Принцип лазерной резки металла

Резание конструкционных материалов лазером ― относительно новая и достаточно перспективная технология обработки. Если вы хотите заказать у нас резку лазером, вам стоит познакомиться с этой технологией поближе, чтобы понять выгоды сотрудничества. Далее по тексту мы рассмотрим лазерную резку во всех подробностях ― от сути технологии до рабочих режимов. Эта информация поможет выбрать правильный метод обработки для своих деталей, заготовок, изделий.

Суть технологии лазерной резки

Для обработки конструкционных материалов можно использовать практически бесконтактный метод, основанный на применении оптического квантового генератора ― лазера. Этот прибор усиливает поток излучения за счет энергии перехода квантовой системы с высокого на низкий энергетический уровень, в результате чего образуется новый фотон (квант электромагнитного излучения). Для перехода используется энергия накачки, источником которой могут быть химические, тепловые, электрические процессы. 

Квантомеханическая природа лазера предполагает генерацию монохромного, поляризованного, узконаправленного пучка непрерывного или импульсного излучения. Диаметр пучка измеряется в сотых долях миллиметра. При необходимости поток концентрируют с помощью оптики ― системы зеркал, призм и линз. При контакте обрабатываемого материала с индуцированным излучением запускаются несколько процессов ― от элементарного плавления до послойного испарения. В результате этих процессов пучок излучения буквально режет обрабатываемый материал. По этому принципу работает любой промышленный лазер. 

Процесс резки с применением лазера

Качество и точность среза при обработке детали оптическим квантовым генератором зависит от типа процесса, запущенного в результате контакта пучка фотонов с обрабатываемым материалом. Обычно в зоне резания наблюдаются такие процессы:

• Плавление ― луч передает достаточно энергии для изменения агрегатного состояния обрабатываемого материала. Плавление в зоне резания характерна для металлов, керамики, стекла и других материалов с ярко выраженной кристаллической структурой. Чтобы процесс не затронул всю заготовку, зону резания обдувают сжатым воздухом или инертным газом. 
• Горение ― луч ускоряет окисление обрабатываемого материала, который сгорает до пепла. Чтобы облегчить работу лазерного луча и сократить энергоемкость процесса, в зону резания подают кислород, ускоряющий горение. 
• Испарение ― луч дает достаточно энергии, чтобы даже тугоплавкий металл перешел из жидкого (расплавленного) состояние в пар. Излучатель в этом случае должен работать в импульсном режиме, на максимальной мощности. Пар выдувается из зоны обработки струей воздуха, которая попутно охлаждает кромку. 
• Термохимическое воздействие ― в этом случае наблюдаем более сложный принцип действия луча, основанный на запуске физико-химических процессов в обрабатываемом материала после поглощения фотона. Работа лазера заключается в возбуждении частиц в зоне резания, которые контактируют с соседями, провоцируя локальное (макроскопическое) нагревание на фоне химической реакции. 
• Термораскалывание ― луч просто разогревает материал, который лопается после остывания. В этом случае работает принцип температурных деформаций, характерных для любых хрупких структур. Работа установки ведется на минимальной мощности, поскольку материал разрушает сам себя. 

Активируя различные процессы в зоне резания, оператор получает нужное качество кромки, а также экономит энергию и ресурс оборудования. Опытный оператор знает, как запустить плавку или горение, меняя газовую смесь и мощность резки. Наши операторы знакомы со всеми возможностями станочного парка и видами резания лазерным лучом. 

Оптоволоконная лазерная резка

Мы предлагаем услугу лазерной резки металла (листового проката). Для обработки листовых металлических заготовок используют разные виды резки ― от кислородной до сублимационной, которая реализуется с помощью газового или твердотельного лазера. Наша компания применяет оптоволоконную лазерную резку. К ее плюсам по сравнению с СО2 или YAG следует отнести:

• Небольшую площадь пятна контакта ― тонкая линия реза гарантирует высокую скорость обработки любого металла. По скорости оптоволоконная система превосходит газовый лазер почти в два раза.
• Долгий срок службы ― в среднем оптоволоконная система рассчитана на 100 тысяч часов работы. Долгий срок службы компонентов снижает себестоимость резки за счет оптимизации процессов амортизации оборудования.
• Один из самых высоких коэффициентов полезного действия в классе ― оптоволоконный лазер преобразует в квантовый поток около 30% потребленной энергии. У газовых моделей этот показатель в три раза меньше ― СО2 лазер превращает в квантовый поток только 10% потребленной энергии. Поэтому оптоволоконные станки экологичнее и экономичнее газовых лазеров при резке металлов и любых других материалов.
• Минимальные эксплуатационные расходы ― ресурса оптоволоконного лазера хватит на долгие годы работы без замены запчастей, а использование оптического волокна вместо линз и призм снижает расходы на настройку и калибровку. Вам не придется платить даже за настройку оптического пути.

