Технология лазерной резки. Свет режет металл — как это вообще возможно?

Почему лазерная резка металла хоть и является дорогостоящей операцией, все равно очень востребована сегодня. Все дело в качестве реза и высокой скорости процесса. При этом резка металлов лазером практически проводится без отходов, потому что толщина среза очень тонкая. К достоинствам можно добавить ровные кромки, которые практически не требуют механической доработки, разрезаемые металлические заготовки не подвергаются деформации (только незначительно нагреваются участки, прилегающие к зоне реза). По сути, с помощью лазерной резки получается уже готовое изделия, которое можно использовать в дальнейшем по прямому его назначению.

Технические характеристики проводимого процесса:

• скорость резки металлов: 0,167-12,5 м/с;
• отклонение деталей он нормативных размеров: 0,05-0,2 мм;
• ширина среза сталей толщиною 0,5-5 мм: 0,1-0,3 мм;
• может на кромках оставаться небольшой слой срезанного металла, который легко отделяется.

Лазерной резкой металлов можно резать любые металлические профили: листы, трубы, уголки и прочее. К тому же резке подвергаются металлические изделия, изготовленные по разным технологиям: литье, штамповка, прокат и так далее. От толщины заготовки зависит мощность используемого лазера. К примеру, чтобы разрезать деталь толщиною 12-15 мм, необходим лазер мощностью 1,5 кВт. Для резки заготовки толщиною 4-5 мм требуется лазер мощностью 0,5 кВт. При этом нет необходимости зачищать металлические заготовки, то есть подготавливать их к процессу. Единственное – это удаление антикоррозионной смазки, которую наносят в заводских условиях на некоторые профили.

Описание технологии

При применении лазерной резки вальцуемый металл подвергается влиянию эффектов отражения и поглощения излучения от лазера. Изменение габаритов и формы элементов при лазерной обработке достигается благодаря воздействию двух результатов излучения: плавления и испарения. Описание процесса заключается в следующем:

• Лазерный луч оказывает воздействие на железо в определенной точке.
• Сначала элементы оплавляются до оптимальной температуры, потом начинается процесс плавки металла.
• В фазе плавления возникают углубления.
• Влияние энергии излучения лазера приводит ко 2 фазе процесса — кипит и испаряется металлическое вещество.

Однако, последний механизм требует высоких энергозатрат и осуществим лишь для достаточно тонкого металла. Поэтому на практике резку выполняют плавлением. При этом в целях существенного сокращения затрат энергии, повышения толщины обрабатываемого металла и скорости разрезания применяется вспомогательный газ, вдуваемый в зону реза для удаления продуктов разрушения металла. Обычно в качестве вспомогательного газа используется кислород, воздух, инертный газ или азот. Такая резка называется газолазерной.

Какие металлы можно резать лазером

Самое важное свойство металла для лазерной резки – теплопроводность. Чем она ниже, тем проще сконцентрировать тепло на ограниченном участке. Например, сталь имеет низкую теплопроводность, поэтому плавится и режется быстро. А медь, наоборот, отличается высокой теплопроводностью. В результате тепло быстро распространяется по всему объему разрезаемой заготовки, поэтому для успешной работы понадобится больше энергии.

В целом услуги лазерной резки металла востребованы для таких материалов:

• сталь толщиной до 30 мм;
• алюминиевые сплавы толщиной до 20 мм;
• медь толщиной до 15 мм;
• латунь и нержавеющая сталь толщиной до 12 мм.

Минимальная толщина листового металла для лазерной резки – 0,2 мм.

Такие детали можно изготавливать с помощью установки лазерной резки

Разновидности лазерных приборов

Лазер состоит из элементов:

• Особенного ключа энергии (системы накачки).
• Рабочего объекта, обладающего возможностью вынужденного излучения.
• Оптического резонатора (набор специализированных зеркал).

Принадлежность обработки к той или иной вариации определяется по методу применяемого лазера и его мощи. Сейчас имеется следующее классифицирование лазеров:

1. Твердотельные (мощь не более 7 квт).
2. Газовые (мощь до 22 квт).
3. Газодинамические (мощь от 110 квт).

