Работа лазерного станка по металлу

Обновлено: 07.01.2025

Основное назначение лазерной резки – раскрой листовых материалов, преимущественно металлов. Ее главное достоинство заключается в возможности изготовления деталей, имеющих сложные контуры. В этой статье мы расскажем о том, каков основной принцип лазерной резки .

Основной принцип лазерной резки

Лазерный луч (так называемый лазер) – это когерентное монохроматическое вынужденное излучение узкой направленности, инициатором которого в активной среде выступает внешний энергетический фактор (электрический, оптический, химический и т. д.). В основе этого физического явления лежит способность веществ излучать волны определенной длины.

Фотонное излучение происходит в момент столкновения атома с другим когерентным (идентичным) фотоном, который не поглощается в процессе. Фотоны, которые при этом становятся «лишними», и образуют лазерный луч.

Принцип лазерной резки заключается в том, что излучение оказывает тепловое воздействие на обрабатываемые материалы. В процессе обработки происходит нагревание металла до температуры плавления, а затем до температуры кипения, достигнув которой материал начинает испаряться. В связи с высокой энергозатратностью, такая обработка подходит для металлов небольшой толщины.

Работа с относительно толстыми листами выполняется при температуре плавления. Для облегчения процесса применяют подаваемый в зону обработки газ. Чаще всего пользуются азотом, гелием, аргоном, кислородом или воздухом. Задача газа заключается в удалении из области резки расплавленного материала и продуктов сгорания, поддержании горения металла и охлаждении прилегающих зон. Самым эффективным газом, используемым в процессе обработки, является кислород, позволяющий повысить скорость и глубину реза.

Благодаря высокой концентрации энергии лазерный луч проникает в материал обрабатываемой детали. За счет его воздействия в зоне резки происходит расплавление, испарение, воспламенение или другие процессы, меняющие структуру металла и вызывающие его исчезновение.

Лазерная резка схожа с обычной механической, но вместо режущего инструмента используется луч лазера, а также нет отходов, которые при механической обработке представляют собой металлическую стружку, а при работе с лазером они просто испаряются.

Срез металла при лазерной обработке очень тонкий, к тому же сама область реза очень мала (включая минимальную деформацию и температурную нагрузку на прилегающие зоны). Благодаря этим особенностям резка лазером является наиболее высококачественным способом обработки металлов. К тому же принцип лазерной резки позволяет использовать ее в работе практически с любыми материалами, независимо от конструкционных особенностей, формы и размера (включая бумагу, резину, полиэтилен и др., которые в силу мягкости или малой толщины не могут быть обработаны фрезой).

Прежде чем перейти к описанию принципа лазерной резки, поговорим об установках для работы с лазером, состоящих из трех основных частей:

Рабочей (активной) среды, создающей лазерное излучение.
Источника энергии (системы накачки), благодаря которому возникает электромагнитное излучение.
Оптического резонатора, представляющего собой систему зеркал, которые усиливают излучение.

Возникновение лазерного луча можно описать следующим образом – за счет источника энергии активная среда (к примеру, рубиновый кристалл) из внешней среды получает фотоны, имеющие определенной энергию. Проникая в активную среду, фотоны вырывают из ее атомов аналогичные частицы, однако сами в процессе не поглощаются.

VT-metall предлагает услуги:

Лазерная резка металла Гибка металла Порошковая покраска металла Сварочные работы

Активная среда дополнительно насыщается за счет действия оптического резонатора (например, двух параллельно расположенных зеркал), благодаря чему имеющие одинаковую энергию фотоны многократно сталкиваются с атомами, тем самым порождая новые фотоны. Одно из зеркал оптического резонатора делают полупрозрачным, позволяющим пропускать фотоны в направлении оптической оси (в виде узконаправленного луча).

Лазерная резка металлов обладает следующими преимуществами:

Поскольку режущий элемент не вступает в механический контакт с разрезаемой поверхностью, возможно обрабатывать легкодеформируемые или хрупкие материалы.
Принцип лазерной резки позволяет работать с металлами, имеющими различную толщину. У стальных заготовок она может варьироваться от 0,2 до 30 мм, у алюминиевых сплавов – от 0,2 до 20 мм, у медных и латунных деталей – от 0,2 до 15 мм.
Лазерная резка отличается высокой скоростью.
Этот способ позволяет работать с заготовками, имеющими любую конфигурацию.
Благодаря лазерной резке детали имеют чистые кромки, а отходы практически отсутствуют.
Резка отличается высокой точностью – до 0,1 мм.
Плотная раскладка заготовок на листе обеспечивает более экономичный расход листового металла.

