камера. В ней находятся источник энергии и твердое рабочее тело. Источником энергии служит мощная газоразрядная лампа-вспышка. В качестве рабочего тела используют стержень из неодимового стекла, рубина или алюмо-иттриевого граната, легированного неодимом или иттербием. По торцам стержня устанавливают два зеркала: отражающее и полупрозрачное. Лазерный луч, излучаемый рабочим телом, многократно отражается внутри него, усиливается в ходе отражений и выходит через полупрозрачное зеркало.

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.

1. Газовые. В них рабочим телом является углекислый газ или его смесь с азотом и гелием. Газ прокачивается насосом через газоразрядную трубку. Он возбуждается с помощью электрических разрядов. Для усиления излучения устанавливают отражающее и полупрозрачное зеркало. В зависимости от особенностей конструкции такие лазеры бывают с продольной и поперечной прокачкой, а также щелевые.

Так устроен газовый лазер с продольной прокачкой

1. Газодинамические. Эти лазеры самые мощные. В них рабочим телом является углекислый газ, нагретый до 1 000–3 000 °К (726–2726 °С). Он возбуждается с помощью вспомогательного маломощного лазера. Газ со сверхзвуковой скоростью прокачивается через суженный посередине канал (сопло Лаваля), резко расширяется и охлаждается. В результате его атомы переходят из возбужденного в обычное состояние и газ становится источником излучения.

Схема работы газодинамического лазера

Преимущества и недостатки лазерной резки

Можно выделить следующие преимущества лазерной резки металлов:

• Нет механического контакта с поверхностью разрезаемого металла. Это делает возможным работу с легкодеформируемыми или хрупкими материалами.
• Можно разрезать металлы разной толщины. Сталь в пределах 0,2–30 мм, алюминиевые сплавы – 0,2–20 мм, медь и латунь – 0,2–15 мм.
• Высокая скорость резки.
• Возможность изготовления изделий с любой конфигурацией.
• Чистые кромки разрезаемого металла и низкое количество отходов.
• Высокая точность работы – до 0,1 мм.
• Экономный расход листового металла за счет более плотной раскладки деталей на листе.

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 металла

Среди множества технологий по обработке металла лазерная резка выделяется своей экономичностью и эффективностью. Почему лазерная резка металла применяется на большинстве линий промышленного производства? Какое оборудование применяют в данном процессе? Что можно изготовить с помощью лазерной резки? Подробнее о лазерной резке металла—>

Технология лазерной резки металла

При использовании лазерной резки обрабатываемый металл подвергается воздействию эффектов отражения и поглощения лазерного излучения.

Изменение размеров и формы вещества при лазерной обработке возможно благодаря действию двух эффектов излучения: плавления и испарения.

Рассмотрим процесс лазерной резки металла подробнее:

1. Лазерный луч воздействует на металл в определенной точке.
2. Сначала вещество нагревается до определенной температуры, затем начинает плавиться.
3. На границе плавления возникает углубление.
4. Воздействие энергии излучения лазера приводит к второй стадии процесса – кипению и испарению металлического вещества.

На практике эффект испарения возможен только при обработке тонкого металла. Для металлов с большим значением плотности лазерная резка выполняется плавлением с помощью газа, выполняющего вспомогательную роль, для удаления остатков металла. В качестве таких газов могут использоваться азот, кислород, инертный газ или воздух. Лазерная резка металла, фото которой представлено ниже, с применением технологии вспомогательного газа будет называться газолазерной резкой.

Подробная информация о плазменной резке металла. О сварочной проволоке можно прочитать здесь.

Виды лазерной резки металла

Лазер для резки металла состоит из:

1. Особого источника энергии (системы накачки).
2. Рабочего тела, обладающего эффектом вынужденного излучения.
3. Резонатора оптического (набора специальных зеркал).

Принадлежность лазерной резки к той или иной разновидности определяется по виду используемого лазера и его мощности. В настоящее время существует следующая классификация лазеров:

1. Твердотельные (мощность не более 6 кВт).
2. Газовые (мощностью до 20 кВт).
3. Газодинамические (мощность от 100 кВт).