В производственных целях большей известностью пользуется обработка железа с твердотельным прибором. Светоизлучение может подаваться в импульсном или сплошном режиме. В качестве трудового тела применяется рубин, стекло с добавкой неодима или CaF2 (флюорит кальция). Главным достоинством твердотельных лазеров считается способность создания мощного импульса энергии за несколько секунд.

Газовые лазеры используются для обработки железа в технологических и научных целях. Активным катализатором выступает смесь газообразного азота, углекислого газа и гелия, элементы которых активизируются электрическим разрядом и дают лазерному лучу монохромность и направленность.

Огромной мощностью отличаются газодинамические устройства. Рабочее тело — углекислый газ. Сначала газ прогревается до самой высокой температуры, потом он пропускается через небольшой канал, где случается расширение и последующее охлаждение углекислого газа. В результате этой процедуры выделяется энергия, применяемая для лазерной обработки железа.

Газодинамические устройства можно применять для обработки железа с любой поверхностью. Благодаря небольшому расходу лучевой энергии, их можно разместить на расстояние от обрабатываемой части и при этом сберечь качество резки железа.

Волоконные лазеры для резки металла

Самая современная на данный момент технология генерации лазера среди широко используемых в промышленности. Они так же, как и кристальные, относятся к группе твердотельных. Активной средой таких лазеров является специальное стекловолокно. Оно, опять же, не светится само по себе, первоначальный луч в него посылает сравнительно слабый «затравочный» лазер. Но уже в волокне, в которое поступает электроэнергия, этот луч «разгоняется» до огромной мощности — и вырывается наружу тонким пучком.

• Разница по интенсивности излучения с газовыми лазерами может достигать 100 раз — при той же самой мощности излучения. Благодаря этому можно делать более точные, ювелирные разрезы — и благодаря этому же можно резать такие стойкие материалы, как металл.
• В отличие от газовых и кристальных лазеров, волоконные практически не требуют специального обслуживания. Никаких особенных настроек. Просто режь — и всё. Естественно, это сказывается на расходах, освобождая заказчика резки от дополнительных наценок внутри стоимости лазерной резки.
• В отличие от кристальных лазеров, волоконный спокойно служит не 8 и не 15 тысяч часов, а все 25. И это также сказывается на структуре стоимости резки и издержках заказчика.

А вот пример корпуса производства «Металл‑Кейс»:

Нержавеющие кронштейны с радиусной гибкой (7 фото)

Оборудование

Лазерные устройства для резки железа состоят из элементов:

• Специализированного излучателя (твердотельный или газовый прибор). Должен обладать нужными энергетическими и оптическими показателями.
• Система формирования лучей и газа. Отвечает за подачу луча от цели излучения к детали, которая обрабатывается, и изменение показателей поступающего к точке рабочего газа.
• Устройство передвижения (координации) как самого железа, так и воздействующего на него лазерного луча. А также включает в себя электроисполнительный механизм, привод и мотор.
• АСУ (автоматизированная система управления). Регулирует лазерный луч и управляет координатным механизмом и системой транспортирования и формирования луча и газа. Снабжена разнообразными датчиками и подсистемами.

Современный прибор резки железа способен исполнять любые трудные задачи, даже художественную резку. Их изготовлением занимаются как российские ), так и иностранные предприятия (немецкая ).

Виды

Лазерно-кислородная резка

Мы уже говорили, что для работы с лазером необходимо использование какого-либо газа. Самый простой способ решения — запустить атмосферный воздух в компрессор, а затем выпустить его под луч. Чтобы изменить параметры резки, можно изменить воздух на другой вид газа. Например, чистый кислород. Он принимает участие в окислительных процессах. Если кислород попадает в реакцию с металлом, такие реакции становятся в разы быстрее. А при процессах окисления выделяется большое количество тепла.

СПРАВКА! При лазерно-кислородной резке выделяется примерно в 5 раз больше тепла, чем при использовании только одного лазера.

