Статьи

Подписаться на RSS

Популярные теги Все теги

Лазерная резка, что это такое?

Лазерное излучение по своей природе аналогично обычному свету, однако имеет некоторые уникальные свойства, которые и обуславливают его применение:
- малая расходимость (лазерный пучок распространяется внутри поверхности, называемой каустикой, имеющей малый угол раскрыва)
- монохроматичность и когерентность (генерируемые фотоны характеризуются очень близкими длинами волн и имеют примерно одну фазу)
Эти свойства позволяют сфокусировать лазерный луч на очень маленькую поверхность материала и создать на ней плотность энергии, достаточную для нагревания, плавления и разрушения материала.

 Лазерное излучение характеризуется следующим набором параметров:

- длина волны
- характер распределения плотности мощности по сечению пучка
- поляризация
- расходимость пучка
- диаметр пучка, геометрия каустики и расположение фокальной точки относительно обрабатываемой поверхности
- мощность
- модовый состав
Длина волны, поляризация и расположение фокальной точки определяют условия и эффективность поглощения излучения обрабатываемой поверхностью. На качество и производительность лазерной резки решающим образом влияет характер распределения плотности мощности зависящее от модового состава. Модовый состав излучения может существенно различаться у излучателей различного типа. В настоящее время для резки материалов используются лазеры средней и высокой мощности, работающих в режиме, близком к одномодовому TEM 00.

Лазерная резка расплавлением

При этом методе материал обрабатываемой заготовки локально расплавляется лазерным излучением и выносится из зоны резки струей инертного газа, подаваемого соосно с пучком. В этом случае используется инертный газ высокой чистоты (например: азот), который не вступает во взаимодействие с материалом. Лазерная резка расплавлением материала позволяет достичь более высокой производительности, чем резка сублимационная, так как удельная энергия, необходимая для расплавления материала существенно ниже, чем для его испарения. Максимально достижимая скорость в этом случае увеличивается с ростом мощности излучения и убывает почти обратно пропорционально толщине заготовки. Лазерная резка расплавлением позволяет получать резы с чистой и свободной от окислов поверхностью как при обработке сплавов на основе железа, алюминия, так и при резке титана.

Лазерная резка с использованием кислорода

Данный метод отличается использованием в качестве вспомогательного режущего газа кислорода или кислородсодержащих смесей. При резке имеет место экзотермическая реакция, способствующая увеличению производительности процесса по сравнению с лазерной резкой с подачей инертного газа особенно на конструкционных или аналогичных сталях.
Однако данный метод обеспечивает более низкое качество резки. Фактически возрастает ширина реза, шероховатость его поверхности и глубина зоны термического влияния.
Лазерную резку в кислороде проблематично использовать при изготовлении точных шаблонов, выполнении элементов, имеющих острые углы и т.д., однако существуют возможности управлять интенсивностью энерговклада кислорода в процесс резки.
Мощность излучения определяет производительность резки. Ограничивающими факторами является интенсивность подачи кислорода и теплопроводность материала заготовки. 

Лазерная сублимационная резка

В режиме сублимационной лазерной резки материал подвергается воздействию излучения с очень высокой плотностью мощности, достаточной для его испарения.
Для предотвращения конденсации испаренного материала на поверхности реза толщина заготовки не должна существенно превосходить диаметр лазерного пучка. Поэтому сублимационная резка находит применение лишь в случаях, когда необходимо полное исключение образования грата. Для обработки металлов и сплавов данная технология применяется исключительно редко.
Все приведенное выше не касается обработки материалов, подобных дереву, керамике. Эти материалы обрабатываются сублимационной резкой даже при значительных толщинах, так как реконденсации никогда не происходит (материалы не имеют жидкой фазы). 

Процесс обработки материалов 

Термин “обработка материалов” подразумевает взаимодействие между лазерным излучением, вспомогательным режущим газом и материалом заготовки. Оптимальный выбор технологических параметров - мощности излучения и режима работы лазера, скорости обработки и свойств и состава струи вспомогательного газа - позволяет достичь максимального качества и эффективности обработки каждого конкретного материала.

Область в которой происходит локальное удаление материала под воздействием лазерного излучения называется фронтом реза. Во фронте реза материал расплавляется и частично испаряется. Фронт реза практически вертикален.
При лазерной резке с использованием окислительных сред материал в области фронта реза дополнительно нагревается благодаря экзотермической реакции окисления. В результате воздействия паров материала и кинетической энергии струи технологического газа осуществляется вынос материала из зоны реза.
При лазерной резке расплавлением технологический газ также защищает материал, находящийся в зоне обработки, от воздействия кислорода воздуха.
Перемещение фронта реза позволяет выполнить разделение частей заготовки. 

Параметры материала заготовки

Наиболее важными факторами, определяющими качество лазерной резки являются:
- химический состав материала; 
- микроструктура материала;
- качество поверхности;
- шероховатость поверхности;
- наличие на поверхности покрытия;
- поглощательная способность поверхности;
- теплопроводность;
- температура плавления;
- скрытая теплота плавления;
- температура кипения материала. 

Химический состав материала

В общем случае состав материала сложным образом влияет на его обрабатываемость лазерным излучением. С этой точки зрения наиболее важными компонентами сплавов железа являются легирующие добавки: углерод, хром, никель, марганец, кремний и цинк.
Чем выше содержание углерода, тем труднее выполнять лазерную резку.
Влияние микроструктуры материала
Существует простое правило: чем более мелкозернистый материал обрабатывается, тем выше качество поверхности реза. 

Качество и шероховатость поверхности
При наличие на поверхности обрабатываемой заготовки толстого слоя ржавчины или др. оксидов  шероховатость поверхности реза возрастает. Для получения наилучших результатов следует очищать поверхность.
Наличие на поверхности покрытия
Наиболее часто встречающиеся методы покрытий - гальванизация, оксидирование, эмалирование, покрытие полимерной пленкой.
При резке оцинкованной заготовки на нижней поверхности могут собираться капли, размер которых зависит от толщины слоя цинка
При обработке эмалированных заготовок состав эмали может влиять на качество резки.
Заготовки с покрытием в виде полимерных пленок очень хорошо обрабатываются лазерным излучением. При расположении заготовки поверхностью с покрытием, обращенной вверх, обработка не приводит к отслоению пленки. 

Поглощательная способность поверхности заготовки
Поглощательная способность материалов в основном зависит от химического состава и состояния поверхности.
Сплавы алюминия, меди и нержавеющие стали в высокой степени отражают лазерное излучение и решающую роль при лазерной резке данных материалов играет рациональный выбор параметров резки. 

Теплопроводность
При лазерной резке материалов, имеющих низкую теплопроводность, требуется меньше удельной энергии, чем при резке высокотеплопроводных. Также меньше размеры зоны термического влияния.
По этой причине конструкционные стали обрабатываются при более высоких уровнях плотности мощности, а резка сплавов алюминия и меди требует источника энергии максимальной интенсивности.

Зона термического влияния
При любой технике термической резки, в т.ч. лазерной резке, внесенное тепло может вызывать изменение структуры материала в областях, прилегающих к краю реза (закалка).
В общем случае величина зоны термического влияния растет с увеличением толщины материала.
При обработке углеродистых сталей с уменьшением содержания углерода влияние закалки на свойства материала в зоне термического влияния также уменьшается.
При резке сталей с высоким содержанием углерода может наблюдаться повышение твердости материала.
При лазерной резке алюминиевого проката твердость в зоне термического влияния может быть даже несколько ниже, чем у исходного материала.

Обрабатываемость различных материалов: 

Конструкционные стали
Конструкционные стали режутся лазерным излучением с подачей кислорода в качестве вспомогательного газа с высоким качеством.
При использовании кислорода поверхность реза слегка окисляется. При небольших толщинах для получения чистого реза возможно также применять резку с использованием азота, характеризующуюся отсутствием окисления, однако производительность раскроя в этом случае составляет лишь 10-30% от производительности резки с кислородом.
В общем случае при обработке углеродистых сталей справедливо следующее:
Чем выше содержание углерода, тем значительнее повышение твердости материала в зоне термического влияния и тем выше риск оплавления фрагментов с ограниченными условиями теплоотвода.
Исходная твердость материала не влияет на результат и производительность процесса.
Чем выше содержание легирующих добавок тем труднее обрабатывается сталь.
Наличие на поверхности слоя окислов или высокая ее шероховатость снижают качество резки.
Нержавеющие стали
Нержавеющие стали могут обрабатываться :
- с подачей кислорода, если допустимо окисление поверхности реза
- с подачей азота для получения чистой свободной от грата поверхности реза
- при работе с высокой мощностью излучения и подачей азота под высоким давлением возможно повышение производительности резки по сравнению с резкой с кислородом.

Алюминий
Алюминий и его сплавы преимущественно режутся в непрерывном режиме. Несмотря на высокую отражательную способность эти материалы качественно и эффективно можно резать при толщинах до 6-8 мм в зависимости от мощности используемого лазера.
Алюминий можно резать как с использованием кислорода, так и с подачей азота под высоким давлением:
- при использовании кислорода поверхность реза получается шероховатой, присутствует небольшой, но трудноудалимый грат;
- при использовании азота поверхность реза получается ровной. При толщинах до 4 мм возможно достигать полного отсутствия грата. При больших толщинах образуется грат;
- чистый алюминий труднее обрабатывать, чем его сплавы;
- чем выше содержание легирующих компонентов, тем легче обрабатывать сплав алюминия.

Титан
Листовой титан можно раскраивать с использованием в качестве вспомогательного газа аргон или азот. Основные параметры резки аналогичны используемым для хромоникелевых нержавеющих сталей.

Медь и латунь
Оба материала характеризуются высокой отражательной способностью и теплопроводностью.
Латунь при толщинах до 3 мм может резаться с использованием азота.
Медь может обрабатываться при толщинах до 5 мм при использовании кислорода в качестве вспомогательного газа. 

Синтетические материалы
Эффективно обрабатываются все термопластичные материалы и эластомеры. 
Плексиглас отлично режется лазерным излучением при использовании в качестве вспомогательного газа азота.

Oрганические вещества
При обработке органических материалов всегда есть опасность возгорания. Резка выполняется с подачей азота.
Древесина, кожа, картон и бумага эффективно режутся лазерным излучением, однако поверхность реза может быть несколько обугленной. Степень обугливания уменьшается с ростом скорости обработки.
При обработки клееных материалов получение чистого реза представляет сложную задачу, так как каждый слой заготовки по-разному реагирует на нагрев.

 

Конструктор сайтов
Nethouse