Заказать звонок


все коммерческие предложения высылать на [email protected]
для оформления заявок [email protected]



Лазерная обработка металла


Обработка металла лазером: преимущества и особенности технологии

 

Вопросы, рассмотренные в материале:

  • Где преимущественно применяется технология обработки металла лазером
  • Какие существуют способы обработки металла лазером
  • Какое оборудование используется для лазерной обработки металлов
  • Каковы особенности лазерной обработки различных видов металла

Научно-технический прогресс позволил сократить долю ручного труда в производстве. Благодаря разработке передовых инновационных технологий процесс металлообработки стал автоматизированным. Обработка металла лазером позволяет повысить сложность, скорость и точность производственных операций. Из этой статьи вы узнаете об особенностях и преимуществах этой современной технологии.

История технологии обработки металла лазером

 

В инновационной технологии обработки металла лазером воплотились все передовые достижения академической физики. Оптический квантовый генератор или лазер был открыт во второй половине XX века. Лазерное устройство лавинообразно генерирует фотоны с одинаковой энергией, направленностью движения и поляризацией и преобразует энергию накачки (световую, электрическую, тепловую, химическую и др.) в энергию монохроматического когерентного света. Этот удивительный оптический прибор излучает мощный узконаправленный пучок интенсивного света.

Открытие было высоко оценено физиками и инженерами. В 1962 году, после испытания первого лабораторного квантового генератора, американская фирма «Спектра физикс» разработала и представила на рынке коммерческие лазеры. Это был настоящий революционный прорыв в лазерных технологиях. Позже были созданы различные типы и модификации лазера – от микроприборов до гигантских установок. Например, длина лазерной установки «Нова» в Национальной лаборатории Лоуренса Ливермора в США составляет 137 м, а ее суммарная мощность – 1014 Вт. Лазерное оборудование широко используется в научных и производственных областях.

Уже в 70–80 годы XX века началось интенсивное развитие лазерных технологий, которые с большим успехом применялись в обработке металла: сварке, закалке, наплавке, маркировке, резке. С помощью лазерного оборудования изготавливались различные детали и элементы конструкций: прокладки, кронштейны, дисковые пилы, панели, щитки для приборов, двери, декоративные решетки.

Изобретение кинематических сложных роботов-манипуляторов и гибких оптоэлектронных лучепроводов позволило расширить возможности лазерной металлообработки. В современном производстве с помощью лазера осуществляется резка пространственных металлоизделий.

Сегодня обработка металла лазером – это высокоэффективный технологический процесс. Лазерные станки являются высокотехнологичным современным оборудованием благодаря уникальным свойствам лазера: высокой мощности излучения – до 108-109 Вт/см2 в непрерывном режиме и до 1016-1017 Вт/см2 в импульсном.

Лазерный луч легко управляется автоматизированными системами. Мощное излучение мгновенно нагревает и прожигает сфокусированную зону. При охлаждении металла заготовка не деформируется и сохраняет свою форму. Область резки очищается от продуктов сгорания способом продувки с использованием технологического газа: кислорода, азота, воздуха.

В каких сферах применима обработка металла лазером

 

Открытие лазера можно назвать одним из самых значимых научно-технических достижений XX века. Разработка универсальных лазерных технологий способствовала рождению современных направлений научной и технической оптики, появлению новых промышленных отраслей.

Лазерные технологии применяются не только для обработки различных материалов, они стали незаменимым элементом специализированных информационных систем, широко используются в науке, медицине, при создании военной техники.

Лазерная резка, в отличие от механического метода, является более эффективным и экономически выгодным способом раскроя любых металлических листов. Такой метод металлообработки не наносит вреда материалам, полностью исключает деформацию, не требует дальнейшей постобработки.

При обработке металла лазером снижается расход материалов. Современные лазерные станки оснащены специальными программами, которые автоматически помогут рассчитать наиболее экономичный способ раскроя материала.

Лазерная металлообработка является универсальной и востребованной в различных производственных областях: строительстве, машиностроении, станкостроении. С помощью лазера можно изготовить не только крупные массивные детали, но и хрупкие декоративные элементы.

Преимущества и недостатки обработки металла лазером

 

Лазерная обработка является самым эффективным и высококачественным способом резки различных металлов. Весь технологический процесс раскроя автоматизирован и выполняется по заданным критериям. Лазер хорошо режет любые металлы с различными показателями теплопроводности.

Высокая энергетическая мощность лазерного луча обеспечивает расплавление металла в области резки. Но при этом полностью исключается даже минимальная деформация заготовки, так как зона термического воздействия очень ограничена. Эта особенность позволяет использовать лазерную технологию для обработки мягких металлов.

Преимущества обработки метала лазером:

    • Полностью исключается механическое воздействие на заготовку или деталь. Лазерная технология позволяет резать мягкие, хрупкие материалы без риска деформации.
    • Возможность обрабатывать твердые сплавы.
    • Высокая точность раскроя и реза. Кромка в зоне резки очень ровная, отсутствуют наплывы, заусеницы и другие дефекты.
    • Не требуется последующая дополнительная обработка готовых изделий.
    • Есть возможность вырезать заготовки и детали даже самой сложной геометрической формы.
    • Простота и легкость управления оборудованием. Рисунок детали выполняется в чертежной программе и переносится в компьютер лазерного оборудования для выполнения резки.
    • Высокая производительность. Обработка металла лазером происходит в 10 раз быстрее, чем резка с помощью газовой горелки.
    • Высокая скорость раскроя тонколистового проката.
    • Максимальная экономия расходных материалов за счет компактного размещения деталей на листе.
    • Экономическая эффективность. Снижение затрат при изготовлении небольших партий деталей, так как отсутствует необходимость изготовления форм для прессования или литья.