Оптоволоконная лазерная система используется для работы с листовыми из любых железоуглеродистых сплавов ― от стали до чугуна, а также с цветметом его производными (многокомпонентными сплавами). Эта технология резки реализуется с помощью особого набора инструментов. 

Оборудование для лазерной резки

Работа лазерного металлорежущего станка возможна только при наличии трех конструкционных компонентов:

1. Активной среды, которая образуется атмосферой или газовой ванной, закаченной в зону резания. Обычный воздух удаляет окалину и газообразные отходы, кислород помогает гореть или плавиться обрабатываемому материалу, инертный газ исключает окисление, с образованием тугоплавкой оксидной пленки. Для создания активной среды используют систему воздуховодов, накопителей и компрессоров. 
2. Оптического квантового генератора ― сегодня для работы с металлами используют три типа лазеров. Во-первых, аппарат СО2 типа, луч которого режет, гравирует сверлит материал. Во-вторых, излучатель Nd типа, которым пробивают отверстия. В-третьих, лазер Nd:YAG типа, который обеспечивает большую глубину резания. Наша компания применяет наиболее перспективную оптоволоконную систему.
3. Оптические резонаторы ― концентрируют луч в пятно диаметром 0,32 миллиметра, а в случае прокола около 0,1 миллиметра. В зависимости от режима работы диаметр пятна может увеличиваться до 1,5-2,0 миллиметра. 

Кроме основных блоков в конструкцию станка входит рабочий стол с возможностью крепления оснастки, блок управления режущей головкой, а также ее привод, который обеспечивает перемещение в двухмерной плоскости, что достаточно для обработки листового проката. 

Области применения лазерной резки

Генератор лазерных лучей справится с любым металлом или сплавом, включая материалы, покрытые тугоплавкой оксидной пленкой. Среднее фокусное расстояние лазерной головки ― от 38 до 76 мм. Глубина реза привязана к типу обрабатываемого материала и доходит до: 

• 30 мм для конструкционной стали, которая не оказывает сопротивления лучу;
• 40 мм для нержавейки, легированной хромом, оксидная пленка которого преодолевается практически без усилий;
• 25 мм для сплавов на основе алюминия, у которых есть тугоплавкая оксидная пленка;
• 12 мм для латуни и бронзы, которые сопротивляются лазеру интенсивно алюминия;
• 16 мм для меди разной степени чистоты.

Минимальная глубина реза в каждом случае равна 0,2 мм, что предполагает работу даже с фольгой. Ширина реза ― от 0,1 до 2 мм, что гарантирует экономию энергии и обрабатываемого материала (чем больше площадь контакта, тем сильнее должна быть накачка луча). Точность реза (допуск на размер) ― около 10 микрометров. Луч можно позиционировать с шагом до 5 микрометров. 

Оборудование компании «СверхНовая»

Наша компания использует станок Fiber Laser Cutting Machine SF3015G3 с рабочим столом, который позволяет оперировать деталями размером 1500х3000 миллиметра. Мощность режущей головки нашего станка позволяет работать с листами:

• Углеродистой стали толщиной до 25 мм;    
• Нержавеющего сплава толщиной до 16 мм;   
• Алюминия и его сплавов толщиной до 10 мм.

Мы предлагаем услугу лазерной резки с допуском на размер до 0,03 мм. Наши операторы работают на таких станках не менее пяти лет, поэтому мы готовы выполнить заказ любого объема и любой сложности, реализуя все выгоды резки лазером и нивелируя большинство недостатков. 

Преимущества и недостатки технологии

Резка листового металлопроката и плит лазером гарантирует множество преимуществ, недоступных для классических технологий металлообработки. К достоинствам лазерной технологии следует отнести:

• Максимальную точность реза ― лазерную точность не может обеспечить ни механическое резание (точение или фрезерование), ни абразивная/гидроабразивная обработка. Ни одна технология не предполагает использование режущего инструмента с площадью контакта от 0,1 мм в диаметре, а также позиционирование режущей кромки с точностью от 10 мкм. 
• Универсальность при обработке конструкционных материалов ― лазер справится с любым металлом, пористым стройматериалом, всеми сортами пластика, керамики. В этом случае нет никаких ограничений по возможности обработки конструкционных материалов. 
• Минимальное тепловое воздействие на зону резания ― благодаря непрерывному обдуву и концентрированному лучу обработанная кромка не успевает перегреться, поэтому лазерная обработка допускается даже при высокой хрупкости заготовки. По этому параметру ее можно сравнить с гидроабразивным резанием, при котором температура в зоне контакта не превышает 90 °C. Пятно контакта лазерного луча может нагреть зону реза до 1000 °C, но в очень короткий период, поэтому температурные деформации обработанной кромки исключены. 
• Бесконтактный характер металлообработки ― некоторые заготовки и детали исключают прямой контакт с режущим инструментом, поэтому лазерный луч будет единственно возможным вариантом. 
• Отсутствие пыли и стружки при резании ― окалина удаляется из зоны резания струей воздуха, а газообразные отходы (испарившийся металл) убирает вытяжка. Следить за чистотой рабочего места в этом случае легко и просто, что сокращает время подготовки станка к резанию. 
• Экономию обрабатываемого материала ― ширина реза не превышает 2 миллиметров, а чаще всего равна 0,3-0,5 мм, причем из-за отсутствия перегрева детали можно расположить практически вплотную при раскрое заготовки. Лазером можно без опасений вырезать даже тонкие перемычки. 
• Минимальную толщину обрабатываемой заготовки ― лазер режет плиту и фольгу толщиной от 0,2 мм, что недоступно для других режущих инструментов. При этом гарантируется точность формы и отсутствие перегрева на гранях, как и в случае с толстой заготовкой. 
• Возможность вырезания плоской заготовки/детали с любой сложностью формы ― в двухмерной плоскости лазерный станок может вырезать любую фигура, в том числе и с тонкими перемычками, густой перфорацией, множеством углов и прочими непростыми элементами. 
• Низкую себестоимость металлообработки ― если не учитывать цену станка, лазерная обработка предполагает только затраты на расходные материалы (газ и электроэнергию), которые ниже или сравнимы с аналогичными затратами при механическом резании или абразивной обработке. 

Из недостатков стоимость говорить только о высокой стоимости оборудования для лазерной металлообработки. Но если вы закажете эту услугу у нас, вам не придется покупать дорогой станок. Вы столкнетесь только с выгодами этого способа металлообработки. Иногда к минусам причисляют не самую высокую скорость резания, например, у плазменного резака она выше, особенно при толщине детали более 10-15 миллиметров. Но у плазменной резки есть свои недостатки. 

Чем отличается лазерная резка от плазменной

Если лазерный станок использует в качестве режущего инструмента узконаправленный, концентрированный пучок электромагнитного излучения, то плазменный агрегат режет материалы струей ионизированного газа, который пропускают сквозь электрическую дугу под большим давлением. В качестве газа используется активный кислород или инертные аргон, азот, а также простой воздух и даже концентрированные водные пары. Температура струи плазмы доходит до 5000 °C, позволяя резать любой материал, а скорость резание превосходит показатели лазера в 3-4 раза. 

По сложности формы получаемой детали, отсутствию серьезных температурных деформаций заготовки, точности реза плазменная обработка не уступает лазерной. По производительности плазма даже превосходит лазер. Недостаток плазменной обработки по сравнению с лазерной ― низкое качество обработанной кромки, которую придется довести до нужных размеров на абразивном станке. Этот минус сужает перспективы плазменной обработки до чернового резания, а также увеличивает общее время изготовления деталей этим способом. Поэтому наша компания предлагает клиентам именно лазерную резку. 

Услуги компании «СверхНовая»

Наша компания предлагает частным лицам и бизнесу услуги обработки листовых заготовок. Мы выполняем лазерную резку плоских деталей по вашим размерам, а также гибку металла и сварочные работы. У нас можно заказать металлический шкаф и декоративную решетку с лазерной гравировкой, ограду и мебель в стиле лофт. Компания готова к разовому и постоянному сотрудничеству детали которого можно обсудить по телефону +7 (926) 905-54-50.