Лазерная резка металла. Общие сведения

Лазерная резка металла. Общие сведения

Лазерная резка металла — это технология, которая использует луч лазера для резки листового материала. Данная технология обычно, используется для промышленного производства, но в настоящее время начинает использоваться в малом бизнесе или даже в различных хобби. Лазерная резка металла осуществляется лучом высокой мощности, который управляется компьютером. Под действием луча материал плавится, горит и испаряется или выдувается струёй газа. В результате образуется тончайший рез с высококачественными гранями. Промышленные лазерные машины используются для резки плоского листового материала, а также рифлёного или даже различных труб.

Процесс лазерной резки металла

История

В 1965г. первая машина лазерной резки была использована для сверления отверстий в алмазном материале. Эта машина была сделана в Western Electric Engineering Research Center. В 1967г. Британцы впервые использовали струю кислорода при лазерной резке металла. В начале 70-х эта технология была использована при резке титана для аэрокосмической промышленности. В это же время СО2 лазеры были адаптированы для резки не металлических материалов, таких как текстиль.

Western Electric

Классификация

Есть три основных типа лазеров, использующихся для резки. СО2 лазер используется для лазерной резки и гравировки. Неодимовый Nd-WAG лазер идентичен СО2 лазера по принципу действия и используется в случаях, когда для лазерной резки нужна большая мощность и меньшая повторяемость. Он также используется для резки и гравировки. Оба типа лазеров предназначены для сварки. СО2 лазеры обычно «накачиваются» потоком смеси газов (DC-метод) или используя электроэнергию (RF-метод). RF-метод лазерной резки металла более новый и становится всё популярнее. Конструкция DC-метода требует наличие электродов внутри резонатора, что влечет за собой их окисление, эрозию, из-за чего периодически загрязняются линзы и оптика станка. Так как RF-метод не использует электроды, расположенные внутри резонатора, он не имеет таких проблем, как DC-метод. Следовательно при использовании RF-метода накачки уменьшаются расходы на обслуживание станка лазерной резки. СО2 лазеры используются для промышленной резки различных материалов, включая сталь, алюминий, титан, бумагу, воск, пластики, дерево и ткани. Неодимовые лазеры обычно используются только для резки и гравировки металлов и керамики.

Схема станка лазерной резки

Процесс

Генерация лазерного луча происходит из-за стимуляции излучающего материала лазера, или с помощью электрической разрядки ламп внутри закрытого контейнера. После этого лазерный луч проходит через систему зеркал резонатора, пока не достигнет необходимой энергии, чтобы создать луч монохромного когерентного света нужной мощности. Далее луч следует через зеркала или оптические волноводы, которые используются для направления когерентного света к линзе, фокусирующей луч на рабочей зоне. Диаметр сфокусированного луча обычно меньше чем 0,32мм. В зависимости от толщины материала, который необходимо резать, толщина реза может достигать 0,1мм. Чтобы начать лазерную резку металла с любого места на листе необходимо сделать врезку в листовой металл. Врезка обычно делается с помощью мощного импульса луча лазера, который медленно прожигает отверстие в материала. Например, для стального листа толщиной 13мм врезка лазера длится от 5 до 15 секунд.

Есть множество различных методов резки с использованием лазера для различных материалов, такие как: выпаривание, плавление и продув, плавление продув и прожиг, термальное снятие напряжения, холодная резка, реактивная резка.

Выпаривание:

При выпаривании сфокусированный луч нагревает поверхность материала, который под его действием начинает испаряться. Данный метод применим к резке мягких материалов, таких как дерево или пластики. Возможна и лазерная резка металла выпариванием, но только если толщина металла примерно равна толщине реза.

Плавление и продув:

В данном методе лазерной резки газ под высоким давлением выдувает расплавленный материал из зоны резки, что позволяет значительно уменьшить требуемую для резки мощность. Сначала материал нагревается до точки плавления, а затем струя газа выдувает расплавленный материал из реза, позволяя избежать необходимости увеличения температуры резки. Обычно данный метод лазерной резки применим к металлам.

Термальное снятие напряжения:

Хрупкие материалы обычно чувствительны к нагреванию, которое приводит к разлому материала в месте нагрева. Луч лазера фокусируется на поверхности материала, чем вызывает локальный нагрев и термальное расширение. В результате образуется разлом на пути следования луча лазера. Обычно данный метод лазерной резки используется при резке стекла.

Реактивная резка:

Реактивная резка похожа на резку кислородной горелкой, только в качестве поджигателя кислорода выступает луч лазера. Этот метод лазерной резки обычно используется для резки карбона более 1мм толщиной. Этот процесс может быть использован для резки очень тонкой стали при относительно небольшой мощности лазера.

Устройство лазерной машины

Есть три типа устройства машины для лазерной резки: машина с движущимся материалом, гибридная и с управляемой оптической системой. Отличие заключается в способе перемещения лазерного луча относительно материала во время процесса лазерной резки. Для всех типов станков лазерной резки обычно определены две оси X и Y. Если режущая является двигающейся, то добавляется ось Z.

Лазерные станки, перемещающие рабочий стол с листом имеют стационарную лазерную голову и движущийся под ней материал. Этот метод лазерной резки осуществляется при постоянном расстоянии от генератора лазерного луча до рабочей. В такой машине не много оптических элементов, но при этом есть и недостаток — требуется передвигать массивный рабочий стол, что делает процесс лазерной резки металла довольно медленным.

Гибридные лазеры совмещают движение стола по одной оси (обычно ось-X) и подвижную голову вдоль короткой оси-Y. Этот метод обеспечивает более постоянную длину оптической системы (из-за небольшой длины оси-Y), чем лазерные станки с управляемой оптической системой. Это позволяет уменьшить потери энергии в при прохождении лазерным лучом оптической системы.

Станки с управляемой оптической системой имеют стационарный рабочий стол и движущуюся лазерную головку, которая перемещается над материалом в обоих горизонтальных направлениях, а также может подниматься по оси-Z. Машины с управляемой оптикой не требуют фиксации листа на рабочем столе, т.к. стол неподвижен во время процесса лазерной резки металла. Эти станки самые быстрые, что является большим преимуществом при лазерной резки тонких материалов. Также большим преимуществом является возможность поднятия лазерной головки по оси-Z, что помогает сохранять высоту головки над металлом при прохождении различных неровностей листа. Лазерные станки с управляемой оптикой должны использовать определенные методы для достижения постоянных параметров лазерного луча при движении головы от ближней к резонатору части рабочего стола к дальней части. Для этого исользуется коллимация, адаптация оптики или использование постоянной длины луча лазера.

Современные станки лазерной резки имеют головку, которая может не только двигаться в трёх плоскостях, но и поворачиваться под любым углом. Это позволяет производить лазерную резку не только на плоском листе, но и на объёмных деталях.


Возврат к списку