Недостатки обработки метала лазером:

      • Высокая стоимость оборудования.
      • Низкая эффективность обработки металлов и сплавов с высокими отражающими свойствами: алюминием, нержавеющей сталью.
      • Допустимая максимальная толщина металлического листа – 20 мм.

Виды обработки металла лазером

В современном промышленном производстве все чаще применяются лазерные установки. С помощью этой уникальной технологии осуществляется резка, формовка, стыковка материалов. Лазерным лучом можно нанести покрытие или изменить свойства различных материалов: металла, пластмассы, древесины, бумаги и металла.

Наиболее востребованными лазерными технологиями являются: прямое лазерное спекание (DMLS), лазерная и лазерно-механическая гибка, лазерная резка и лазерное сверление, лазерная сварка.

1. Прямое лазерное спекание металлов.

 

Технология прямого лазерного спекания позволяет быстро изготовить образцы любых металлических деталей без ограничения в геометрической форме. Таким способом изготавливаются металлические формообразующие вставки пресс-форм для литья полимеров под давлением.

Для выполнения прямого лазерного спекания в компьютер вводятся данные в трех измерениях. С помощью высокотемпературного лазерного луча металлический порошок равномерно и постепенно наплавляется вдоль контура заготовки в соответствии с 3D-данными. Готовые детали отличаются высокой прочностью и могут выдерживать максимальные механические нагрузки.

Прямое лазерное спекание применяется для обработки таких сплавов и металлов, как:

      • высококачественная сталь;
      • инструментальная сталь;
      • титан;
      • алюминий.

2. Лазерная гибка металлов.

 

С помощью технологии лазерной гибки осуществляется загибание заготовки. Лазерный луч нагревает зону обработки на плоской металлической пластине. Поверхность, не прогретая лазером, препятствует расширению металла в месте нагрева. Под действием возникшего механического напряжения пластина сгибается. Происходит пластическая деформация металла, вследствие которой пластина после охлаждения сохраняет новую форму.

При выполнении лазерно-механической гибки место сгиба сначала нагревается с помощью лазерного луча, а затем осуществляется механический загиб пластины. Эта технология позволяет уменьшить механическое воздействие в процессе гибки и увеличить относительное удлинение при разрыве металла. Такая обработка металла лазером дает возможность получить больший угол при меньших радиусах изгиба.

3. Лазерная резка металлов.

 

Технология лазерной резки позволяет с помощью лазерного луча выполнить термическую резку металлических листов или трехмерных заготовок: труб, профилей.

Метод лазерной резки используется в случае, если необходимо быстро и с высокой точностью произвести обработку геометрически сложных, двух- или трехмерных заготовок, сделать трехмерные вырезы в труднодоступных зонах, выполнить бесконтактную резку. Скорость обработки составляет от 10 до 100 и более м/мин. Лазерная резка, по сравнению с вырубкой в штампе, является экономически выгодным способом изготовления даже небольшого количества заготовок.

В производстве могут использоваться комбинированные установки, оснащенные фокусированным лазером высокой мощности для лазерной резки и вырубной головкой для вибрационной высечки и вырубки в штампе. На таком оборудовании можно выполнить две операции – лазерную резку и вырубку в штампе. В таких устройствах обычно применяется углекислотный (газовый), твердотельный или волоконный лазер.

4. Лазерное сверление металлов.

 

Обработка металла лазером осуществляется без снятия стружки. С помощью лазерного луча внутрь заготовки локально передается мощный поток энергии. В зоне лазерного воздействия материал ионизируется, превращается в пар (плазму) и испаряется. Чтобы исключить образование наплавления по краю отверстия, образовавшаяся плазма отбрасывается в сторону под давлением, которое возникает между внешней средой заготовки и местом сверления.

      • Одноимпульсное лазерное сверление.

 

Отверстие сверлится за один импульс лазерного излучения. У способа одноимпульсного сверления есть свои недостатки: большая энергозатратность импульса; ограничение толщины заготовки, в которой делаются отверстия; коническая форма отверстий из-за постепенного ослабления тепловой энергии при передаче внутрь материала.

      • Ударное лазерное сверление.

 

Отверстие сверлится за несколько импульсов лазерного излучения – лазер несколько раз бьет в одну и ту же точку на заготовке. При каждом импульсе материал испаряется и вытесняется из отверстия под действием испарившейся составляющей. В результате многоимпульсной обработки металла лазером получаются более глубокие (около 100 мм) отверстия, чем при одноимпульсном сверлении.

К преимуществам этого способа сверления можно отнести следующие возможности: сделать отверстия под углом к поверхности заготовки; просверлить отверстия в материалах повышенной твердости, получить качественный результат сверления. Недостатком является более длительный процесс выполнения технологической операции.

      • Лазерное трепанирование (вырезание отверстий).

 

Отверстие любого диаметра сверлится лазерным лучом, который пульсирует и вращается. После высверливания в заготовке первого отверстия рядом с ним с некоторым перекрытием делается другое. Как показывает практика, наиболее соответствующим является перекрытие от 50 до 80 % площади отверстия.

      • Ударное сверление вращающимся лазерным лучом (лазерным «спиральным сверлом»).