Этот способ обработки имеет и определенные недостатки, в первую очередь речь идет о высоком потреблении энергии, а также об использовании дорогостоящего оборудования.

Какие лазеры используют для резки

Линейка лазерных установок достаточно велика. В основе классификации обычно лежит вид активной среды (лазеры могут быть твердотельными, газовыми, полупроводниковыми), тип подачи энергии (импульсные установки или имеющие постоянную мощность), размеры оборудования, мощность излучения, назначение и т. п.

Выбирая подходящий вид лазерной резки следует исходить из типа материала, который необходимо обработать. При помощи углекислотных лазеров можно выполнять многочисленные операции (резку, гравировку, сварку) с различными материалами (металлами, резиной, пластиком, стеклом).

При необходимости раскроя листов латуни, меди, серебра, алюминия лучшим выбором станет твердотельная волоконная установка. С ее помощью обрабатывают только металлы.

В зависимости от типа рабочей среды существует следующая классификация лазеров:

Основной элемент твердотельных лазерных установок – осветительная камера, в которой расположены источник энергии и твердое рабочее тело. В качестве источника энергии выступает мощная газоразрядная лампа-вспышка. Рабочее тело представляет собой стержень, выполненный из неодимового стекла, рубина или алюмоиттриевого граната, легированный неодимом или иттербием.

С обоих торцов стержня размещены зеркала, одно из которых является отражающим, второе – полупрозрачным. Рабочее тело создает лазерный луч, который, многократно отражаясь и при этом усиливаясь, проходит сквозь полупрозрачное зеркало.

Рекомендуем статьи по металлообработке

Волоконные установки также входят в число твердотельных. В качестве источника энергии в таком оборудовании выступает полупроводник, а для усиления излучения используется стекловолокно.

Чтобы понять принцип лазерной резки и работы установки в целом, обратимся к оборудованию, в котором рабочая среда представлена гранатовым стержнем, в качестве легирующего материала выступает неодим. Ионы неодима играют роль активных центров. За счет поглощения излучения газоразрядной лампы они возбуждаются, то есть получают излишнюю энергию.

При возвращении ионов в первоначальное состояние происходит отдача ими фотонной энергии, т. е. электромагнитного излучения (света). За счет фотонов в обычное состояние переходят и другие возбужденные ионы. Этот процесс носит лавинообразный характер. Благодаря зеркалам лазерный луч движется в заданном направлении. Отражаясь, фотоны много раз возвращаются в рабочее тело и вызывают образование новых фотонов, усиливая тем самым излучение. Отличительными чертами луча являются его узкая направленность и значительная концентрация энергии.

В качестве рабочего тела таких установок выступает углекислый газ в чистом виде либо в смеси с азотом и гелием. Посредством насоса газ поступает в газоразрядную трубку. Для возбуждения используются электрические разряды. Усилению отражения также способствуют зеркала – отражающее и полупрозрачное. В соответствии с конструктивными особенностями установки могут иметь продольную и поперечную прокачку или быть щелевыми.

Какие параметры нужно учитывать при лазерной резке металлов

Лазерная резка подходит для работы не только с металлами, но и с резиной, линолеумом, фанерой, полипропиленом, искусственным камнем и стеклом. Обработка лазером применяется в приборо-, судо- и автомобилестроении, для создания элементов электротехнических устройств, сельскохозяйственных машин. Используя принцип лазерного раскроя, изготавливают жетоны, трафареты, указатели, декоративные элементы интерьера и пр.

Принцип лазерной резки зависит от многих параметров. Необходимо учитывать, с какой скоростью выполняется обработка, лазер какой мощности при этом используется, какова его плотность, фокусное расстояние, также учету подлежат диаметр луча и состав излучения, а также марка и вид обрабатываемого материала. Например, скорость резки низкоуглеродистых сталей примерно на 30 % выше, чем при работе с нержавейкой. Снижению скорости практически в два раза способствует замена кислорода обычным воздухом. Лазер мощностью 1 кВт разрезает алюминий со скоростью примерно 12 м/с, титан – 9 м/с (при использовании кислорода в качестве активной среды).

