Что такое лазерная резка металла


принципы работы, виды и особенности

Лазерную резку используют для раскроя листовых материалов, чаще всего – металлов. Одно из ее главных отличий – возможность изготовления деталей со сложным контуром.

Принципы работы лазерной резки

Использование этого метода основано на тепловом воздействии лазерного излучения на материалы. При этом разрезаемый металл нагревается сначала до температуры плавления, а потом до температуры кипения, при которой он начинает испаряться. Лазерная резка испарением требует высоких энергозатрат, поэтому ее используют для работы с тонкими металлами.

Относительно толстые листы разрезают при температуре плавления. Чтобы облегчить этот процесс, в зону резки подается газ: азот, гелий, аргон, кислород или воздух. Его задача – удалять из зоны резки расплавленный металл и продукты его сгорания, поддерживать горение металла и охлаждать прилегающие зоны. Наиболее эффективен для этого кислород. Он заметно увеличивает скорость и глубину резки.

Подробнее о процессе лазерной резки можно узнать из видео ниже:

Параметры резки разных металлов

Скорость резки зависит не только от мощности лазера и толщины металла, но и от его теплопроводности. Чем она выше, тем интенсивнее отводится тепло из зоны резки и тем более энергозатратным будет весь процесс. Так, если лазером мощностью 600 Вт можно легко разреза́ть черные металлы или титан, то алюминий или медь, обладающие высокой теплопроводностью, обрабатывать значительно сложнее. Средние параметры для работы с разными металлами выглядят следующим образом:

Малоуглеродистая сталь Инструментальная сталь Нержавеющая

сталь

Титан
Толщина, мм 1,0 1,2 2,2 3,0 1,0 1,3 2,5 3,2 0,6 1,0
Мощность лазера, Вт 100 400 850 400 100 400 400 400 250 600
Скорость резания, м/мин 1,6 4,6 1,8 1,7 0,94 4,6 1,27 1,15 0,2 1,5

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.

Так устроен твердотельный 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.

  1. 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.

Так устроен газовый лазер с продольной прокачкой

  1. 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.

Схема работы газодинамического лазера

Преимущества и недостатки лазерной резки

Можно выделить следующие преимущества лазерной резки металлов:

  • Нет механического контакта с поверхностью разрезаемого металла. Это делает возможным работу с легкодеформируемыми или хрупкими материалами.
  • Можно разрезать металлы разной толщины. Сталь в пределах 0,2–30 мм, алюминиевые сплавы – 0,2–20 мм, медь и латунь – 0,2–15 мм.
  • Высокая скорость резки.
  • Возможность изготовления изделий с любой конфигурацией.
  • Чистые кромки разрезаемого металла и низкое количество отходов.
  • Высокая точность работы – до 0,1 мм.
  • Экономный расход листового металла за счет более плотной раскладки деталей на листе.

Недостатками лазерной резки считаются высокое энергопотребление, дорогое оборудование.

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.

Руководство для инженера по лазерной резке> ENGINEERING.com

Если вас попросили назвать важное событие 1967 года, есть множество очевидных ответов.

В 1967 году было «Лето любви», подтверждение Тергуда Маршалла в Верховном суде и - если вы фанат хоккея - это был последний раз, когда «Торонто Мэйпл Лифс» выигрывало Кубок Стэнли. В 1967 году не было недостатка в технических новостях, включая катастрофу Аполлона-1, первый запуск ракеты Сатурн V и дебют Конкорд.

Вот еще одно событие 1967 года, которое, возможно, было столь же важным, но не получило столько внимания прессы: Питер Хоулдкрофт, тогдашний заместитель научного директора Института сварки в Кембридже, Великобритания, начал свои эксперименты с использованием газа, поддерживающего кислород, для резки 1 мм толстый стальной лист с лазером CO 2 мощностью 300 Вт.