 

Этот способ сверления по принципу выполнения очень похож на ударное лазерное сверление, разница лишь в том, что лазерный луч дополнительно вращается. Лазерное «спиральное сверло» снимает с заготовки материал в виде стружки-спирали. Метод ударного сверления вращающимся лучом позволяет добиться высокого качества обработки металла лазером.

5. Лазерная сварка металлов (LBW).

 

Лазерная сварка применяется для соединения нескольких металлических деталей. Лазерный луч является концентрированным источником тепловой энергии. Такая сварка отличается большой глубиной и высокой скоростью выполнения сварочной операции. В результате получается тонкий и качественный сварной шов. Технология лазерной сварки часто используется в машиностроении.

Для электронно-лучевой (EBW) и лазерной сварки характерна высокая плотность энерговыделения (в среднем 1 МВт/см2). Тепловая мощность луча обеспечивает большую скорость нагрева и быстрое охлаждение рабочей зоны. Термическое влияние лазера распространяется на небольшие области заготовки.

Для сварки используются только лучи небольшого диаметра, размер лазерного пятна варьируется от 0,2 мм до 13 мм. Энергетические затраты зависят от глубины проникновения луча и положения фокальной точки. Чем больше глубина проникновения, тем выше энергозатратность. При расположении фокальной точки ниже поверхности заготовки расходуется максимальное количество энергии.

Выбор непрерывного или пульсирующего лазерного луча зависит от свойств свариваемых заготовок. Для соединения тонких материалов (например, лезвия бритвы) выбирают импульсы длительностью порядка миллисекунд, а для выполнения глубокой сварки необходим непрерывный лазерный луч.

Лазерную сварку называют универсальной технологией, так как с ее помощью можно выполнить соединение деталей из различных металлов и сплавов: алюминия, титана, сталей (нержавеющих, углеродистых, высокопрочных низколегированных).

Лазерная сварка, как и электронно-лучевая, отличается высоким качеством. Но высокая скорость охлаждения при сваривании высокоуглеродистых сталей может привести к растрескиванию шва. Скорость сварки зависит от количества затраченной энергии, типа заготовок и толщины металла. Газовые лазеры обладают высокой мощностью и преимущественно используются для крупносерийного производства в автомобилестроении.

Какое оборудование используется для обработки металла лазером

 

Оборудование для лазерной металлообработки различается по источникам излучения и выходной мощности, которая определяет металлический материал. Твердотельные (на гранате с неодимом Nd:YAG) квазинепрерывные и импульсно-периодические лазерные источники с выходной мощностью от 100 до 300 Вт предназначены для обработки черных металлов и нержавеющей стали. Газовые непрерывные СО2 лазерные источники с выходной мощностью до 2500 Вт используются для обработки черных металлов легированных сталей и некоторых других видов сплавов.

В комплект оборудования для обработки металла лазером входит:

      • лазер, оснащенный системой охлаждения и системой питания;
      • координатный стол для крепления заготовки;
      • компьютерная система управления координатным столом;
      • устройство подачи технологического газа;
      • вентиляционная система.

 

Для обработки металла используется лазер с очень большой мощностью излучения. Чтобы предупредить его перегрев, лазерная установка оснащена двухконтурной водяной системой охлаждения или холодильным компрессором на фреоне. Выбор источников питания лазера зависит от практикоориентированных технологических задач. Трансформаторные схемы питания способны выдерживать большие нагрузки, обеспечивают непрерывную работу и считаются более надежными. При минимальных мощностях используются импульсные блоки питания.

Координатный стол – это высокоточное автоматизированное оборудование, оснащенное портальной схемой. Заготовка, неподвижно закрепленная на координатном столе, режется лазерным лучом, который перемещается по координате. Но могут быть и другие схемы. Например, при резке Nd:YAG лазерный луч перемещается по одной координате, а стол с закрепленной заготовкой двигается по другой координате.

Промышленная компьютерная система для управления координатным столом оснащена различными аппаратными устройствами: приводом, датчиками и т. д. Все поставленные задачи выполняются с помощью программного обеспечения, в состав которого входят:

      • Программа ввода исходных данных (электронных чертежей) в графических редакторах AutoCad, CorellDraw, Adobe Illustrator и др. Используются следующие форматы данных: *.plt, *.ai, *.dxf, *.cf2.
      • Программа управления поворотом, масштабированием, размножением исходного файла (электронного чертежа) по рабочему полю стола.
      • Программа настройки параметров лазерной обработки и режима врезки, автоматического учета ширины реза, определения внутренних и внешних контуров, корректировки режима резки непосредственно в технологическом процессе.
      • Программа настройки параметров координатного привода и рабочей среды оператора, генерации (рисования) простейших геометрических форм.
      • Программа подключения внешних устройств, управления лазерным излучателем, обеспечения связи с внешней локальной сетью.

 

При выполнении лазерной резки используется различный технологический газ – кислород для щадящей резки черных металлов, инертный газ азот для нержавеющей стали. При прожигании материала лазерным лучом образуются газообразные и аэрозольные продукты распада. Их удаление осуществляется с помощью специальной вентиляции, которая является обязательным элементом любой промышленной установки для обработки металла лазером.

Для того чтобы лазерный луч попадал точно в цель, оборудование оснащено системой зеркал «летающая оптика». Альтернативой является комплекс деформируемых зеркал, в котором сочетаются стационарные и «портальные» схемы. Луч, прежде чем попасть в сфокусированную точку, отражается в зеркалах и дважды меняет траекторию движения. И хотя в такой системе отсутствует сложная механика, к ее главным недостаткам можно отнести трудности в управлении зеркальными поверхностями.