Разберем принцип лазерной резки на следующем примере. За основу берем мощность лазера 1 кВт, в качестве активной среды выступает кислород, подаваемый в рабочую область под давлением 0,5 МПа, диаметр луча равен 0,2 мм.

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:

твердотельные — основанные на кристаллических драгоценных камнях или соединениях редкоземельных элементов, для накачки фотонов используется импульсные лампы или лазерные диоды;
газовые — в качестве активаторов применяются смеси инертных газов с источником возбуждения в виде электрических разрядов или направленной химической реакции;
волоконные — активная среда и резонатор сделаны целиком из оптического волокна или скомбинированы с другими конструктивными элементами.

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 результате воздействия светового луча материал заготовки проходит несколько промежуточных изменений для превращения в обработанную деталь:

первая стадия — воздействие лазера на металл в точке начала реза вызывает нагревание вещества до температуры плавления и появлению усадочной раковины;
вторая стадия — энергия излучения приводит к кипению и испарению металла;
третья стадия — при проплавлении заготовки на полную глубину начинается поступательное движение рабочего органа в соответствии с заданной траекторией.

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.

Активный кислород, подаваемый в зону резания не только выводит продукты плавления металла и охлаждает поверхность среза, но и способствует поддержанию температуры и ускоряет режимы обработки. При лазерной резке не происходит деформации заготовки, следовательно, отсутствуют затраты материала на припуск линейных размеров и необходимость в дополнительных чистовых операциях.

Сравнительные характеристики лазерной и плазменной резки приведены

Современные лазерные комплексы

Мировая станочная индустрия идет в ногу со временем и предлагает своим потребителям самое разнообразное оборудование для лазерной резки металла. Многокоординатные аппараты призваны заменить шумные и низко производительные механические резаки. Мощность лазера зависит от специфики производства и экономического обоснования выбранного агрегата.

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

Специалисты машиностроительных предприятий понимают перспективы использования данной технологии для получения точных деталей с хорошей шероховатостью. Область применения обширна: от простого раскроя листового металлопроката до получения сложных кузовных деталей автомобилей. Явные плюсы лазерной резки металлов сводятся к нескольким резюмирующим аспектам:

высокое качество обработанной поверхности;
экономия материала;
способность работы с хрупкими материалами и тонкими заготовками;
возможность получения деталей сложной конфигурации.

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.

Лазер для резки металла

Как известно, лазер для резки металла применяется так же часто, как и механические методы, но при этом он обеспечивает лучшее качество и точность реза, что и определяет популярность этого способа раскроя. Часто можно услышать, что данная технология уже вытеснила остальные и не имеет недостатков, но это не так.

Использование лазера хоть и востребовано, но имеет определенные ограничения. В нашей статье мы расскажем, какой используется лазер для раскроя металла, разберемся в плюсах и минусах данного метода и приведем требования к нему.

Суть лазерной резки металла

В процессе лазерной резки используется луч, генерируемый специальной установкой. Он характеризуется особыми свойствами, а именно: способностью фокусироваться на малой площади и обеспечивать энергию высокой плотности. Благодаря этому лазер вызывает активное разрушение любого материала плавлением, горением или испарением.

Если говорить точнее, то лазер для резки металла способен концентрировать на заготовке энергию плотностью в 108 Ватт на 1 см2. Подобный эффект обеспечивают следующие свойства луча:

Монохроматичность, то есть постоянная длина и частота волны, что несвойственно, например, световым волнам. Поэтому лазерным лучом без труда можно управлять обычными оптическими линзами.
Высокая направленность и малый угол расходимости, что требуется для высокой фокусировки.
Когерентность, то есть полная согласованность большого количества волновых процессов, протекающих в луче. Кроме того, они вступают в резонанс между собой, из-за чего достигается многократное повышение общей мощности излучения.

Под действием луча лазера для резки обрабатываемая область металла быстро нагревается и плавится. Зона плавления быстро распространяется вглубь материала, что объясняется сразу рядом факторов, например, теплопроводностью металла. Далее материал в месте контакта нагревается до температуры кипения, начинается его испарение.

Виды лазера для резки металла

Станок для резки металла лазером включает в себя такие основные части:

рабочую среду, которая обеспечивает необходимое излучение;
источник энергии или систему накачки, создающую условия для появления электромагнитного излучения;
оптический резонатор, то есть систему зеркал, призванных усилить излучение.