Это положило начало использованию лазеров для промышленной обработки материалов. Теперь, 50 лет спустя, станки для лазерной резки составляют самый большой сегмент рынка станков для резки металла, который также включает плазменную, гидроабразивную и механическую резку.

Что такое лазерная резка?

Проще говоря, лазерный резак с ЧПУ использует когерентный луч света для резки материала, чаще всего листового металла, а также дерева, алмаза, стекла, пластика и кремния.

(Изображение любезно предоставлено AMADA.)

Вначале луч направлялся через линзу через зеркала, но в наши дни гораздо более распространена волоконная оптика. Линза фокусирует луч в рабочей зоне для сжигания, плавления или испарения материала. Точный процесс, которому подвергается материал, зависит от типа лазерной резки.

Вообще говоря, лазерную резку можно разделить на два типа: лазерная резка плавлением и абляционная лазерная резка. Лазерная резка плавлением включает плавление материала в колонне и использование потока газа под высоким давлением для срезания расплавленного материала, оставляя открытый пропил. Напротив, абляционная лазерная резка удаляет материал слой за слоем с помощью импульсного лазера - это похоже на долбление, только светом и в микроскопическом масштабе. Обычно это означает испарение материала, а не его плавление.

Два других ключевых фактора отличают лазерную резку плавлением от абляционной лазерной резки.

Во-первых, абляционная лазерная резка может использоваться для частичных надрезов в материале, тогда как лазерная резка плавлением может использоваться только для прорезания всего материала. Это происходит из-за того, что резка плавлением работает с лазерами либо в непрерывных волнах, либо со значительно более длинными импульсами, чем абляционная резка (микро- или миллисекунды против наносекунд), что приводит к проникновению ванны расплава на всю глубину металла.Этот расплавленный материал должен быть срезан потоком газа, иначе он может остаться в пропиле и при охлаждении сварить срезанные кромки.

Второй и более важный фактор, который отличает эти два типа лазерной резки, - это скорость. «При резке листового металла, составляющей основную часть индустрии резки, вы в основном режете материал толщиной от 0,5 до 12 мм, - сказал Рузбех Саррафи, старший научный сотрудник
IPG Photonics. «При нынешнем состоянии лазерных технологий лазерная резка плавлением выполняется намного быстрее для таких установок.Абляционная резка сейчас занимает больше времени ».

(Изображение любезно предоставлено IPG Photonics.)

Учитывая доминирующее положение в отрасли резки листового металла, данная статья посвящена лазерной резке плавлением. Если вы хотите узнать больше об абляционной лазерной резке, прочтите эту статью о производстве в микронном масштабе.

Волоконные лазеры и CO 2

Двумя наиболее распространенными типами станков для лазерной резки являются волоконный лазер и CO 2 .

CO 2 лазеры используют в качестве активной лазерной среды электромагнитно-стимулированный газ - обычно смесь углекислого газа, азота и иногда водорода, ксенона или гелия.Напротив, в волоконных лазерах, которые являются разновидностью твердотельных лазеров, используется оптическое волокно, легированное редкоземельными элементами, такими как эрбий, иттербий, неодим или диспрозий. Как показали эксперименты Хоулдкрофта, промышленность началась с CO 2 , и эта технология доминировала до недавнего времени.

(Изображение любезно предоставлено Bystronic.)

«Начиная примерно с 2010 или 2011 года продажи волоконных лазеров составляли около 5-10 процентов от всех продаж лазеров», - сказал Дастин Дил, менеджер по продукции лазерного подразделения AMADA AMERICA.«Они существовали и раньше, но не получили особого успеха - люди не были знакомы с технологиями. Как только покупатели начали чувствовать себя более комфортно, именно тогда вы действительно заметили рост продаж волокна. По состоянию на конец 2017 года более 90 процентов продаж машин приходилось на волокно ».