Такое свойство кислорода дает возможность проводить резку в разы быстрее и экономнее. Почему реакция происходит быстрее, мы уже сказали. А вот удешевление процесса происходит потому, что на работу затрачивается меньше электроэнергии.

Кислородная резка с поддержкой лазерным лучом

Если в предыдущем случае главную роль выполнял лазер, а кислород был лишь помощником, то при таком способе основную функцию выполняет огромная струя кислорода. Луч лазера только готовит материал, разогревая его до 1000 градусов, а кислородной струей происходит сама резка.

Основное преимущество данного способа — возможность резать более плотные металлы (до 50 мм толщиной). Однако и сам процесс идет медленнее по сравнению с предыдущим методом. Также такой вариант не подойдет, если понадобится сделать отверстие меньше 3 мм (в других способах можно получить отверстия диметром 0,1 мм).

СПРАВКА! Обычно такой вариант обработки материала применяется в судостроении или там, где не нужна высокая точность.

Лазерная резка в инертном газе

Окисление кислорода не подходит для некоторых видов металла, от такой обработки материал может испортиться. Использование воздуха тоже не спасет ситуацию, поскольку в нем присутствуют частицы кислорода. В этом случае и работа будет идти медленнее, и ее результаты будут не на высшем уровне.

На помощь приходят инертные газы. На участок обработки попадает струя инертного газа, она не вступает в окислительную реакцию, но при этом охлаждает места срезов и выдувает лишнее из места обработки.

Для «нержавеек» и сплавов алюминия часто применяют азот. Этот газ условно-инертный, поскольку он вступает в реакции, но не окисляет материал. Этого свойства хватит для обработки «капризных» металлов.

Но, например, для работы с титаном азот ни в коем случае не используется. Здесь лучше применить аргон.

Гравировальный лазерный станок GCC LaserPro Gaia 200

• Размеры, мм 1820 х 1250 х 1330

• Вес, кг 440

• Макс. скорость двигателей 750 мм/с
• Максимальный размер загружаемого материала 1300 х 924 х 60 мм
• Мощность трубки лазера 200 Вт
• Производитель излучателя Synrad FireStar, США
• Рабочее поле 1300 х 916 мм
• Разрешение, DPI 200, 250, 300, 500, 600, 1000
• Тип лазера отпаянный СО2 лазер
• Тип охлаждения лазерной трубки воздушное, водяное
• Тип двигателя серводвигатель

Перейти к товару

Лазерное термораскалывание

Все описанные выше способы подходят только для работы с металлическими материалами. Такой вид подойдет и для работы со стеклом. При этом появляется не разрез, а трещина, только она направленная лучом и гладкая. Луч лазера проделывает трещину, а струя газа отвечает за охлаждение участка.

Лазерная испарительная резка (сублимационная)

При такой обработке металл не плавится, а испаряется. Это одна из последних разработок в области разрезания материалов. Сам процесс разрезания происходит не цельными лучами, а мельчайшими вспышками (длительность одной намного меньше 1 секунды).

Особенности испарительной обработки:

• применяется в микротехнологиях, когда нужно уберечь материал от термического воздействия;
• длина одной волны составляет меньше 1 мкм.

Лазерная резка тонкого железа

Промышленным изготовителям удобнее применять листы металла для нарезки, чем необработанные части большой толщины. При этом можно экономить электроэнергию и применять методы резки листового железа с большей мощностью.

Методы нарезки железа, лист которого подготовлен к обработке, — это кислородная нарезка (выжигание), резка группой газов (аргон, азот) и сжатым воздухом. Среди достоинств лазерной нарезки листового железа перед прочими видами обработки возможно выделить:

• Большую точность отдачи и нарезки лазерного луча.
• Возникает меньше пыли на плоскости детали.
• Маленькая вероятность нанесения повреждений листу железа.
• Понижение энергетических затрат.
• Формирование объемных простых конструкций с высокий скоростью и наименьшей площадью отделываемого материала.