С точки зрения рабочей среды выделяют:

Твердотельные лазеры

Главным узлом устройства является осветительная камера, в которой расположен источник энергии и твердое рабочее тело. В роли первого выступает мощная газоразрядная лампа-вспышка, а рабочее тело представляет собой стержень из неодимового стекла. Или в качестве материала стержня может применяться рубин, алюмо-иттриевый гранат, который был предварительно легирован неодимом, иттербием.

С торцов стержня находится пара зеркал, одно из которых является отражающим, а второе – полупрозрачным. Рабочее тело испускает луч, он многократно отражается внутри него, усиливаясь, и выходит сквозь полупрозрачное зеркало.

Также к твердотельным относятся волоконные лазеры для резки металла и прочих материалов. Их отличие от первого типа состоит в том, что они усиливают излучение при помощи стекловолокна, а за поступление энергии отвечает полупроводниковый лазер.

Проще всего понять, как работают подобные системы, на примере установки с гранатовым стержнем, в который в качестве легирующего компонента добавлен неодим. Ионы последнего выполняют функцию активных центров, поглощающих излучение газоразрядной лампы.

Они возбуждаются, то есть получают избыточную энергию, но потом приходят в исходное состояние, отдавая энергию как фотон или электромагнитное излучение, свет. Фотон оказывает влияние на другие возбужденные ионы, заставляя их также вернуться в первичное состояние, а реакция постепенно усиливается.

Под действием зеркал луч движется в определенном направлении. Фотоны вынуждены постоянно возвращаться в рабочее тело, что вызывает появление новых фотонов и увеличение излучения. В итоге достигается малая расходимость луча в сочетании с высокой концентрацией энергии.

Газовые лазеры

Здесь в качестве рабочего тела выступает углекислый газ в чистом виде либо в сочетании с азотом и гелием. Насос прокачивает газ через газоразрядную трубку, где тот возбуждается электрическими разрядами. Усилить излучение позволяют отражающее и полупрозрачное зеркала.

Есть разные конструкции газовых лазеров для резки металла: с продольной и поперечной прокачкой и щелевые.

Газодинамические лазеры

Газ со скоростью, превосходящей звуковую, проходит по суженному посередине каналу – его принято называть соплом Лаваля. Так газ резко расширяется и охлаждается, а его атомы приходят в обычное состояние, что сопровождается появлением излучения.

Преимущества и недостатки лазерной резки металла

Резка листового металла и иных материалов лазером позволяет:

Раскраивать металлы различной толщины. Для меди этот показатель составляет 0,2–15 мм, для алюминия – 0,2–20 мм, для сталей – 0,2–20 мм, а для нержавеющей стали находится в пределах 50 мм.
Обрабатывать хрупкие и легко поддающиеся деформации детали, что объясняется отсутствием контакта между инструментом и заготовкой.
Производить изделия любой конфигурации, особенно с использованием ЧПУ для резки металла лазером. В этом случае мастеру нужно только загрузить в программу чертеж, после чего оборудование выполнит работу достаточно точно и без посторонней помощи.
Проводить раскрой с высокой скоростью – если нужно изготовить небольшую партию, данный подход дает возможность отказаться от штамповки, литья.
Снизить себестоимость готовых деталей, что позитивно отражается на конечной цене изделий. Эта особенность связана с минимальным количеством отходов и возможностью отказаться от дополнительной обработки кромок за счет получение аккуратного реза.
Справляться со сложными задачами, так как резка лазером считается практически универсальной операцией.

Однако не стоит забывать о минусах данного метода. Одним из его основных недостатков являются значительные энергозатраты, из-за которых данный способ обработки является наиболее дорогостоящим.

Тем не менее, сопоставление лазерной резки и штамповки показывает, что первый подход является более экономичным, так как для второго нужно дополнительно изготовить оснастку.

Еще один недостаток использования лазера для резки металла кроется в небольшой толщине заготовок, которые могут обрабатываться этим методом – предельный показатель составляет 20 мм.

Нюансы резки лазером различных металлов

Как уже говорилось выше, лазерная резка имеет ограничения по толщине реза. И чем больше толщина листа, тем большие временные затраты требуются на его обработку. При этом ухудшается качество, ровность раскроя.