Предположения о том, что волоконные лазеры захватят рынок с CO 2 , полностью восходят к некоторым из самых первых волоконных лазерных систем. По мере того, как за последнее десятилетие ситуация изменилась, вопрос сместился с «Возможно ли, что рынок так называемых нишевых лазерных резаков окажется больше, чем ожидалось?» на «Полностью заменят ли волоконные лазеры CO 2

Даже среди экспертов, остается спорным вопросом:

«Тенденция [замены CO 2 на оптоволокно] будет продолжаться», - сказал Эрих Бухольцер, менеджер по продукции лазерной резки Bystronic.«Возможно, будут полностью заменены лазеры CO 2 . Если так, то это произойдет в среднесрочной перспективе, пока технология волоконных лазеров будет развиваться дальше. В настоящее время лазеры CO 2 по-прежнему обладают некоторыми особыми преимуществами, например лучшим качеством кромок в толстом материале и меньшими заусенцами ».

Диль был более осторожен, но все еще оптимистичен в отношении перспектив волокна:

«Заменит ли он когда-нибудь CO 2 ? Я бы не хотел делать такое смелое заявление, потому что могут быть некоторые приложения, в которых это необходимо, но мы можем сделать с волокном так много, что, судя по тому, что мы обнаружили, нет ничего, что волокно не могло бы сделать. что CO 2 может.”

(Изображение любезно предоставлено AMADA.)

Он также не согласился с оценкой Бухольцера характеристик волокна на толстых материалах.

«Идея о том, что CO2 имеет« преимущество », когда дело доходит до более толстых материалов, вероятно, является более старым заблуждением, а когда мы говорим о« старом »в мире волокна, это может быть всего на пару лет», - сказал он. «Когда впервые появилось волокно, это вызывало беспокойство, потому что на самом деле не существовало какой-либо технологии, которая позволяла бы получить качество кромки CO2, но сегодня мы можем воспроизвести это качество кромки даже с более толстыми материалами.”

Саррафи из IPG Photonics был еще более оптимистичен в отношении перспектив волоконных лазеров:

«Я ожидаю, что твердотельные лазеры, особенно волоконные, в связи со всеми разработками, произошедшими в последние годы, полностью заменят СО2-лазеры для резки листового металла. Если вы пойдете на такие шоу, как FABTECH, очевидно, что волоконные лазеры уже доминируют в области резки металлов ».

Материалы для лазерной резки

Как отмечалось выше, лазерные станки с ЧПУ используются для обработки широкого спектра материалов в различных отраслях промышленности.Поскольку резка листового металла является наиболее распространенным применением, стоит сосредоточиться на соответствующих особенностях. Например, отражательная способность и толщина поверхности - два наиболее важных фактора, которые следует учитывать.

(Изображение любезно предоставлено IPG Photonics.)

«Отражение является основным фактором, определяющим тип материала, который можно разрезать, и здесь используется лазерная технология (например, CO 2 против волоконного лазера)», - сказал Бухольцер. «Максимальная толщина зависит от различных факторов, в том числе от мощности лазера и от способа ее применения.”

Что касается отражательной способности, Саррафи добавил:

«Доказано, что современные волоконные лазеры режут все отражающие металлы, если они обладают достаточной мощностью и достаточно маленьким размером пятна», - сказал он. «Все дело в высокой пиковой мощности и оптической настройке. Так что отражательная способность больше не является большой проблемой ».

Это правда, что усовершенствования волоконных лазеров привели к более широкому диапазону возможностей лазерной резки металла, включая медь, латунь, титан и другие сплавы, которые не подходили для CO 2 .Однако, несмотря на эти улучшения, толщина материала по-прежнему является значительным ограничением для лазерной резки.

«Обычно в мире лазеров верхним пределом является низкоуглеродистая сталь толщиной 1 дюйм», - сказал Диль. «Как только вы перейдете к пластине размером 1½ или 2 дюйма, возможно, появится лучший инструмент для работы».

Сравнение лазерной резки с другими процессами

Хотя лазерные резаки с ЧПУ за последнее десятилетие добились огромных успехов, особенно волоконных лазеров, они не единственная игра в городе.Если вы подумываете о новом (или бывшем в употреблении) станке для лазерной резки для своей области применения, скорее всего, вы либо модернизируете старый лазер, либо заменяете менее эффективный процесс на более эффективный. В последнем случае часто возникают споры между лазерной, плазменной, механической и гидроабразивной резкой.

(Изображение любезно предоставлено Bystronic.)

«Во многом это зависит от вашего продукта и от того, попадает ли он в нужный диапазон», - сказал Дил. «Как правило, лазер будет иметь размеры 5х10 дюймов или, может быть, 6х12 футов.Мы привыкли обрабатывать низкоуглеродистую сталь толщиной 1 дюйм и пух. Теперь, с волокнами более высокой мощности, мы даже делаем 1 дюйм из нержавеющей стали и 1 дюйм из алюминия, что является одним из достижений технологии волоконных лазеров. Но пока вы остаетесь в пределах этого диапазона и ниже, волоконный лазер определенно будет лучшим вариантом ».
Лазерная резка против плазмы

Плазменная резка использует электрически нагреваемый канал ионизированного газа для резки материала. Поскольку сама заготовка составляет часть образующейся электрической цепи, она должна быть электропроводной.

Разгрузка лазерного станка с ЧПУ AMADA liber в Центре готовности флота на юго-востоке.

С точки зрения капитальных затрат, эксплуатационных затрат и скорости плазменная резка имеет преимущество перед лазерной резкой. Как указано выше, плазменная резка также лучше подходит для резки толстых листов. Однако лазерные резаки с ЧПУ выигрывают в гибкости - поскольку они могут резать непроводящие материалы - и, что более важно, в качестве кромки.

Допуск на размер детали для плазменной резки также значительно ниже, чем для лазерной резки, поскольку ширина пропила для плазменной резки значительно больше.

Лазерная резка и штамповка

В этом контексте «механическая резка» означает использование пробивного пресса с матрицей.

В среднем механическая резка имеет более высокие капитальные затраты и более высокие эксплуатационные расходы, чем лазерная резка, особенно если в пробивном прессе используется сложная матрица. Хотя в последние годы механическая резка значительно продвинулась вперед, лазерная резка остается более гибким процессом. Основное преимущество механической резки - объем.

(Изображение любезно предоставлено AMADA.)

«Если вы сравниваете механический пробивной пресс с волоконным лазером, то волоконный лазер дает вам гораздо больше гибкости, но пробивной пресс более экономичен только в том случае, если вам нужно производить очень большое количество идентичных деталей», - сказал Саррафи.

Лазерная резка также имеет несомненное преимущество перед штамповкой, когда дело касается качества деталей, особенно если следы инструмента или царапины на поверхности являются проблемой в вашем приложении.

Laser Cutting vs.Waterjet

При гидроабразивной резке используется струя воды под высоким давлением, часто в сочетании с абразивом. Его капитальные затраты выше, чем у плазменного, но ниже, чем у лазера, однако он также имеет самые высокие эксплуатационные расходы из всех трех.

Waterjet может выполнять трехмерную резку материалов, а также более толстые материалы, в то время как лазерная резка выигрывает в скорости резки, хотя это можно компенсировать в многоструйных системах. Относительное качество кромки и точность близки, но у гидроабразивной резки есть небольшое преимущество в обоих случаях.

Распространенные ошибки при лазерной резке

«С точки зрения первого лазера, здесь есть фактор запугивания», - сказал Диль. «Это высокотехнологичное оборудование, и заказчик может быть из другого источника, например из плазмы или даже из старого механического штампа».

(Изображение любезно предоставлено IPG Photonics.)

