Лазерная резка металла – это современный метод раскроя металлических заготовок и разборки металлоконструкций. Она способна резать практически любые металлы, отличается высокой точностью и качеством поверхности реза.
Высокая стоимость приобретения и обслуживания оборудования сдерживает широкое распространение лазерной резки.
Содержание
Производственное использование
Лазеры используют в различных отраслях экономики – от медицины до развлекательной техники. Резку стали промышленным лазером стали применить в конце прошлого века, и они завоевали популярность на машиностроительных предприятиях самого широкого профиля: от аэрокосмических до производства бытовой техники. Кроме резки, с помощью лазера осуществляется и сварка металлов.
На производственных предприятиях используют следующие виды оптических излучателей:
- твердотельные, усиление светового пучка происходит в кристалле из искусственного рубина, а для накачки импульса применяются мощные светодиоды или разрядные лампы;
- газовые, световой импульс зарождается в объеме ионизированного инертного газа;
- волоконные, рабочая зона выполнена из оптоволокна.
Волоконные устройства особенно хорошо подходят для резки цветных металлов и нержавеющих сплавов. Благодаря особым свойствам среды испускаемый лазерный луч мало рассеивается об отражающую поверхность детали.
Газовые излучатели развивают самую большую мощность.
Особенности технологического процесса
Процесс резания металла разбивается на три основных этапа:
- в начале линии разреза узко сфокусированный лазерный луч вызывает резкий нагрев металла до температуры плавления, формируется первичная раковина;
- металл на поверхности начинает кипеть и испаряться;
- после прорезания заготовки насквозь оператор или управляющая программа ведет лазерный резак вдоль намеченной линии разреза, разделяя заготовку на отдельные части.
Полное испарение слоя металла возможно лишь для тонколистовых заготовок. Для более толстых деталей молекулы металла выносятся из разреза струей активного газа.
Одновременно газ выполняет функцию охлаждения линии реза и повышает скорость разделки. Ширина лазерного луча и получающегося после него разреза — доли миллиметра. Это обеспечивает высочайшую точность обработки, дает возможность давать минимальные припуски и многократно снижает потери металла по сравнению с другими методами резки.
[stextbox id=’info’]Практически отсутствует необходимость в дополнительной механической обработке раскроенных лазерной установкой деталей.[/stextbox]
Почему лазерный луч режет металл?
Луч лазера концентрирует высокую энергию на очень ограниченной площади. Воздействие высокоэнергетического светового пучка разогревает металл заготовки, доводя его в узкой зоне до температуры плавления и разрушает кристаллическую структуру материала. Вырванные из решетки атомы металла частично испаряются, частично выносятся с оплавленной кромки струей газа. Кратковременность воздействия не дает кромке оплавляться вглубь заготовки, понижая до минимума тепловую нагрузку на деталь и вызываемые нагревом деформации.
Современные комплексы
На рынке представлены лазерные установки разного уровня и назначения. Одни из них призваны заменить газорезательные станки. Листы металла укладываются на рабочее основание, а лазерные резаки перемещаются над ними с помощью порталов. Такие установки позволяют разделывать стальные листы длиной до 15 метров и толщиной до 20 мм. Движением резаков управляет блок ЧПУ, в который загружается заранее подготовленная программа раскроя. На таких линиях отходы металла снижены в несколько раз по сравнению с газорезкой.
Более компактные установки предназначены для особо точного формирования деталей из металлических, пластмассовых или деревянных заготовок. Они позволяют обрабатывать металл с точностью до тысячных долей миллиметра, отсекая от заготовки «лишний» материал в соответствии с трехмерной моделью. Такие станки применяются в приборостроении, аэрокосмической и оборонной промышленности, при декоративной резке в художественных мастерских.
Представлены на рынке и малогабаритные ручные лазерные резаки ограниченной мощности. С их помощью можно раскроить листовую заготовку или провести художественную резку металла.
Режимы
На качество резки оказывают влияние ряд параметров. В их число входят:
- скорость движения головки;
- толщина и материал заготовки;
- мощность излучателя;
- плотность энергии луча;
- фокусное расстояние;
- рабочая среда.
Так, обычные конструкционные стали с низким содержанием углерода можно разрезать значительно быстрее, чем нержавеющие сплавы. Использование в качестве активной среды кислорода дает возможность повысить скорость раскроя вдвое по сравнению с воздухом.
Точность раскроя и качество поверхности разреза также будет определяться комбинацией ключевых параметров установки. Поверхность характеризуется следующими свойствами:
- шероховатость;
- наличие оплавлении;
- зона термического воздействия;
- отклонение кромки от перпендикуляра к поверхности.
Рисунок 3 Зависимость параметров поверхности от режимов работы
Точность раскроя определяется скоростью резания и шириной фокусировки луча.