В производственных целях наибольшей популярностью пользуется резка металла с твердотельным лазером. Излучение может подаваться в импульсном или непрерывном режиме. В качестве рабочего тела используется рубин, стекло с примесью неодима или CaF2 (флюорит кальция). Главным преимуществом твердотельных лазеров является способность создать мощный импульс энергии за доли секунды.

Газовые лазеры применяются для резки металла в технических и научных целях. Активным телом выступает смесь газообразных азота, углекислого газа и гелия, атомы которых возбуждаются электрическим разрядом и обеспечивают лазерному лучу монохроматичность и направленность.

Большой мощностью отличаются газодинамические лазеры. Рабочее тело – углекислый газ. Сначала газ нагревается до предельно высокой температуры, затем его пропускают через узкий канал, где происходит расширение и последующее охлаждение СО2. В результате такой процедуры излучается энергия, используемая для лазерной резки металла.

Газодинамические лазеры можно использовать для обработки металла с любой поверхностью. Благодаря невысокому расходу энергии луча, их можно поместить на расстоянии от обрабатываемой зоны и при этом сохранить качество резки металла.

Оборудование для лазерной резки металла

Лазерные установки для резки металла состоят из:

1. Специального излучателя (твердотельный или газовый лазер). Должен обладать соответствующими энергетическими и оптическими параметрами.
2. Системы транспортировки и формирования луча и газа. Отвечает за передачу луча от источника излучения к детали, которая подвергается обработке, и изменение характеристик поступающего к точке реза рабочего газа.
3. Устройство перемещения (координации) как самого металла, так и действующего на него лазерного луча. Дополнительно содержит исполнительный механизм, привод и двигатель.
4. АСУ (автоматизированная система управления). Контролирует лазер и управляет координатным устройством и системой транспортировки и формирования луча и газа. Оснащена различными датчиками и подсистемами.

Современный станок лазерной резки металла способен выполнять любые сложные задачи, даже лазерную художественную резку металла. Их производством занимаются как российские компании («ТехноЛазер»), так и зарубежные представители (немецкая компания “Trumpf”).

Лазерная резка тонкого металла

Промышленным линиям производства выгоднее использовать листы металла для лазерной резки, чем необработанные детали большой толщины. При этом возможны экономия электроэнергии и применение видов лазерной резки листового металла с большей мощностью.

Способы лазерной резки металла, лист которого готов к обработке, – это кислородная лазерная резка (выжигание), резка смесью газов (аргон, азот) и сжатым воздухом.

Среди преимуществ лазерной резки листового металла перед другими видами обработки можно выделить:

1. Высокую точность подачи и резки лазерного луча.
2. Минимум загрязнений на поверхности детали.
3. Малую вероятность нанесения деформации листу металла.
4. Снижение энергетических затрат.
5. Создание объемных сложных конструкций с большой скоростью и минимальной площадью обрабатываемого материала.

Полная информация о контактной сварке представлена тут.

Применение лазерной резки металла

Благодаря своим преимуществам и использованию современного точного оборудования, лазерная резка металла применяется для создания:

1. Деталей машиностроительной техники.
2. Декоративных подставок, стеллажей, полок и оборудования для торговой промышленности.
3. Элементов котлов, емкостей, дымоходов и печей.
4. Деталей дверей и ворот, кованных ограждений.
5. Индивидуального дизайна шкафов и корпусов.
6. Оригинальных вывесок, трафаретов, букв и шаблонов.

Применение лазерной резки имеет множество преимуществ перед другими видами обработки металла. Поэтому все больше предприятий используют в своем производстве именно лазерную обработку металла.

Принципы проведения лазерной резки

Изначально человек разделял металлические детали ручными инструментами. Это был медленный процесс, который требовал большого количества времени, сил. Рез часто получался неровным, детали браковались. С развитием технологического прогресса появились новые способы разделения металлических заготовок. Лазерная резка — современный метод обработки деталей из металла.

Технология

Технология лазерной резки металла подразумевает под собой процесс нагревания металла в определённом месте свыше его температуры плавления. Рабочий привод генерирует сфокусированный луч, которые проходит через систему линз, становится мощнее. Раскалённый пучок света попадает на поверхность детали, начинает расплавлять её. Передвигаясь по направляющим, рабочая головка делает рез заданного размера, формы.