Применение лазера для резки предполагает такие особенности для разных металлов:

Сталь 3 не деформируется, даже когда речь идет о тонких листах, ведь в процессе обработки отсутствует контакт с режущим инструментом, используется сфокусированный луч.
Нержавеющая сталь является очень твердым металлом, поэтому посредством лазера удается значительно сократить временные затраты на раскрой в сравнении с механическим способом.
Алюминий относится к достаточно мягким металлам, однако при его механической обработке невозможно обеспечить острую кромку – проблема решается при помощи лазерного метода.
Медь входит в число дорогих материалов, поэтому основным преимуществом использования лазера является возможность сократить ее расход. Данный металл имеет сильные светоотражающие свойства, из-за чего приходится ограничивать толщину листа. В противном случае может быть испорчена режущая головка и есть риск проявления конусности. Специалисты рекомендуют раскраивать медные листы толщиной от 3 мм при помощи плазменной резки, ведь так обеспечивается оптимальная эффективность и качество.

Латунь имеет свойства, практически полностью совпадающие с характеристиками меди, поэтому может обрабатываться лазером для резки металла при толщине листа до 3 мм. Луч быстро и без искажений раскраивает тонкие листы латуни, заготовки не деформируются, рез не имеет конусности, окалин.
Черная/оцинкованная сталь разрезается лазером, если имеет толщину в пределах 20 мм. При превышении данного показателя значительно снижается энергоэффективность и качество работы.
Нержавейка достаточно твердая, поэтому лазер выбирают для раскроя листов толщиной до 10 мм. Большая толщина негативно отражается на качестве края деталей.
Алюминий режут лазером при толщине до 8 мм. Здесь также происходит снижение энергоэффективности при превышении указанной цифры, поскольку речь идет о тугоплавком металле.
Медь и латунь обрабатывают этим методом, если толщина листа составляет до 3 мм. На скорости и качестве обработки отрицательно сказываются высокие светоотражающие свойства данных материалов.

Обычно лазер используют для резки листов металла небольшой толщины, а также в случаях, когда необходимо сформировать геометрически правильные отверстия для точных соединений.

С обработкой листов толщиной свыше 3 мм отлично справляется плазменный станок, не теряя при этом скорости работы. По качеству реза он лишь немного уступает лазеру, но заготовки требуют дополнительной обработки. Под последней понимают, например, удаление окалины с кромки.

Современные станки для лазерной резки

Сегодня на рынке представлен большой выбор техники, осуществляющей раскрой лазером. Многокоординатное оборудование вытесняет шумные механические резаки с низким уровнем производительности.

Мощность конкретного лазера для резки металлов подбирается в соответствии с особенностями производства и экономическими требованиями.

Современные прецизионные станки с ЧПУ обладают точностью раскроя различных материалов до 0,005 мм и могут обрабатывать площадь до нескольких квадратных метров. Также подобное оборудование предполагает высокую автоматизацию производства, а значит, минимальное участие человека во всех процессах.

Для этого в программе задают необходимую геометрию детали. Далее системы настройки фокуса сами устанавливают расстояние, способное обеспечить самый эффективный раскрой.

Подготовка макета для лазерной резки

Производство деталей с помощью лазера для резки металла предполагает выполнение таких этапов:

Оформление идеи.
Подготовка художественного эскиза.
Формирование технического макета модели.
Изготовление тестовой детали.
Проверка параметров, доработка, если она требуется.
Запуск производства.

Создание технического макета требует особого внимания, поскольку точность выполнения работы на данном этапе определяет качество итогового изделия. Любые чертежи для дальнейших операций с применением лазера выполняются в «AutoCAD» или «CorelDraw», поскольку станки работают с форматами именно этих программ.

К макетам предъявляются такие требования:

масштаб чертежа 1:1;
замкнутые контуры, будь то внешние или внутренние;
CIRCLE, LINE, ARC используются в качестве команд для создания контуров;
команды ELLIPSE, SPLINE не учитываются;
наложение линий приводит к тому, что луч повторно проходит по одной траектории;
в чертеже обязательно фиксируется число деталей и используемый материал;
вся информация о чертеже содержится в одном файле.

Лазерная резка стали и цветных металлов сегодня очень популярна. Заказчики небольших партий изделий обращаются в профильные предприятия, ценя их способность быстро выдавать чистовые детали нестандартной формы.

Лазерные технологии нашли применение в декоративном творчестве, применяются для создания дизайнерских украшений, сувениров.

