лазерная резка металла , або lbc (laser beam cutting), як вона позначається у всьому світі, – це процес, при якому матеріал в зоні різу нагрівається, а потім руйнується за допомогою лазера.
Сутність лазерного різання металу
Лазерне різання металу, як зрозуміло з її назви, виконується за допомогою променя лазера, одержуваного за допомогою спеціальної установки. Властивості такого променя дозволяють фокусувати його на поверхні невеликої площі, створюючи при цьому енергію, що характеризується високою щільністю. Це призводить до того, що будь-який матеріал починає активно руйнуватися (плавитися, згоряти, випаровуватися і т.д.).
Верстат лазерного різання металу, наприклад, дозволяє концентрувати на поверхні оброблюваного виробу енергію, щільність якої становить 108 ват на один квадратний сантиметр. Для того щоб зрозуміти, як вдається домогтися такого ефекту, необхідно розібратися, якими властивостями володіє лазерний промінь:
- лазерний промінь, на відміну від світлових хвиль, характеризується постійністю довжини і частоти хвилі (монохроматичність), що і дозволяє легко фокусувати його на будь-якій поверхні за допомогою звичайних оптичних лінз.
- виключно висока спрямованість лазерного променя і невеликий кут його розходимості. Завдяки такій властивості на обладнанні для лазерного різання можна отримати промінь, що відрізняється високою фокусуванням.
- лазерний промінь володіє ще одним дуже важливим властивістю-когерентністю. Це означає, що безліч хвильових процесів, що протікають в такому промені, повністю узгоджені і знаходяться в резонансі один з одним, що в рази збільшує сумарну потужність випромінювання.
Процеси, що відбуваються при різанні металу з використанням лазера, добре помітні на наведених в статті відео. При впливі променя на поверхню металу відбувається швидке нагрівання і подальше розплавлення піддається обробці площі.
Швидкому поширенню зони плавлення вглиб оброблюваного виробу сприяють кілька факторів, в тому числі і теплопровідність самого матеріалу. Подальший вплив лазерного променя на поверхню виробу призводить до того, що температура в зоні контакту доходить до точки кипіння і оброблюваний матеріал починає випаровуватися.
Лазерне різання металу може виконуватися двома способами:
- плавленням металу;
- випаровуванням оброблюваного металу.
Для того щоб виконати різання металу методом випаровування, потрібна велика потужність обладнання і, як наслідок, значні енерговитрати, що не завжди доцільно з економічної точки зору. Обмежують використання такого методу і суворі вимоги до товщини оброблюваних виробів. Саме тому даний метод використовують тільки для різання тонкостінних деталей.
значно більшого поширення набула лазерна різка металу методом плавлення. Останнім часом лазерне різання методом плавлення все частіше проводять з використанням газів (кисень, азот, повітря, інертні гази), які за допомогою спеціальних установок вдувають в зону різу (відео цього процесу можна легко знайти в мережі).
Така технологія дозволяє знизити енерговитрати, підвищити швидкість роботи, використовувати обладнання невеликої потужності для різання металу великої товщини. Звичайно, це не можна вважати лазерної різкою в чистому вигляді, правильніше буде називати його газолазерної технологією.
Використання кисню в якості допоміжного газу при виконанні лазерного різання дозволяє одночасно вирішити такі важливі завдання, як:
- активізація процесу окислення металу (це дозволяє знизити його відбивну здатність);
- підвищення теплової потужності у зоні реза (оскільки метал в середовищі кисню горить більш активно);
- видування із зони різання дрібних частинок металу і продуктів згоряння киснем, подається під певним тиском (це полегшує приплив газу в зону обробки).
Переваги та недоліки лазерного різання
Лазерне різання металевих виробів має цілий ряд вагомих переваг в порівнянні з іншими способами різання. З численних переваг даної технології варто обов’язково відзначити наступні.
- діапазон товщини виробів, які можна успішно піддавати різанню, досить широкий: сталь – від 0,2 до 20 мм, мідь і латунь – від 0,2 до 15 мм, сплави на основі алюмінію – від 0,2 до 20 мм, нержавіюча сталь – до 50 мм.