Современная лазерная установка – это сложный механизм, отличающийся простотой управления. Лазерное оборудование обеспечивает высокую скорость и точность металлообработки.

Компьютерное оснащение позволяет полностью исключить фактор человеческой ошибки, способствует экономичному расходу материалов, гарантирует высокое качество каждого готового изделия.

Полная автоматизация всех операций обеспечивает постоянство сфокусированных лучей. Вся энергия с помощью линз совмещается в один мощный лазерный луч, который при соприкосновении с материалом нагревает поверхность в зоне линии разреза. В то же время остальная область заготовки остается холодной. В результате обработки детали не деформируются, на их поверхности отсутствуют какие-либо дефекты.

Особенности обработки различных видов металла лазером

1. Лазерная обработка алюминия.

 

Алюминиевые заготовки обрабатываются по заданному автоматизированному шаблону. На начальном этапе в программу загружаются исходные данные – электронные чертежи будущей детали. К выполнению этого процесса не привлекаются узкие специалисты. С помощью компьютера рассчитывается наиболее рациональное расположение формы детали на металлическом листе. Процент излишков сведен к минимуму.

Резка стали и деревообработка являются наиболее востребованными технологиями в промышленном производстве.

В сфокусированную на заготовке точку вместе с лазерным лучом подается поток воздуха, который увеличивает энергию излучения, удаляет продукты плавления и шлаки.

Алюминий – мягкий материал, обладающий высокой теплопроводностью. Он быстро поглощает тепловую энергию лазера. Для многих небольших производственных цехов это свойство металла является проблемой, так как для работы с ним необходим мощный лазер.

Особенности обработки алюминия лазером:

      • невысокая производственная скорость, так как высокоскоростные установки не обеспечивают необходимый контроль деформации заготовки;
      • отсутствует прямой контакт с материалом в процессе всей операции, лазерный луч прожигает поверхность алюминиевого листа;
      • продувная зона обеспечивает полную очистку контура;
      • при правильно загруженном чертеже автоматизированная установка позволяет изготовить детали самой сложной формы;
      • при работе с алюминием ошибки исключены, система ЧПУ полностью контролирует весь технологический процесс.

При обработке мягкого металла лазером к крепежным элементам предъявляются особые требования, это особенно актуально для устаревших лазерных установок. Для лазерной резки не требуется закрепление заготовок – деталь кладется на координатный стол, а лазерная установка автоматически выполняет все операции в соответствии с введенными данными, загруженными электронным чертежом.

2. Обработка нержавеющей стали.

 

Нержавеющая сталь обладает высокой сопротивляемостью к любому виду физического и энергетического воздействия. Поэтому обработка этого сплава является непростым энергозатратным процессом.

Особенности обработки нержавеющей стали лазером:

      • Раскрой материала осуществляется бесконтактным способом, в результате этого полностью исключается даже самая незначительная деформация деталей.
      • Даже при высокой сопротивляемости материала отсутствует фактор погрешности.
      • При лазерной резке листовой стали не образуются дефекты, такие как: заусеницы, отслоение краев, заусениц, деформация кромки края.
      • Сокращение временных затрат, следовательно, и снижение стоимости выполнения работ.
      • Показатель мощности лазерного оборудования не должен иметь каких-либо ограничений по толщине материала или заготовок. Раскрой любого стального листа осуществляется равномерно, в соответствии с электронным чертежом.

Основным преимуществом обработки нержавеющей стали лазером является высокое качество деталей и длительный период их эксплуатации.

Нержавеющая сталь устойчива к коррозии и процессам окисления. Лазер нисколько не снижает физические характеристики нержавеющих сплавов.

3. Обработка лазером меди и латуни.

 

Чтобы обеспечить правильный раскрой листов меди, необходимо выставить правильные параметры установки ЧПУ, именно от этого будет зависеть качество изготовленных деталей. Резка выполняется на низких скоростях и при максимальной мощности лазера. Несоблюдение технологических правил отразится на конечном результате – нарушится структурная целостность заготовки, произойдет деформация кромок.

Для лазерной резки латуни нет необходимости в особой настройке программы, достаточно выставить стандартные параметры ЧПУ. Лазерная технология гарантирует изготовление деталей высокого качества. В процессе обработки металла лазером не нарушаются физические свойства материала, исключается деформация изделий и образование дефектов. Подобную резку можно по праву назвать современной технологией ювелирной металлообработки.

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 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.

vt-metall.ru

Технология лазерной резки железа: разновидности, оборудование для процесса, преимущества и недостатки

Среди большого количества технологий по обработке железа лазерная резка выделяется экономичностью и производительностью. Эта технология позволяет не только сверхточно производить изделия со сложным геометрическим контуром, но и обеспечивает высокую скорость изготовления этих изделий.

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.

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.

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 фирмы («Технолазер»), так и иностранные предприятия (немецкая фирма «Trumpf»).

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.

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.

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.

tokar.guru

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.

wikimetall.ru

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 108 Ватт на один квадратный сантиметр. Для того чтобы понять, как удается добиться такого эффекта, необходимо разобраться, какими свойствами обладает лазерный луч:

  • Лазерный луч, в отличие от световых волн, характеризуется постоянством длины и частоты волны (монохроматичность), что и позволяет легко фокусировать его на любой поверхности при помощи обычных оптических линз.
  • Исключительно высокая направленность лазерного луча и небольшой угол его расходимости. Благодаря такому свойству на оборудовании для лазерной резки можно получить луч, отличающийся высокой фокусировкой.
  • Лазерный луч обладает еще одним очень важным свойством – когерентностью. Это значит, что множество волновых процессов, протекающих в таком луче, полностью согласованы и находятся в резонансе друг с другом, что в разы увеличивает суммарную мощность излучения.

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:

  • плавлением металла;
  • испарением обрабатываемого металла.

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:

  • активизация процесса окисления металла (это позволяет снизить его отражающую способность);
  • повышение тепловой мощности в зоне реза (поскольку металл в среде кислорода горит более активно);
  • выдувание из зоны реза мелких частиц металла и продуктов сгорания кислородом, подаваемым под определенным давлением (это облегчает приток газа в зону обработки).

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.

  • Диапазон толщины изделий, которые можно успешно подвергать резке, достаточно широк: сталь – от 0,2 до 20 мм, медь и латунь – от 0,2 до 15 мм, сплавы на основе алюминия – от 0,2 до 20 мм, нержавеющая сталь – до 50 мм.
  • При использовании лазерных аппаратов исключается необходимость механического контакта с обрабатываемой деталью. Это позволяет обрабатывать таким методом резки легко деформирующиеся и хрупкие детали, не переживая за то, что они будут повреждены.
  • Получить при помощи лазерной резки изделие требуемой конфигурации просто, для этого достаточно загрузить в блок управления лазерного аппарата чертеж, выполненный в специальной программе. Все остальное с минимальной степенью погрешности (точность до 0,1 мм) выполнит оборудование, оснащенное компьютерной системой управления.
  • Аппараты для выполнения лазерной резки способны с большой скоростью обрабатывать тонкие листы из стали, а также изделия из твердых сплавов.
  • Лазерная резка металла способна полностью заменить дорогостоящие технологические операции литья и штамповки, что целесообразно в тех случаях, когда необходимо изготовить небольшие партии продукции.
  • Можно значительно снизить себестоимость продукции, что обеспечивается за счет более высокой скорости и производительности процесса резки, снижения объема отходов, отсутствия необходимости в дальнейшей механической обработке.

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.

  • Из-за высокой мощности и значительного энергопотребления оборудования для лазерной резки себестоимость изделий, изготовленных с его применением, выше, чем при их производстве методом штамповки. Однако это можно отнести лишь к тем ситуациям, когда в себестоимость штампованной детали не включена стоимость изготовления технологической оснастки.
  • Существуют определенные ограничения по толщине детали, подвергаемой резке.

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

Установки твердотельного типа

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

Газодинамическое оборудование

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:

  • систему, отвечающую за передачу и образование газа и излучения (в состав такой системы входят сопло, устройство для подачи газа, юстировочный лазер, поворотные зеркала, оптические элементы и др.);
  • излучатель, оснащенный зеркалами резонатора, содержащий активную среду, устройства для накачки и обеспечения модуляции, если она необходима;
  • систему управления всеми параметрами работы оборудования и осуществления контроля за их соблюдением;
  • узел, обеспечивающий перемещение обрабатываемого изделия и лазерного луча.

met-all.org

Резка металла лазером и особенности применения лазерного метода, преимущества, сфера применения

Резка металла лазером — относительно новый метод его обработки, в настоящее время он является одним из наиболее актуальных и оптимальных. Этот процесс невероятно точный и отличается высокой технологичностью. Он гибкий и быстрый, позволяет значительно сократить затраты на материал, увеличить гибкость производства, а также получить в итоге продукцию высокого качества.

Под лазерной резкой понимается технологии раскроя и резки материалов с применением высокомощных лазеров. Чаще всего она задействуется на промышленных крупных производствах.

Лазерный луч сфокусирован, управляется чаще всего посредством компьютера. С его помощью можно обеспечить высокую концентрацию энергии и, вне зависимости от теплофизических свойств материала, разрезать практически любой материал.

Во время процесса резки металл, участок которого подвергается порезке, под воздействием лазерных лучей, начинает плавиться, возгорается, испаряется или же выдувается газовой струей. В итоге мы получаем узкие резы, причем зона термического влияния будет минимальной.

Особенности лазерной резки таковы:

  • она не оказывает механического воздействия на металл при обработке.
  • деформации, если и присутствуют, то минимальные. Они могут быть временными и возникать во время процесса, или же остаточными, появляясь при этом после полного остывания материала.

Именно по этой причине с применением этого метода резки можно выполнить обработку даже не жестких и легкодеформируемых деталей или заготовок из металла, и все будет выполнено с высокой точностью.

Лазерное излучение имеет высокую мощность, что позволяет обеспечить хорошую производительность работы, а качество поверхностей реза будет отменным.

Управление лазерным излучением относительно простое и легкое, благодаря чему можно будет выполнить резку по сложному контуру на объемных или плоских деталях или заготовках, процесс при этом будет иметь высокую степень автоматизации.

Эта методика возможна с применением технологических установок на основе таких видов лазеров:

  • волоконных;
  • газовых;
  • твердотельных.

Все они могут работать в импульсно-периодическом или непрерывном режиме излучения.

Использование метода лазерной резки в промышленном производстве регулярно растет, но он все равно может полноценно заменить другие традиционные способы резки металлов. По сравнению с другими промышленными установками, лазерное оборудование все еще очень дорогое, несмотря на то, что в последнее время их стоимость начала снижаться. По этой причине лазерная резка металлов эффективна лишь тогда, когда другие, более доступные традиционные методы обработки материалов, не могут обеспечить ожидаемого результата.