При выборе лазера в качестве инструмента для резки металла важно учитывать окупаемость оборудования, затраты на эксплуатацию. На данный момент подобные системы доступны преимущественно крупным предприятиям, имеющим большой производственный цикл.

Однако развитие технологий неизбежно приведет к снижению цены на станки и сокращению расхода электроэнергии. А значит, в будущем лазеры займут место прочих инструментов для раскроя разнообразных материалов.

Почему следует обращаться именно к нам

Мы с уважением относимся ко всем клиентам и одинаково скрупулезно выполняем задания любого объема.

Наши производственные мощности позволяют обрабатывать различные материалы:

цветные металлы;
чугун;
нержавеющую сталь.

При выполнении заказа наши специалисты применяют все известные способы механической обработки металла. Современное оборудование последнего поколения дает возможность добиваться максимального соответствия изначальным чертежам.

Для того чтобы приблизить заготовку к предъявленному заказчиком эскизу, наши специалисты используют универсальное оборудование, предназначенное для ювелирной заточки инструмента для особо сложных операций. В наших производственных цехах металл становится пластичным материалом, из которого можно выполнить любую заготовку.

Преимуществом обращения к нашим специалистам является соблюдение ими ГОСТа и всех технологических нормативов. На каждом этапе работы ведется жесткий контроль качества, поэтому мы гарантируем клиентам добросовестно выполненный продукт.

Благодаря опыту наших мастеров на выходе получается образцовое изделие, отвечающее самым взыскательным требованиям. При этом мы отталкиваемся от мощной материальной базы и ориентируемся на инновационные технологические наработки.

Мы работаем с заказчиками со всех регионов России. Если вы хотите сделать заказ на металлообработку, наши менеджеры готовы выслушать все условия. В случае необходимости клиенту предоставляется бесплатная профильная консультация.

Принцип работы станков по лазерной резке металлов

При обработке металла часто требуется его резка. Для обработки металла было придумано большое количество различных методов его резки. Наиболее современным и технологичным методом резки металла является лазерная резка.

Принцип действия лазера

В состав лазера, генерирующего световое излучение, входит рабочее тело, генератор накачки, резонатор и другие вспомогательные элементы. Лазеры бывают следующих видов:

твердотельный лазер;
газовый;
волоконный.

В твердотельном лазере в качестве генерирующего тела используется твердотельный элемент, например, рубин. Лампа накачки вырабатывает световое излучение, которое поглощается рубином, атомы которого возбуждаются и выделяют большое количество световой энергии.

В газовом лазере рабочим телом является газ. Этот газ проходит через газоразрядную лампу, в которой происходит электрический разряд, возбуждающий атомы газа. Наиболее эффективными являются газовые лазеры на углекислом газе.

Волоконный лазер состоит из генератора накачки на светодиоде, световода, в котором происходит генерация, и резонатора.

Преимущества лазерной резки

На станках лазерной резки можно обрабатывать металлы с различными физико-механическими свойствами. К ним относятся:

сталь;
нержавеющая сталь;
алюминиевые сплавы;
латунь;
медь;
сплавы из титана.

При этом для различных типов металла необходимо использовать лазеры различной мощности и разный режим резания. Лучше всего обрабатываются материалы с малой теплопрводностью. Такие материалы как латунь и медь имеют большую теплопроводность, поэтому для их резки требуется повышенная мощность лазера. Наиболее трудной является резка листов из сплавов таких материалов как титан. Этот металл имеет хорошую теплопроводность и отражательную способнось, а кроме того, он очень прочный и быстро окисляется. Для его резки требуется мощный лазер и продувка места резки инертными газами для защиты от окисления.

Использование станков для лазерной резки металлов имеет следующие преимущества:

возможность обработки металлов с различными свойствами;
высокая скорость резания металла;
возможность обработки сложных контуров;
минимальное механическое воздействие на металл;
использоание компьютеризированного управления.

В состав современного станка для лазерной резки металла входят:

лазерный источник;
станина;
приводы и передачи;
система охлаждения;
система подачи газа и дымоудаления;
система автоматического управления;
программное обеспечение.

Чаще всего в станках для резки металлов используются волоконные и газовые лазеры. В волоконном лазере формирование луча происхоит в волоконном резонаторе, а затем энергия луча по волоконному тракту передается к режущей головке. В газовом лазере луч формируется в резонаторе с газами, а затем с помощью системы зеркал энергия луча передается в головку. Режущая головка включает набор линз. Луч этой головки автоматически фокусируется.