- при використанні лазерних апаратів виключається необхідність механічного контакту з оброблюваної деталлю. Це дозволяє обробляти таким методом різання легко деформуються і крихкі деталі, не переживаючи за те, що вони будуть пошкоджені.
- отримати за допомогою лазерного різання виріб необхідної конфігурації просто, для цього достатньо завантажити в блок управління лазерного апарату креслення, виконаний в спеціальній програмі. Все інше з мінімальним ступенем похибки (точність до 0,1 мм) виконає обладнання, оснащене комп’ютерною системою управління.
- апарати для виконання лазерного різання здатні з великою швидкістю обробляти тонкі листи зі сталі, а також вироби з твердих сплавів.
- лазерна різка металу здатна повністю замінити дорогі технологічні операції лиття і штампування, що доцільно в тих випадках, коли необхідно виготовити невеликі партії продукції.
- можна значно знизити собівартість продукції, що забезпечується за рахунок більш високої швидкості і продуктивності процесу різання, зниження обсягу відходів, відсутності необхідності в подальшій механічній обробці.
Поряд з високою потужністю пристрої для лазерного різання володіють винятковою універсальністю, що дає можливість вирішувати з їх допомогою завдання будь-якого ступеня складності. У той же час для лазерного різання металу характерні і деякі недоліки.
- через високу потужність і значне енергоспоживання обладнання для лазерного різання собівартість виробів, виготовлених з його застосуванням, вище, ніж при їх виробництві методом штампування. Однак це можна віднести лише до тих ситуацій, коли в собівартість штампованої деталі не включена вартість виготовлення технологічного оснащення.
- існують певні обмеження по товщині деталі, що піддається різанню.
Види обладнання для лазерного різання
Обладнання для лазерного різання металу ділиться на три основних типи.
Гази в таких установках, що використовуються в якості робочого тіла, можуть прокачуватися по поздовжньої або поперечної схемою. Принцип роботи таких лазерів полягає в порушенні атомів газу під дією електричного розряду, внаслідок чого частинки починають випромінювати монохроматичне світло. Велике поширення в сучасній промисловості знайшли щілиноподібні установки, що працюють на вуглекислому газі. Вони досить компактні, при цьому потужні і відрізняються простотою в експлуатації (в інтернеті досить багато відео, на яких показана робота таких установок).
Конструкція такого обладнання складається з двох основних елементів: лампи накачування і робочого тіла, в якості якого найчастіше використовується стрижень зі штучного рубіна. До складу останнього також включений неодим ітрієвого граната. Лампа накачування в таких апаратах необхідна для того, щоб передати на робоче тіло необхідне випромінювання. Найчастіше такі установки для лазерного різання працюють в імпульсному режимі, але є і моделі, що функціонують безперервно.
У газодинамічних установках робочий газ попередньо нагрівається до 2-3 тисяч градусів, потім на високій швидкості (вище швидкості звуку) пропускається через спеціальне сопло, а після цього охолоджується. Таке обладнання є дуже дорогим, як і сам процес формування лазерного променя, тому його використання дуже обмежене.
Якщо подивитися відео роботи лазерної установки, то дуже складно визначити, до якої групи вона відноситься. Для цього необхідно отримати уявлення про пристрій такого обладнання.
Обладнання для виконання лазерної різки, до якої групи воно не належало, містить наступні елементи:
- систему, що відповідає за передачу і утворення газу і випромінювання (до складу такої системи входять сопло, пристрій для подачі газу, юстировочный лазер, поворотні дзеркала, оптичні елементи та ін.);
- випромінювач, оснащений дзеркалами резонатора, що містить активну середу, пристрої для накачування і забезпечення модуляції, якщо вона необхідна;
- систему управління всіма параметрами роботи обладнання та здійснення контролю за їх дотриманням;
- Вузол, що забезпечує переміщення оброблюваного виробу і лазерного променя.