Благодаря своим плюсам и применению точного передового оборудования, резка железа используется для создания:

• Частей машиностроительной техники.
• Декоративных подставок, полок, стеллажей и оснащения для торговой промышленности.
• Составляющих котлов, емкостей, дымоходов и печей.
• Звеньев дверей и ворот, кованных ограждений.
• Личного дизайна шкафов и корпусов.
• Своеобразных вывесок, букв и трафаретов.

Использование резки имеет массу преимуществ перед иными видами отделки металла. Потому все больше предприятий употребляют в своем производстве именно лазерную обработку железа.

Инновационные лазерные комплексы

Всемирная станочная индустрия идет в ногу со временем и дает своим потребителям всевозможное электрооборудование для резки железа. Многокоординатные аппараты призваны сменять громкие и низко плодотворные механические резаки. Энергия лазера зависит от специфичности производства и финансового обоснования избранного агрегата. Новейшее поколение прецессионных разделывающих станков с ЧПУ разрешают проводить отделку материалов с верностью до 0,005 мм. Метраж обработки отдельных моделей лазерных установок достигает многих квадратных метров.

Огромным достоинством считается минимизирование человеческого фактора, содержащаяся в высокой автоматизации промышленного процесса. Геометрия компонентов задается в макропрограммный блок, исполняющий управление лазером и трудовым столом с болванкой. Системы настройки фокуса машинально выбирают приемлемое расстояние для действенного резания.

Специфические теплообменники регулируют температуру лазерного агрегата, выдавая оператору контрольные сведения настоящего состояния инструмента. Лазерный механизм оснащается клапанными приспособлениями для подключения газобаллонного снабжения, чтобы снабдить подачу запасных газов в рабочую часть. Система дымоулавливания призвана улучшить расходы на вытяжную вытяжку, включая её прямо в момент обработки. Зона обработки полностью экранируется предохранительным кожухом для защищенности обслуживающего персонала.

Резка листового железа на современном оборудовании преобразуется в легкий процесс задания числовых характеристик и получения на выходе готового компонента. Продуктивность оборудования впрямую зависит от характеристик станочного комплекса и квалификации оператора, формирующего программный код. Методика резки железа пропорционально вписывается в концепцию роботизированного изготовления, призванного полностью избавить человека от тяжелого труда.

Изготовители предлагают разные типы лазерных станков:

1. Многоцелевые.
2. Специальные.

Стоимость первых больше, но они дают возможность производить некоторое количество операций и выпускать детали более трудной формы. Немалое количество рыночных услуг дает возможность выбора для заинтересованных покупателей.

Профессионалы машиностроительных предприятий понимают возможности использования предоставленной технологии для изготовления точных деталей с превосходной шероховатостью. Область использования обширна: от обычного раскроя листового металлопроката до приобретения сложных кузовных деталей автомашин.

Видимые плюсы нарезки железа сводятся к нескольким аспектам:

• Высокое качество отделанной поверхности.
• Бережливость материала.
• Умение работы с непрочными материалами и мелкими заготовками.
• Вероятность получения компонентов сложной конфигурации.

Среди минусов:

• Высокая цена оснащения.
• И расходных материалов.

Нарезка железа и цветных металлов пользуется огромным рыночным спросом. Лазерные технологии интенсивно применяются в декоративном творчестве при создании дизайнерских украшений и уникальных сувениров.

Решение об использовании обработки должно приниматься с учетом расчета окупаемости оснащения и величине рабочих расходов. В настоящее время подобные установки могут себе разрешить в основном большие предприятия с немаленьким производственным циклом. С раскручиванием технологии будут уменьшаться стоимость станков и величина употребляемой энергии, поэтому в будущем лазерные агрегаты вытеснят своих конкурентов.

Что понимается под раскроем металла

Раскрой листового металла относится к заготовительным операциям. Они выполняются с целью сформировать детали, пригодные для сварки и монтажа. По сути, это производство фрагментов металлоконструкций. На предприятиях нередко работают целые заготовительные подразделения, где производится резка, обработка краев реза, гибка и т. д. В результате получаются заготовки, требующие дополнительной обработки, или уже готовые детали. Все зависит от того, какие технологии и оборудование применяются на этом этапе.

Перед началом раскроя нужно рационально разместить «выкройки» на листе. Заготовка может быть любой формы, но проще всего, конечно, работать с прямоугольными. В ходе резки листового металлопроката образуются отходы – возвратные и невозвратные. Количество этих остатков непосредственно связано с используемой технологией.

Рекомендуем статьи по металлообработке

• Марки сталей: классификация и расшифровка
• Марки алюминия и области их применения
• Дефекты металлический изделий: причины и методика поиска

Раскрой листового металла – непростая и очень ответственная операция. От нее зависит качество и себестоимость деталей и всей конструкции в целом. На современных предприятиях отдают предпочтение эффективным высокотехнологичным методам резки.

Преимущества и недостатки технологии

Нарезка железных изделий имеет множество значимых преимуществ по сравнению с иными способами резки. Из многочисленных достоинств настоящей технологии стоит в обязательном порядке отметить следующие:

1. Интервал толщины изделий, которые можно успешно подвергать гравировке, довольно широкий: сталь — от 0,2 до 22 мм, медь и латунь — от 0,3 до 16 мм, сплавы на базе алюминия — от 0,3 до 22 мм, нержавеющая сталь — до 55 мм.
2. При применении лазерных аппаратов исключается надобность механического контакта с обрабатываемой составной частью. Это позволяет производить, таким образом, резки просто деформирующиеся и хрупкие детали, не волнуясь за то, что они будут испорчены.
3. Получить с помощью нарезки продукт требуемой конфигурации просто для этого довольно загрузить в блок регулирования лазерного агрегата чертеж, сделанный в специальной программе. Все остальное с наименьшей степенью погрешности (достоверность до 0,2 мм) осуществит оборудование, оснащенное компьютерной системой управления.
4. Агрегаты для выполнения нарезки могут с большой скоростью обрабатывать нетолстые листы из стали, а также фабрикаты из твердых сплавов.

Лазерная обработка способна полностью заменить дорогостоящие научно-технические операции литья и штамповки, что уместно в тех случаях, когда нужно изготовить маленькие партии продукции. Можно существенно снизить первоначальную стоимость продукции, что достигается за счет более высокой скорости и выработки процесса обработки, снижения объема остатков, отсутствия потребности в последующей механической обработке.

Наряду с высокой мощностью, приборы для лазерной обработки имеют необыкновенную универсальность, что дает возможность вычислять с их помощью задачи любого уровня сложности. В то же время для лазерной обработки характерны и определенные недостатки.

Из-за высокой силы и значительного энергопотребления оснащения для лазерной резки, первоначальная стоимость изделий, изготовленных с его использованием, выше, чем при их производстве способом штамповки. Однако это можно причислить только к тем ситуациям, когда в себестоимость штампованного элемента не включена цена производства технологической оснастки.

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.

Еще одним преимуществом лазерной резки является ее точность, измеряемая в процентном отношении. В основе требований к названному параметру лежит толщина обрабатываемой заготовки, а также цели ее дальнейшего использования. При работе с металлическим профилем, толщина которого достигает 10 мм, погрешность варьируется от 0,1 до 0,5 мм.

На скорость резки влияет также теплопроводность обрабатываемого металла. Чем более высоким будет этот показатель, тем больше энергии необходимо для обработки, поскольку тепло из рабочей зоны будет отводиться более интенсивно. К примеру, лазер, мощность которого составляет 600 Вт, без труда справится с черными металлами или титаном. В то же время работа с медью и алюминием, отличающимися повышенной теплопроводностью, будет намного сложнее. Что касается усредненных показателей, разработанных для разных металлов, они являются следующими:

Качество реза находится в прямой зависимости от принципа лазерной резки и выбранного режима работы. Характеристиками качества являются точность вырезанной заготовки, ширина реза, шероховатость и ровность поверхностей кромок, присутствие на них частиц оплавленного металла (грата), глубина реза. Однако основное значение имеют такие параметры, как скорость резки и толщина детали.