В зависимости от типа станка мощность таких лазерных источников может достигать 4-6 кВт. При этом кпд лазеров не превышает 10-15 %.

Станина представляет собой цельносварную конструкцию, которая должна быть жесткой, надежной и долговечной.

Приводы станка должны обеспечивать быстрое и точное передвижение координатой системы станка. Эти приводы мощные и не имеют люфта. Для примера, в станках компании Mitsubishi точность положения режущей головки по каждой из осей должна быть порядка ±0,01 мм. Максимальная скорость резания в таких станках достигает 50 м/мин.

В процессе резки металла требуется охлаждение лазерного источника. Это охлаждение бывает воздушным или водяным.

Для удаления продуктов резания рабочая область резания снабжается продувкой технологичекими газами. В качестве такого газа может быть использован сжатый воздух. А для удаления возникающего при резании металла дыма имеется специальная система.

Для управления такими мощными и скоростными станками необходима современная система управления. Система управления станком для резки металла лазером представляет собой компьютиризованную систему типа ЧПУ. В ее состав входит процессор, память, монитор, программное обеспечение. Управление режущей головкой осуществляется по 3 осям, при этом для управления по оси Z (регулировка высоты) используется обратная связь. Для определения положения лазерного луча используются специальные датчики.

Программное обеспечение станка обычно реализуется на основе стандартной операционной системы, например, Windows. В комплект программного обеспечения, как правило, входит большое число программ. Дополнительные программы могут вводиться с локальной сети предприятия или с помощью разъема USB.

Основы лазерной резки — знания, которые вам пригодятся

Лазеры впервые были использованы для резки в 1970-х годах.

В современном промышленном производстве лазерная резка более широко применяется в обработке листового металла, пластмасс, стекла, керамики, полупроводников и таких материалов, как текстиль, дерево и бумага.

В ближайшие несколько лет применение лазерной резки в прецизионной обработке и микрообработке также получит значительный рост.

Во-первых, давайте посмотрим, как работает лазерная резка.

Когда сфокусированный лазерный луч попадает на заготовку, область облучения быстро нагревается, расплавляя или испаряя материал.

Как только лазерный луч проникает в заготовку, начинается процесс резки: лазерный луч движется по контуру и расплавляет материал.

Обычно для удаления расплава из разреза используется струйный поток, оставляя узкий зазор между режущей частью и рамой.

Узкие швы получаются почти такой же ширины, как и сфокусированный лазерный луч.

Примечание: данная статья является переводом

Газовая резка

Газовая резка - это стандартная техника, используемая для резки низкоуглеродистой стали. В качестве режущего газа используется кислород.

Перед вдуванием в разрез давление кислорода повышается до 6 бар. Там нагретый металл вступает в реакцию с кислородом: он начинает гореть и окисляться.

В результате химической реакции высвобождается большое количество энергии (в пять раз больше энергии лазера).

Рис.1 Лазерный луч плавит заготовку, а режущий газ сдувает расплавленный материал и шлак в зоне разреза

Резка плавлением

Резка плавлением - это еще один стандартный процесс, используемый при резке металла, который также может применяться для резки других легкоплавких материалов, например, керамики.

В качестве газа для резки используется азот или аргон, а воздух под давлением 2-20 бар продувается через разрез.

Аргон и азот являются инертными газами, что означает, что они не вступают в реакцию с расплавленным металлом в надрезе, а просто выдувают его на дно.

Между тем, инертный газ может защитить режущую кромку от окисления воздухом.

Резка сжатым воздухом

Сжатый воздух также можно использовать для резки тонких листов.

Давления воздуха, увеличенного до 5-6 бар, достаточно, чтобы сдуть расплавленный металл в разрезе.

Поскольку почти 80% воздуха - это азот, резка сжатым воздухом - это, по сути, резка плавлением.

Плазменная резка

Если параметры выбраны правильно, то в разрезе плазменной резки с применением плазменного наплавления появляются плазменные облака.

Плазменное облако состоит из ионизированного пара металла и ионизированного газа для резки.

Плазменное облако поглощает энергию CO2-лазера и переводит ее в заготовку, позволяя соединить больше энергии с заготовкой, что позволяет быстрее плавить металл и ускоряет процесс резки.