Простые аппараты для разрезания металла не позволяют разделять детали большой толщины. Чтобы работать с листами большой толщины, необходимо выбирать установку, оборудованную подачей инертного газа. Он выдувает расплавленный металл наружу, чтобы не мешать процессу плавки.

Сфокусированный луч обладает некоторыми характеристиками:

1. Постоянством длины. Благодаря этому его легко сфокусировать на любой поверхности используя оптические линзы.
2. Низкий угол расходимости света луча. Это позволяет получить мощный направленный поток света на заданную точку.
3. Суммарная мощность излучения увеличивается благодаря когерентности.

При разрезании металла, материал может плавиться или испаряться. Это зависит от мощности оборудования.

Режимы

Резка лазером металлических заготовок зависит от следующих факторов:

• диаметра луча;
• мощности привода;
• обработки материалов защитными составами;
• количества линз, их расположения;
• вида металла или сплава, который подвержен обработке;
• толщины заготовки;
• предварительной очистки металла от ржавчины, грязи.

Также на скорость разделения деталей влияет используемый инертный газ. Например, если заменять кислород обычным воздухом, производительность аппарата снизится вдвое.

От выбранного режима создания реза зависит его качество. Главные факторы, которые влияют на состояние готового реза — скорость движения рабочей головки, толщина детали. Раскрой по металлу желательно совершать не спеша, чтобы не испортить рез.

Виды лазерной резки

Лазерная резка листового металла выполняются с помощью специальных аппаратов разных видов. Оборудование состоит из следующих элементов:

1. Источника питания, который передаёт напряжение на рабочий привод.
2. Генератора, который создаёт направленный поток.
3. Ряда фокусирующих линз, которые усиливают, концентрируют излучение в одной точке.

Все элементы устанавливаются на рабочем столе с направляющими, шаговыми двигателями.

В зависимости от мощности выделяют три группы аппаратов:

1. Твердотельные — до 6 кВт. Установки, на которых закрепляется рубин или другой кристалл для создания направленного потока энергии. Работают импульсами или постоянным излучением.
2. Газовые — мощность от 6 до 20 кВт. Оборудование, для работы которого используют газовую смесь. Она нагревается под воздействием электрического тока.
3. Газодинамические — от 20 до 100 кВт. Аппарат, работающий на основе углекислого газа. Отличаются высокой мощностью, небольшим расходом энергии.

Выбор зависит от целей мастера. Чем толще листы нужно разрезать, тем мощнее оборудование нужно выбирать.

Преимущества и недостатки лазерной резки

У обработки материалов лазером есть ряд сильных и слабых сторон.

1. Зависимо от мощности выбранного оборудования, можно разделять листы большой толщины.
2. Резка металла лазером выполняется без соприкосновения рабочей части с поверхностью изделия. Это исключает механические повреждения материала.
3. Высокая скорость проведения технологического процесса.
4. Если установка для лазерной резки комплектуется ЧПУ, можно добиться высоких показателей точности, производительности.
5. Выделение минимального количества отходов.
6. Возможность создавать резы разных размеров, формы.

1. Установка расходует много электроэнергии.
2. Простые модели не могут разделять листы шириной свыше 20 мм.

Виды оборудования для лазерной резки

Резка металла лазером проводится с помощью специальных установок, которые бывают трех типов:

1. Твердотельные аппараты. Устройства для лазерной резки малой мощности. Состоят из рубинового стержня, лампы накачки. Модели могут работать импульсами или в постоянном режиме.
2. Газовое оборудование. Газ нагревается до высоких температур под воздействием электрического тока. Раскалённые частицы испускают свет, который фокусируется линзами на рабочую поверхность.
3. Газодинамические установки. Газ нагревается до критических температур — свыше 3-х тысяч градусов. Далее раскалённый газ пропускается на высокой скорости через сопло, проходит процесс охлаждения. Высокая мощность таких аппаратов делает их нерентабельными при редком использовании.

Как сделать лазерный резак в гараже

Лазерная резка стали проводится на покупных и самодельных устройствах. Если нет возможности купить станок, можно изготовить его самостоятельно. Для этого нужно подготовить материалы, инструменты:

• мощный фонарик на батарейках;
• лазерную указку;
• привод из DVD-ROM;
• паяльник, отвертки.

Пошаговая инструкция сборки:

1. Изначально необходимо разобрать дисковод, чтобы вытащить рабочую головку. Делать это нужно аккуратно, чтобы не повредить линзу.
2. Вытащить диод из указки. На его место припаять рабочую часть из дисковода.
3. Внутренности указки нужно вытащить, чтобы собрать для них новый корпус. Закрепить все элементы в корпус фонарика. Убрать защитное стекло, запитать устройство батарейками.

Дополнительно можно укрепить корпус скотчем, клеем.

Усиление самодельной установки

Мастера экспериментируют с набором линз, чтобы усилить мощность луча. Дополнительно можно запитать его от подзарядки для аккумуляторных батареек. Чтобы удобнее было проводить технологические процессы, собирается конструкция, удерживающая самодельную установку. Она устанавливается над рабочим столом на направляющих.

Лазерная резка представляет собой современный технологический процесс, который позволяет разделять металлические листы разной толщины. Зависимо от размеров обрабатываемых заготовок нужно выбирать мощность привода.

Технология лазерной резки металла

Резка металла с помощью оборудования для лазерной резки металла – это одна из передовых технологий, которая используется наравне с использованием газа и плазмы при обработке металлов. Эти принципы обработки относятся к немеханическим способам и основываются на воздействии температур на поверхность металла.

Особенности технологии лазерной резки металла

В основе технологии лазерной резки лежит то, что луч имеет точное направление и получается при работе специализированного оборудования. Контакт лазера с поверхностью в таких случаях равняется нескольким микронам, а кристаллические решетки материалов достигают температуры, необходимой для плавления металла.

Минимальность соприкосновения луча с поверхностью обеспечивает то, что остальная часть детали не нагревается во время работы. Это обеспечивает безопасность персонала при использовании оборудования.

Еще одним достоинством является погрешность, которая достигает минимума. В местах разреза металл плавится и сразу испаряется, выкипает. При этом расстояние от оборудования для лазерной резки металла до детали должно составлять пару сантиметров, но не более.

Для работы допускаются металлические детали небольшой толщины, иначе лазерный луч может не справиться с поставленной задачей.

Работа настолько аккуратна и эффективна, что деталь, обработанная подобным способом, может не обрабатываться дополнительно и сразу отдается к следующему необходимому процессу или в использование. Это значительно экономит затраты производителя.

И хотя главным назначением является вырезание деталей и заготовок, при помощи лазерного оборудования можно фрезеровать и просверливать углубления необходимого диаметра и глубины. Основным недостатком является невозможность внутренней резьбы.

Оборудование для лазерной резки металла отлично подходит для выполнения гравировки, в таком случае не стоит применять трудное в использовании оборудование, а диаметр лазерной установки должен быть минимальным.

Плюсы и минусы технологии лазерной резки оборудованием

Хотя обработка лазером считается самым качественным и современным способом среди всех остальных, она имеет как преимущества, так и недостатки.

• Из-за отсутствия механического воздействия обработке могут подвергаться любые металлы: от хрупких до достаточно прочных материалов.
• Высочайшая точность разреза и ровно обработанные края детали. Отсутствие дефектов при работе.
• Деталь сразу готова к использованию и не требует дальнейшей обработки.
• Из-за точности работы имеется возможность кроить детали абсолютно любой формы.
• Для загрузки формы в аппаратуру достаточно чертежа, выполненного в любой чертежной программе.
• Высокая эффективность в сочетании с производительностью, которая на порядок выше.
• Возможность компактного размещения деталей на одном листе.
• Общая экономия со стороны использования ресурсов, финансов и рабочего времени.

Минусы:

• Достаточно дорогостоящее оборудование.
• Не подвергаются воздействию и обработке металлы с повышенными отражающими свойствами.
• Допустимая толщина для обрабатываемого металла – 20 миллиметров.

Принцип работы оборудования лазерной резки металла

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

Главным элементом аппарата является стержень, который является сердцем излучателя. Благодаря 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 металла на выставке

Подробнее с технологиями лазерной резки металлов можно ознакомиться на выставочных семинарах и экспозициях.

На выставке «Металлообработка» представлены самые современные образцы моделей отечественных и зарубежных производителей. Здесь вы сможете не только выбрать лазерное оборудование для резки металла от производителя по выгодным ценам, но и ознакомиться с его принципом действия, посмотреть его в работе.