Преимущества лазерной методики

Эта методика выполняется посредством сквозного прожига листов металла с применением лазерных лучей. По сравнению с другими способами раскроя металлических изделий она обладает рядом таких преимуществ, некоторые из которых уже упоминались выше:

  • благодаря отсутствию механического контакта таким методом можно обрабатывать даже хрупкие виды металла, а также те, что легко деформируются.
  • можно обрабатывать изделия на основе твердых металлических сплавов.
  • есть возможность высокоскоростной обработки тонколистной стали.
  • когда речь идет о производстве ограниченных партий металлической продукции, то лазерный раскрой в этом случае — более предпочтительный вариант, чем изготавливать дорогие формы для литья или пресс-формы.
  • чтобы обеспечить автоматизацию процесса, воспользуйтесь доступной чертежной программой для создания файла с рисунком. Затем файл перенесите на компьютер установки, способной выдержать погрешности даже при маленьких размерах.
  • методика универсальна. С помощью лазера можно обрабатывать изделия из стали и других металлов разной степени сложности. Максимально допустимая погрешность составлять при этом будет не более 0,5 мм.
  • термическая нагрузка на металл минимальная, что позволяет работать с материалами любого вида начиная от нержавейки и заканчивая цветными металлами.
  • такой способ раскроя материалов исключает необходимость их дополнительной обработки, благодаря чему вы сэкономите и свое время и деньги.
  • технология отличается высокой производительностью за счет высокой скорости обработки, а также грамотного расхода материала. Отходов получите минимум благодаря точной выкладке элементов на листовой заготовке.
  • высокая точность работы — оборудование для лазерной резки оснащено рабочими головками с диаметром около одного миллиметра, что обеспечивает высокую точность размеров. Резка возможна даже тогда, когда речь идет даже о самых маленьких деталях.
  • лазерная резка может быть выполнена в максимально сжатые сроки, высокое качество работы остается при этом неизменным. Мощность лазера настраивается каждый раз по-разному и учитывает особенности работы и тип материала.

Для обработки с применением лазера подойдет сталь в любом состоянии, алюминий или его сплавы, а также прочие цветные металлы. Чаще всего применяются следующие типы металлических листов:

  • сталь (диаметр 0,2 — 20 мм);
  • нержавеющая сталь диаметром 0,2 — 12 мм;
  • сплавы алюминия от 0,2 и до 20 мм;
  • латунь (0,2 — 12 мм);
  • листы меди от 0,2 до 15 мм.

В зависимости от используемого материала в работе применяется тот или иной тип лазера. Лучше всего обработке поддаются материалы, обладающие низкой теплопроводностью, поскольку в них лазерная энергия сосредотачивается в меньшем объеме материала, и наоборот. Если металл имеет высокую теплопроводность, то может появиться грат. А еще этим методом могут обрабатываться не только металлы, но и другие материалы, в частности, дерево.

Охлаждение и потребление энергии

Сам лазер, а также его оптика, включая фокусирующие линзы, требуют охлаждения. В зависимости от модели установки и ее размера, избыточное тепло может отводиться посредством воздушного обдува или теплоносителей. Часто в роли теплоносителя выступает вода, которая проходит через холодильную установку или теплообменник.

Что же касается потребления энергии, то эффективность лазеров, используемых в производстве, составляет 5−15 процентов. Эффективность и энергопотребление зависят от следующих факторов:

  • выходной мощности установки;
  • рабочих параметров лазера;
  • соответствия лазеру тому или иному типу работы.

Когда определяется целесообразность применения того или иного оборудования, нужно учитывать и его стоимость, а также стоимость его обслуживания и содержания. В настоящее время эксплуатационные издержки оптоволоконного оборудования составляют половину стоимости издержек углекислотного лазера.

А вот затрачиваемая мощность для осуществления резки зависит от следующих факторов:

  • скорости работы;
  • среды обработки;
  • толщины материала;
  • его типа.

Обработка металлов лазерным способом применяется в разных отраслях. Благодаря такому способу можно быстро и качественно изготовить крепежные элементы, кронштейны, корпуса разных приборов и многое другое.

Заказчиками изделий, изготовленных таким способом, являются:

  • производители складского и торгового оборудования;
  • дизайнеры интерьеров;
  • рекламные кампании и т. д.

Из металлических листов можно выкраивать даже очень сложные детали, выполнять фрезеровку, делать пазы, а также придавать срезам максимально привлекательный внешний вид.

Благодаря методу лазерной резки можно достичь идеального качества среза, производственный процесс максимально оперативен, количество расходных материалов сведено к минимуму. А еще крой деталей лазерным методом осуществляется крайне точно.

Методика практически незаменима при обработке быстро деформирующихся металлов, материалы не потребуется в дальнейшем обрабатывать, а готовые изделия можно сразу же использовать по назначению, что в некоторых отраслях имеет особое значение.

tokar.guru

5. Лазерная обработка

Основные сведения о процессе

В технологических целях для решения таких задач, как прошив-ка отверстий, резка металлов, сварка, поверхностное упрочнение деталей, динамическая балансировка тел вращения и т.д. начинает широко применяться обработка лучом лазера.

Лазерная обработка основана на применении мощного светового потока, вызывающего плавление или испарение обрабатываемого материала. При этом процесс взаимодействия лазерного излучения с обрабатываемым материалом разделяется на следующие основные стадии: поглощение света с последующей передачей энергии тепловым колебаниям решетки твердого тела; нагревание материала без разрушения, включая и плавление; разрушение материала путем испарения и выброса его расплавленной части; остывание после окончания воздействия. Нагревание и плавление используется при термообработке и сварке различных материалов, а на испарении и выбросе расплавленной части основаны операции размерной обработки (сверление, резка и др.).