Поэтому процесс резки также называют высокоскоростной плазменной резкой.

Плазменное облако фактически прозрачно для твердого лазера, поэтому плазменная резка может использоваться только при лазерной резке CO2.

Газифицирующая резка

Газифицирующая резка испаряет материал и минимизирует тепловое воздействие на окружающий материал.

Использование непрерывной обработки CO2-лазером для испарения материалов с низким тепловыделением и высоким поглощением позволяет достичь вышеуказанных эффектов, например, тонкой пластиковой пленки и неплавящихся материалов, таких как дерево, бумага и пенопласт.

Ультракороткоимпульсный лазер позволяет применить эту технику к другим материалам.

Свободные электроны в металле поглощают лазер и резко нагреваются.

Лазерный импульс не вступает в реакцию с расплавленными частицами и плазмой, и материал сублимируется напрямую, не успевая передать энергию окружающему материалу в виде тепла.

В материале для пикосекундной импульсной абляции нет явного теплового эффекта, нет плавления и образования заусенцев.

Рис.3 Газификационная резка: лазер заставляет материал испаряться и гореть. Давление пара вытягивает шлак из разреза

На процесс лазерной резки влияют многие параметры, некоторые из которых зависят от технических характеристик лазерного генератора и станка для лазерной резки, а другие варьируются.

Степень поляризации

Степень поляризации показывает, какой процент лазера преобразуется.

Типичная степень поляризации составляет около 90%. Этого достаточно для высококачественной резки.

Диаметр фокусировки

Диаметр фокуса влияет на ширину разреза и может изменяться путем изменения фокусного расстояния фокусирующей линзы. Меньший диаметр фокуса означает более узкие разрезы.

Фокусное положение

Положение фокуса определяет диаметр луча, плотность мощности и форму надреза на поверхности заготовки.

Рис. 4 Положение фокуса: внутри, на поверхности и на восходящей стороне заготовки.

Мощность лазера

Мощность лазера должна соответствовать ьипу обработки, а также типу и толщине материала.

Мощность должна быть достаточно высокой, чтобы плотность мощности на заготовке превышала порог обработки.

Рис.5 Более высокая мощность лазера позволяет резать более толстый материал

Рабочий режим

Непрерывный режим в основном используется для резки стандартного контура металла и пластика толщиной от миллиметра до сантиметра.

Для выплавки отверстий или получения точных контуров используются низкочастотные импульсные лазеры.

Скорость резки

Мощность лазера и скорость резки должны соответствовать друг другу. Слишком высокая или слишком низкая скорость резки может привести к увеличению шероховатости и образованию грата.

Рис.6 Скорость резания уменьшается с увеличением толщины пластины

Диаметр сопла

Диаметр сопла определяет форму потока газа и воздушного потока из сопла.

Чем толще материал, тем больше диаметр газовой струи и, соответственно, больше диаметр отверстия сопла.

Чистота и давление газа

Кислород и азот часто используются в качестве газов для резки.

Чистота и давление газа влияют на эффект резки.

При резке кислородным пламенем чистота газа составляет 99,95 %.

Чем толще стальной лист, тем ниже давление газа.

При резке азотом чистота газа должна достигать 99,995 % (в идеале 99,999 %), что требует более высокого давления при плавлении и резке толстых стальных листов.

Технические параметры

На ранней стадии лазерной резки пользователь должен определить настройки параметров обработки путем пробной операции.

Теперь необходимые параметры обработки хранятся в управляющем устройстве системы резки.

Для каждого типа и толщины материала имеются соответствующие данные.

Технические параметры позволяют людям, не знакомым с технологией, беспрепятственно управлять оборудованием для лазерной резки.

Оценка качества резки

Существует множество критериев для определения качества кромок лазерной резки.

Например, стандарт формы грата, провисания и зернистости можно оценить невооруженным глазом.

Прямолинейность, шероховатость и ширина надреза должны быть измерены специальными приборами.

Осаждение материала, коррозия, область термического воздействия и деформация являются важными факторами для измерения качества лазерной резки.

Перспективы в будущем

Непрерывный успех лазерной резки находится за пределами досягаемости большинства других методов. Эта тенденция продолжается и сегодня. В будущем применение лазерной резки будет становиться все более и более перспективным.

Если вам понравилась статья, то ставьте лайк, делитесь ею со своими друзьями и оставляйте комментарии!

Читайте также: