Где применяется лазерная резка

Резка металла лазером: особенности метода

На производствах и в мастерских применяют различные способы раскроя из листового металла заготовок с определенными параметрами. Наиболее точный и предпочтительный способ – это применение лазерной установки.

Сам по себе метод резки – это, по сути, раскрой из листового металла заготовки необходимой формы и в определенном количестве. Известны различные методы, которые позволяют получить определенные заготовки из листов металла. Но многие из них (например, ручные станки или ножницы по металлу) не гарантируют достаточной точности.

Если есть потребность обработать листовой металл, а при этом важна точность, то может помочь только лазерная установка. Лазерная резка – это способ раскроя металлического листа определенной толщины при использовании лазера высокой мощности.

Процесс разделения происходит за счет сфокусированного лазерного пучка на конкретную область металла. В месте контакта температура материала повышается до температуры плавления. Области вокруг не меняют свой температурный показатель, что позволяет не деформироваться краю заготовки. Линия разреза получается точной и достаточно тонкой, что позволяет сэкономить на расходном материале.

Основной принцип работы лазера для резки – это прожиг металлического листа высокотемпературным и точно сконцентрированным лучом. Расплавленный металл с обработанного участка удаляется направленным потоком воздуха или произвольно стекает.

Как работает лазерная резка

Лазерная резка металла от 1 детали может производиться разными способами: при помощи кислорода,  с использованием смеси газов (аргона или азота), с помощью сжатого воздуха. Выбор газа для резки лучом зависит от того, из какого материала состоит деталь, какую  толщину имеет заготовка, предстоит ли дальнейшая обработка. Например, использование кислорода позволяет добиться максимально высоких температур при резке, а аргон будет незаменим при нарезании титана и циркония.

Современные лазеры предназначены для раскраивания металла толщиной от 0,2 мм до 40 мм. Принцип лазерной резки состоит в том, что луч обеспечивает возгорание, плавление, испарение, выдувание газовой струей материала того участка, на который он направлен.

В зависимости от тела, которое генерирует луч, можно выделить три типа оборудования для листовой лазерной порезки:

• Твердотельные лазерные станки. Снабжены диодом и стержнем, состоящим из рубина, граната либо неодимового стекла. Мощные лампы направляют заряд энергии на оптический стержень, который осуществляет ее проекцию на рабочую поверхность. Фокусировка осуществляется в том числе благодаря зеркалам и призме. Твердотельное оборудование предназначено для разрезания меди, алюминия, алюминиевых сплавов, латуни.
• Волоконные. Генератором луча служит оптоволокно. Современные станки оснащены опцией быстрой настройки размера фокального пятна, благодаря чему значительно повысилась производительность нарезки деталей из меди, стали, алюминия.
• Газовые. В качестве генератора выступают газы – обычно гелий, углекислый газ и азот. Они под давлением поступают в газоразрядную трубку, активируясь при этом электрическими импульсами. Преимущество лазерной резки газовыми станками в том, что ей подлежат даже высокопрочные сплавы.

Преимущества и недостатки лазерной резки

Лазерная резка имеет ряд положительных качеств. Например:

• При ее проведении отсутствует механическое воздействие на обрабатываемую поверхность. Благодаря этому можно нарезать материалы, которые при обычной резке получили бы повреждения или деформировались.
• Обработке подлежат многие виды металлов, в том числе сплавы алюминия и различные типы стали.
• Чаще всего лазерная резка листового металла не сопровождается возникновением облоя. В противном случае он легко удаляется с поверхности, не оставляя царапин.
• Детали при нарезании не нагреваются. Можно применять лазерную резку листа даже для тех металлов, которые имеют высокую теплопроводность.
• Раскрой материала полностью автоматизирован. Погрешность при нарезке составляет не более 0,1 мм, процент отходов минимален. Это позволяет снизить себестоимость производства.
• Высокая производительность лазерного оборудования, в итоге – значительно экономится время резки.
• Нет необходимости приобретения дорогостоящих молдов или пресс-форм.
• Универсальность оборудования. С помощью приспособления для лазерной резки металла можно изготавливать самые различные типы деталей.
• В случае необходимости, оборудованием для резки листовых металлов можно осуществлять фрезеровку и высверливание отверстий нужного диаметра и глубины.
• Есть возможность гравировки поверхностей.

  

Преимущества лазерной резки сопровождаются некоторыми недостатками:

• Листовой металл, подлежащий резке лазером, не может быть толще 40 мм, а его площадь – больше 1500 на 3000 мм.
• Этот способ резки относительно дорог.
• Невозможно производить внутреннюю резьбу.
• Необходима настройка оборудования перед каждым использованием.

Что лучше — резка металла лазером или плазмой

Плазменная резка отличается от лазерной тем, что проплавление металла производится при помощи плазменной дуги, в то время как плазменная струя удаляет расплав. Резку плазмой применяют  для обработки тонколистового металла, однако экономически целесообразно использовать для толстых поверхностей: меди (до 80 мм), чугуна (до 90 мм), алюминия (до 120 мм), сталей (до 150 мм). Хорошее качество отверстий гарантировано в случае, если их диаметр будет не меньше диаметра поверхности, разрезаемого плазмой. Нижние кромки отверстий, как правило, меньше верхних. Поверхность реза конусная и составляет от 3 до 10 градусов.

Про особенности плазменной сварки можно прочитать здесь.

Эксплуатация лазера имеет наибольшую эффективность при нарезке стали толщиной до 6 мм. Сфокусированное лазерное излучение производит качественные узкие резы, диаметр произведенных отверстий в нижней части имеют несколько больший размер, чем в верхней. Отклонение кромки реза от заданных параметров – около 0,5 градуса.

Выбирая между плазмой и лазером, стоит ориентироваться прежде всего на тип и толщину материала, подлежащего обработке. Кроме этого, стоит учесть, что лазерное оборудование имеет  большую цену, однако при необходимости  вырезания большого количества отверстий в детали часовая стоимость использования плазменного станка выше.

Лазерная резка каких материалов возможна

Резка лазерным лучом возможна, если основной материал – это:

• Сталь обычная. Максимальная толщина стального листа должна не превышать 20 мм, в противном случае нужно обратиться к другому методу.
• Сталь нержавеющая. Ограничение по толщине составляет 16 мм. Именно при таких показателях удастся избежать возникновения облоя или же его можно будет удалить без последствий. Лазерная резка нержавеющей стали толщиной более 16 мм возможна только в расплавном режиме, и зона резки будет шершавой и с трудноудаляемыми излишками материала.
• Латунь. Для лазерной резки этого металла подойдут листы толщиной не более 12 мм, поскольку сопротивление материала довольно велико. Накопления облоя не избежать, однако он ликвидируется легко.
• Сплав алюминия. Можно резать лист металла толщиной не более 10 мм. Также образуется облой в зоне резки.

Каждому типу металла соответствует своя разновидность лазера.

Внимание! Принцип лазерной резки неприменим для следующих металлов: вольфрам, титан, латунь, молибден, оксидированный алюминий. Все они обладают высокой прочностью, которая приводит к выходу лазерного оборудования из строя.

Виды лазерной резки

Лазерные установки состоят из трех основных частей:

1. Рабочей (активной) среды. Она является источником лазерного излучения.
2. Источника энергии (системы накачки). Он создает условия, при которых начинается электромагнитное излучение.
3. Оптического резонатора. Система зеркал, усиливающих лазерное излучение.

По типу рабочей среды лазеры для резки делят на три вида:

1. Твердотельные. Их основным узлом является осветительная камера. В ней находятся источник энергии и твердое рабочее тело. Источником энергии служит мощная газоразрядная лампа-вспышка. В качестве рабочего тела используют стержень из неодимового стекла, рубина или алюмо-иттриевого граната, легированного неодимом или иттербием. По торцам стержня устанавливают два зеркала: отражающее и полупрозрачное. Лазерный луч, излучаемый рабочим телом, многократно отражается внутри него, усиливается в ходе отражений и выходит через полупрозрачное зеркало.

К твердотельному виду относятся и волоконные лазеры. В них излучение усиливается в стекловолокне, а источником энергии служит полупроводниковый лазер.

Для понимания механизма работы лазера можно рассмотреть установку с рабочим телом в виде стержня из граната, легированным неодимом. Ионы последнего и служат активными центрами. Поглощая излучение газоразрядной лампы, ионы переходят в возбужденное состояние, то есть у них появляется излишек энергии.

Ионы возвращаются в исходное состояние и отдают энергию в виде фотона – электромагнитного излучения или по-другому света. Фотон вызывает переход в обычное состояние других возбужденных ионов. В итоге процесс нарастает лавинообразно. Зеркала способствуют движению луча в определенном направлении. Многократно возвращая фотоны в рабочее тело при отражении, они способствуют образованию новых фотонов и усилению излучения. Его основные характеристики – малая расходимость луча и высокая концентрация энергии.

2. Газовые. В них рабочим телом является углекислый газ или его смесь с азотом и гелием. Газ прокачивается насосом через газоразрядную трубку. Он возбуждается с помощью электрических разрядов. Для усиления излучения устанавливают отражающее и полупрозрачное зеркало. В зависимости от особенностей конструкции такие лазеры бывают с продольной и поперечной прокачкой, а также щелевые.

3. Газодинамические. Эти лазеры самые мощные. В них рабочим телом является углекислый газ, нагретый до 1 000–3 000 °К (726–2726 °С). Он возбуждается с помощью вспомогательного маломощного лазера. Газ со сверхзвуковой скоростью прокачивается через суженный посередине канал (сопло Лаваля), резко расширяется и охлаждается. В результате его атомы переходят из возбужденного в обычное состояние и газ становится источником излучения.

Режимы

Резка лазером металлических заготовок зависит от следующих факторов:

• диаметра луча;
• мощности привода;
• обработки материалов защитными составами;
• количества линз, их расположения;
• вида металла или сплава, который подвержен обработке;
• толщины заготовки;
• предварительной очистки металла от ржавчины, грязи.

Также на скорость разделения деталей влияет используемый инертный газ. Например, если заменять кислород обычным воздухом, производительность аппарата снизится вдвое.

От выбранного режима создания реза зависит его качество. Главные факторы, которые влияют на состояние готового реза — скорость движения рабочей головки, толщина детали. Раскрой по металлу желательно совершать не спеша, чтобы не испортить рез.

Виды оборудования для лазерной резки

Резка металла лазером проводится с помощью специальных установок, которые бывают трех типов:

1. Твердотельные аппараты. Устройства для лазерной резки малой мощности. Состоят из рубинового стержня, лампы накачки. Модели могут работать импульсами или в постоянном режиме.
2. Газовое оборудование. Газ нагревается до высоких температур под воздействием электрического тока. Раскалённые частицы испускают свет, который фокусируется линзами на рабочую поверхность.
3. Газодинамические установки. Газ нагревается до критических температур — свыше 3-х тысяч градусов. Далее раскалённый газ пропускается на высокой скорости через сопло, проходит процесс охлаждения. Высокая мощность таких аппаратов делает их нерентабельными при редком использовании.

Управление станком для лазерной резки деталей

Автоматизированный станок для нарезания металла лазером состоит из непосредственно лазера, снабженного источником питания, системы управления, а также контура, обеспечивающего передачу излучения в зону резки. По принципу действия это излучение напоминает плазменную дугу или газовое пламя, однако имеет гораздо большую концентрацию мощности – до 5 000 Вт.

Управление лазерным станком довольно несложное. Для осуществления лазерной резки деталей расходный материал фиксируется на рабочем столе. Затем в блок управления задаются параметры будущей детали (длина, ширина), указываются тип и толщина листового металла. Откалибровка  фокуса и выбор расстояния от резака до разрезаемой поверхности происходит автоматически. В автоматическом режиме происходит и температурный контроль.  Если технический процесс требует подачи вспомогательных газов, то к аппаратуре необходимо подключить баллоны с необходимым веществом. Для этого предусмотрены патрубки, снабженные клапанами. Защитный кожух ограждает оператора и прочий персонал от мелких частиц металла.

Преимущества и недостатки лазерной резки

У обработки материалов лазером есть ряд сильных и слабых сторон.

Преимущества:

1. Зависимо от мощности выбранного оборудования, можно разделять листы большой толщины.
2. Резка металла лазером выполняется без соприкосновения рабочей части с поверхностью изделия. Это исключает механические повреждения материала.
3. Высокая скорость проведения технологического процесса.
4. Если установка для лазерной резки комплектуется ЧПУ, можно добиться высоких показателей точности, производительности.
5. Выделение минимального количества отходов.
6. Возможность создавать резы разных размеров, формы.

Недостатки:

1. Установка расходует много электроэнергии.
2. Простые модели не могут разделять листы шириной свыше 20 мм.

Как сделать лазерный резак в гараже

Лазерная резка стали проводится на покупных и самодельных устройствах. Если нет возможности купить станок, можно изготовить его самостоятельно. Для этого нужно подготовить материалы, инструменты:

• мощный фонарик на батарейках;
• лазерную указку;
• привод из DVD-ROM;
• паяльник, отвертки.

Пошаговая инструкция сборки лазерного резака:

1. Изначально необходимо разобрать дисковод, чтобы вытащить рабочую головку. Делать это нужно аккуратно, чтобы не повредить линзу.
2. Вытащить диод из указки. На его место припаять рабочую часть из дисковода.
3. Внутренности указки нужно вытащить, чтобы собрать для них новый корпус. Закрепить все элементы в корпус фонарика. Убрать защитное стекло, запитать устройство батарейками.

Дополнительно можно укрепить корпус скотчем, клеем.

Усиление самодельной установки

Мастера экспериментируют с набором линз, чтобы усилить мощность луча. Дополнительно можно запитать его от подзарядки для аккумуляторных батареек. Чтобы удобнее было проводить технологические процессы, собирается конструкция, удерживающая самодельную установку. Она устанавливается над рабочим столом на направляющих.

Лазерная резка представляет собой современный технологический процесс, который позволяет разделять металлические листы разной толщины. Зависимо от размеров обрабатываемых заготовок нужно выбирать мощность привода.

Назначение и критерии выбора лазерной резки

Лазерную резку используют для обработки не только металлов, но и резины, линолеума, фанеры, полипропилена, искусственного камня и даже стекла. Она востребована при изготовлении деталей для различных приборов, электротехнических устройств, сельскохозяйственных машин, судов и автомобилей. Такой способ раскроя материала используют для получения жетонов, трафаретов, указателей, табличек, декоративных элементов интерьера и многого другого.

Основной критерий выбора вида лазерной резки – тип обрабатываемого материала. Так, углекислотные лазеры подходят для резки, гравировки, сварки разных материалов – металла, резины, пластика, стекла.

Твердотельные волоконные установки оптимальны при раскрое латунных, медных, серебряных или алюминиевых листов, но не подходят для неметаллов.

Лазерная резка деталей: примеры

Прибегнув к лазерной резке, вы за относительно короткий промежуток времени можете получить детали, применяемые в машиностроении; комплектующие для торгового оборудования (в том числе стеллажей, шкафов, поддерживающих установок, полок и т.д.); декоративные элементы для дизайна помещений; детали для вывесок, бигбордов и прочих рекламных носителей; трафареты, шаблоны и многое другое. Пользуются популярностью и резаные лазером элементы отопительного оборудования — печей, дымоходов, котлов, и детали ограждений, ворот. Принцип лазерной резки применяется при изготовлении многих деталей лифтового оборудования и вендинговых аппаратов.

Как можно заметить, лазерной резкой пользуются в тех случаях, когда необходимо получить высококачественные детали с минимальной шириной реза, гладкими и ровными краями, и при этом есть возможность пренебречь некоторым изменением цвета изделия в месте раскройки.

Источники: https://svarkaed.ru/svarka/poleznaya-informatsiya/lazernaya-rezka-spetsifika-protsessa-oborudovanie-materialy.html, https://zmkmsk.ru/blog/lazernaja-rezka-kak-ona-rabotaet/, https://metalloy.ru/obrabotka/rezka/printsipy-provedeniya-lazernoj-rezki, https://l-cont.ru/articles/lazernaya-rezka-printsip-raboty-voprosy-i-otvety/

27.10.2020