Возможность получения высокой плотности светового потока обусловлена малой расходимостью лазерного излучения (являющейся следствием его высокой пространственной когерентности), благодаря чему лазерный луч легко можно направить в заданную область пространства с помощью системы зеркал, призм или световодов и сконцентрировать большую часть его энергии в малой области обрабатываемого материала посредством фокусирующей оптической системы.

Возможность острой фокусировки лазерного излучения в значительной степени определяется его высокой монохроматичностью (узким спектральным интервалом). Излучение немонохроматического источника (например, Солнца ) невозможно сфокусировать на площадку диаметром в 1 мкм из-за явления хроматической аберрации - свойства оптических систем фокусировать свет разной длины волны в разные точки. Отсюда плотность такого излучения не превышает 2,5*103Вт/см2, что достаточно только для плавления некоторых тугоплавких металлов. Лишь источник монохроматического света позволяет сфокусировать световое излучение на площадке, линейные размеры которой сравнимы с длиной волны фокусируемого излучения, обеспечивая плотность светового потока до 1014Вт/см2, что позволяет плавить и испарять любые материалы независимо от их физико-механических характеристик.

В основе принципа действия лазера1лежит явление вынужденного (или индуцированного) излучения для генерации когерентных электромагнитных колебаний в оптическом диапазоне спектра.

Как известно, наряду со спонтанным излучением возбужденного атома (атомы излучают свет независимо друг от друга) существует вынужденное (или индуцированное) излучение: атомы излучают под действием внешнего быстропеременного электромагнитного поля, например, света, при этом атом излучает вторичную волну, у которой частота, поляризация, направление распространения и фаза полностью совпадают с характеристиками внешней волны, действующей на атом.

Именно эта особенность вынужденного излучения позволяет использовать его для усиления электромагнитных волн и для создания генераторов когерентного света. Чтобы осуществить это практически необходимо выполнить следующие условия;

1. Нужно рабочее вещество с инверсной населенностью. Состояние вещества, в котором число атомов на одном из уровней с более высокой энергией больше числа атомов на уровне с меньшей энергией называется активным или состоянием с инверсной населенностью.

2. Вторая проблема - проблема обратной связи. Для того чтобы свет управлял излучением атомов, необходимо, чтобы часть излучаемой световой энергии все время оставалась внутри рабочего вещества, вызывая вынужденное излучение света все новыми и новыми атомами. В простейшем случае рабочее вещество помещается между двумя зеркалами, одно из которых полупрозрачно. Испущенная в каком-либо месте в результате спонтанного перехода атома световая волна усиливается за счет вынужденного испускания при распространении её через рабочее вещество. Дойдя до полупрозрачного зеркала, свет, частично пройдет через него. Эта часть световой энергии излучается лазером во вне и может быть использована. Отразившаяся часть света от полупрозрачного зеркала даст начало новой лавине фотонов.

3. Усиление, даваемое рабочим веществом, а значит, числа возбужденных атомов или молекул в рабочем веществе должно быть больше порогового значения, зависящего от коэффициента отражения полупрозрачного зеркала. Т.е. усиление на двойном расстоянии между зеркалами должно быть таким, чтобы на полупрозрачное зеркало возвращалась каждый раз световая энергия, не меньшая, чем в предыдущий раз. В противном случае наступит процесс ослабления излучения, который приведет к затуханию светового потока. Ясно, что чем меньше коэффициент отражения полупрозрачного зеркала, тем большим пороговым усилением должно обладать рабочее вещество.

При выполнении этих трех условий мы получаем систему, способную генерировать когерентный свет, и называемую лазером или оптическим квантом генератором (ОКГ).

Характеристики ОКГ в значительной степени определяются агрегатным состоянием активного вещества. По этому признаку различают твердотельные, газовые и жидкостные ОКГ. В отдельную группу выделяют полупроводниковые ОКГ, хотя используемые в квантовой электронике полупроводники являются твердыми телами. Объясняется это тем, что характер генерации в полупроводниках существенно отличается от генерации в обычных твердотельных ОКГ. В свою очередь, каждая из групп может быть подразделена на более мелкие подгруппы. Например, в газовых ОКГ могут быть использованы энергетические уровни молекул, атомов или ионов. В связи с этим газовые лазеры подразделяются на молекулярные, атомарные и ионные.

Любой ОКГ включает з себя устройство (систему накачки), в котором используется какое-либо физическое явление, позволяющее осуществлять инверсию необходимой величины. Различают оптическую накачку - при облучении рабочего вещества светом определенной частоты - и электрическую - при прохождении тока через рабочее вещество. В последнее время большое внимание уделяется химической накачке, когда инверсия возникает при той или иной химической реакции. В некоторых типах лазеров, например, газовых, можно встретить ОКГ с оптической и электрической, так и с химической накачкой. Полупроводниковые ОКГ могут иметь электрическую или оптическую накачку. В твердотельных ОКГ электрическая накачка не осуществляется, так как используемые твердые тела для ОКГ являются диэлектриками.

Из всех представленных квантовых генераторов энергетические параметры жидкостных и полупроводниковых ОКГ в настоящее время не достигли уровня, обеспечивающего эффективное применение их в технологических целях.

Первыми для обработки материалов стали использовать твердотельные лазеры на рубине и стекле с неодимом. Принцип действия, параметры и возможность этих генераторов примерно одинаковые. В последнее время разработан перспективный лазер на иттрий - алюминиевом гранате (ИАГ) с примесью неодима, который в настоящее время дает рекордную для твердотельных ОКГ мощность излучения, равную 1,1 кВт при работе в непрерывном режиме.