Виды металлов, которые могут быть обработаны
Резка лазером может работать практически со всеми видами металлов и их сплавов. Раскраивают как листы, так и профильный прокат, и трубы. Кроме того, технология позволяет резать и неметаллические материалы. Лазерный резак по пластику или дереву дает возможность изготавливать высокохудожественные украшения.
Метод позволяет проводить обработку и таких химически активных металлов, как алюминий и титан, для резки которых другими способами приходится идти на большие ухищрения. Лазерный луч справляется с тугоплавкой оксидной пленкой. Зона и время воздействия настолько ограничены, что металл не успевает прореагировать с кислородом и азотом воздуха.
Преимущества и недостатки
Высокие достоинства технологии обуславливают ее применение как для разделки листовых заготовок до изготовления точных деталей сложной пространственной формы по трехмерным моделям. В числе этих достоинств находятся:
- высокое качество поверхности;
- малый коэффициент отходов;
- практическое отсутствие термических деформаций;
- работа с хрупкими и тонколистовыми заготовками.
Как любой реально действующей технологии, свойственны лазерной резке и недостатки:
- высокая стоимость оборудования;
- сложность настройки и обслуживания;
- ограничение толщины разрезаемой заготовки в 20мм.
Разработчики оборудования постоянно совершенствуют его, выпуская на рынок новые модели с улучшенными характеристиками.
Разновидности
Все установки лазерной резки имеют в своей конструкции следующие основные узлы:
- источник световой энергии;
- резонатор с полупроницаемым зеркалом, обеспечивающий периодическое испускание когерентного пучка света по достижении им заданной интенсивности;
- система управления и фокусировки луча.
По мощности лазерные резаки разделяют на следующие категории:
- маломощные: до 6 тыс. ватт, как правило, это твердотельные лазеры;
- средней мощности от 6 до 20 тыс. ватт, с газовой рабочей средой;
- мощные: от 20 до 100 тыс. ватт, имеют газодинамическую конструкцию.
Схема работы газового излучателя.
Твердотельные установки делают на базе кристаллов искусственного рубина, реже из специальных сортов стекла с добавлением флюорита кальция. Они быстро выдают первый импульс, при хорошем охлаждении могут работать и в непрерывном режиме.
В газовых лазерах пучок световой энергии испускает столб ионизированного газа под действием электрического разряда. Газовая смесь состоит из азота, гелия и CO2.
В газодинамической системе поток ионизированного газа циркулирует по сосуду. В месте сужения давление резко повышается и при разряде выделяется дополнительная энергия, обеспечивая высокую мощность луча.
Оборудование
Оборудование для лазерной резки называют в соответствии с принципом действия лазера. Твердотельные резаки обладают простой конструкцией, ограниченными габаритами и используются в компактных станках небольшой мощности. После включения он практически мгновенно готов к работе. Ручные резаки комплектуются такими лазерами.
Газовый лазер сложнее по конструкции, в нее обязательно входит насос для поддержания проектного давления рабочей среды. Стеклянная колба с газом достаточно хрупкий элемент конструкции, поэтому такие лазеры используются только на стационарных станках средней мощности.
Газодинамические установки еще сложнее: в их состав входит также циркуляционный насос, обеспечивающий требуемую скорость газового потока, системы нагрева и охлаждения. Сложная конструкция позволяет добиваться весьма высокой мощности и разрезать заготовки большой толщины.
Для тонкого металла
Лазерная резка тонкого металла зачастую является единственным способом получить заготовку с заданными параметрами по точности соблюдения размеров и качеству поверхности.
Разрезание тонких листов механическими способами приводит к искривлению кромок, а тепловыми методами — еще и к тепловым деформациям.
Современное оборудование с программным управлением позволяет резать тонкий металл быстро, с высокой точностью и постоянной скоростью, не допуская перегрева и деформации материала. Гибкая настройка мощности луча, ширины луча и расстояния его фокусировки позволяют раскраивать без искажений даже фольгу.
Как сделать резак своими руками
Принципиальная схема резака для сборки своими руками.
Простейший маломощный лазерный резак можно сделать на дому. Для этого понадобится:
- лазерная указка;
- корпус от фонарика;
- привод DVD-RW;
- электропаяльник;
- ручные слесарные инструменты.
Делается устройство в следующем порядке:
- извлечь из привода ДВД лазерный светодиод;
- установить его вместо маломощного светодиода из указки;
- при установке нужно строго соблюдать соосность светодиода;
- собрать схему электропитания устройства;
- собрать конструкцию из передней части лазерной указки и корпуса фонарика, вмещающего 3 батарейки ААА
Эскиз самодельного резака.
Конечно, лист металла или фанеры такой резак не разрежет, но бумагу, картон и фольгу он сможет раскраивать с высокой точностью.