Сравнительно недавно начали применять газовые лазеры (активные среды: He-Ne; N2; Ar; He-Cd; CO2-N2-h3и др.), их КПД на порядок выше твердотельных и составляет 10-25 %.

Большинство ОКГ (твердотельных и газовых) могут работать как в непрерывном, так и импульсном режиме. Однако первый характерен для газовых ОКГ, второй- для твердотельных.

Принцип действия ОКГ рассмотрен на примере твердотельного лазера (см. рис.5.1 1,2).

Создание инверсии населенностей в твердотельных лазерах производится оптической накачкой с помощью ламп-вспышек (в) световой поток которых поглощается рабочим веществом (а), возбуждая его.

Питание лампы-вспышки осуществляется от источника (2). Для лучшей концентрации светового потока на элементе применяется рефлектор (г). Значительная часть энергии (до 50 %), поглощенной активным элементом, тратится на его нагрев, ухудшающий работу лазера. Чтобы исключить это применяют систему охлаждения (3). Луч света, испускаемый активным элементом, усиливается за счет многократного отражения от глухого зеркала (б) и выходного полупрозрачного зеркала (б) и выходит из оптического резонатора в виде узконаправленного светового луча (д) с малым углом расходимости, который с помощью оптической системы (4) можно сфокусировать в точку, линию, группу параллельных линий, окружность и т.д.

Рис. 5.1. Схема ОКГ на твердом теле (1) и структура импульса излучения (2):

1- лазерная головка ( а- активный элемент, б1, б2- глухое и полупрозрачное зеркала резонатора, в- лампа накачки, г- рефлектор, д- лазерный луч), 2- источник питания лампы накачки, 3- блок охлаждения, 4- оптическая система, 5- наблюдательная система, 6- рабочий стол, 7- заготовка, 8- блок управления.

Диапазон длин волн, генерируемых различными типами лазеров, весьма широк и составляет примерно от 0,1-70 мкм. Для технологических целей обычно используют ОКГ, у которых длина волн () находится в пределах 0,4-10,6 мкм. Диаметр луча на выходе 0КГ (без системы 4) определяется размерами активного элемента и зависит в основном от энергии накачкиWH. Несмотря на то, что лазерный луч высоко когерентен, он имеет определенную угловую расходимость (), которая определяется как:

(5.1)

где dл- диаметр луча в месте его выхода из резонатора. Практически из-за дифракционных явлений величинана 1-2 порядка больше расчетной и составляет единицы или несколько десятков угловых минут.

Длительность импульса определяется длительностью импульсного разряда ламп накачки, оптическими свойствами активного элемента свойствами резонатора и температурным режимом. У твердотельных ОКГ=0,1-5 мс., при этом на протяжении всего импульса генерация происходит отдельными пучками, последовательность которых, как правило, нерегулярная=1,0-5мкс, а длительность интервала между пучками составляет 0,1-0,5 мкс в течение основного времени генерации и может увеличиваться до десятков и сотен микросекунд в конце светового импульса (см. рис. 5.1 4 ). Средняя мощность импульсного излучения твердотельных ОКГ лежит в диапазоне от единиц до сотен киловатт. Мощность газовых лазеров на нейтральных атомах составляет милливатты, а у молекулярных от единиц ватт до сотен ватт. В последнее время разработаны СО2-лазеры с быстрой поперечной прокачкой газа, циркулирующего в замкнутом объеме. Как следует из зарубежной печати, при сравнительно небольших габаритах на них удается получить уровни мощности 6-10 кВт

в непрерывном режиме генерации.

Выходная энергия твердотельных лазеров находится в пределах от долей джоуля до тысяч джоулей, а ЩД их не более 1-2 %.

Средняя плотность потока энергии в поперечном сечении луча при использовании фокусирующих оптических систем, как уже отмечалось, может достигать 10 Вт/см, сварка и резка тонких пленок осуществляется при плотностях менее 10 Вт/см, а размерная обработка материалов значительной толщины при плотностях потока более 107-108Вт/см и длительности импульса менее 1,5 мс.

технологические операции лазерной обработки

Обработка отверстий является одним из первых направлений лазерной технологии. С помощью луча лазера изготовляют отверстия диаметром от нескольких микрометров до нескольких миллиметров глубиной до 15 мм в таких трудно обрабатываемых материалах как твердые сплавы, магнитные материалы, жаропрочные и специальные сплавы, алмазы, ферриты, керамика и т.п. На лазерных установках «Квант», «Корунд», «Кристалл» и др. изготовляют отверстия в алмазных фильерах, рубиновых часовых камнях, в ферритовых пластинках памяти, в подложках микросхем, соплах, форсунках и других деталях.

В настоящее время отечественная приборостроительная промышленность полностью перешла на лазерную обработку отверстий в рубиновых часовых камнях. Сложность данной операции состоит в том, что в твердом хрупком материале - синтетическом рубине необходимо сверлить отверстие диаметром 50-60 мкм при допуске по диаметру в несколько микрометров и отсутствии на его поверхности трещин и сколов. При лазерной технологии на одной установке за смену изготовляется 22 тыс. камней, а при механической обработке на шести двадцати шпиндельных станках - не более 2500 заготовок, кроме этого улучшаются условия труда, высвобождаются производственные площади, большое число рабочих и обеспечивается экономический эффект 1 млн. рублей.

studfiles.net


Смотрите также