Как и в случае с любым новым процессом, лазерная резка требует обучения. Если у вас есть опыт работы с другими процессами XY-резки, такими как плазменная, станок для лазерной резки с ЧПУ должен показаться вам относительно знакомым.Тем не менее, есть еще несколько ошибок, которых новым пользователям следует избегать. Саррафи особо отметил два:

«Я видел, что клиенты иногда пропускают разрешение инструмента или ширину пропила, ошибочно полагая, что это бесконечно узкие линии реза», - отметил он. «Это не так, хотя лазеры очень узкие по сравнению с другими процессами. Диапазон обычно составляет от 30 до 300 микрон, в зависимости от мощности лазера, оптических настроек и вашего технологического процесса. Это нужно учитывать при оформлении кроя.”

Еще одна распространенная ошибка, связанная с опорой мелких деталей с помощью микрошариков, называется выступом:

«При лазерной резке используется газ под высоким давлением - 5-25 бар для азотной резки, - поэтому вам необходимо, чтобы детали поддерживались собственным весом, что работает, если они толще 2-3 мм и относительно большие по размеру, но для деталей, которые являются тонкими и маленькими, чтобы противостоять силе потока газа, небольшие участки должны оставаться неразрезанными », - сказал Саррафи. «Эти микрошвы очень маленькие, 0.2–0,4 мм шириной, поэтому их легко сломать при постобработке, но иногда бывает необходимо соединить детали с рамой, чтобы детали не улетали ».

(Изображение любезно предоставлено Bystronic.)

Последний вопрос касается технического обслуживания лазерного резака, как пояснил Диль: «Волоконный лазер имеет множество деталей, которые необходимо учитывать в повседневной работе, например, чистоту. Существуют сопла, которые необходимо обслуживать должным образом, или устройства защиты линз - это вещи, с которыми нужно иметь дело ежедневно.«Все это указывает на важность сочетания систем лазерной резки с опытными и квалифицированными операторами, - отметил Диль.

«Мы видим магазины с операторами, которые похожи на наших внутренних чемпионов: они заставляют нас хорошо выглядеть, потому что они заботятся о машине и понимают важность всего, от методов программирования до ежедневного обслуживания».

Советы по эффективной лазерной резке

Существует распространенное заблуждение относительно лазерной резки, что эффективность зависит только от чистой мощности лазера.Частично это связано с наследием систем CO 2 , но быстрое развитие волоконной лазерной технологии охватывает не только мощность лазерного луча. «По мере увеличения мощности резания необходимо учитывать и другие факторы», - сказал Бухольцер. «С технологической точки зрения, особенно для обработки тонких материалов, динамика станка (ускорение / замедление) также должна увеличиваться, чтобы в полной мере использовать дополнительную мощность резания». Ускорение и замедление являются основными ограничениями для эффективности резки.

(Изображение любезно предоставлено AMADA.)

Даже удвоение скорости резания не обязательно приведет к эквивалентному сокращению времени цикла, поскольку это зависит от геометрии обрабатываемых деталей, как объяснил Саррафи: «Поскольку становятся доступны очень высокие скорости резания, мы говорим о 2000 дюймов в минуту или один метр в секунду - время цикла для деталей менее 2 дюймов или меньше со сложными функциями ограничивается ускорением, а не скоростью. Прежде чем вы наберете полную скорость, вам нужно перейти в другой угол.”

Другой способ взглянуть на этот момент заключается в том, что приложения, включающие большие детали или детали с менее сложными функциями, могут использовать преимущества высокоскоростной лазерной резки, поскольку ускорение и замедление будут менее значимыми. «Что вам действительно нужно, так это хорошая система доставки луча, способная справиться с той мощностью, которую вы посылаете на нее, включая линзы, режущую головку и т. Д.» - отметил Диль.

«Это нечто большее, чем просто грубая сила», - добавил он. «В FABTECH уже много лет используется лазер мощностью 12000 Вт - там много мощности, - но всегда ли он был надежным производственным инструментом?»

Рекомендации по покупке станка для лазерной резки с ЧПУ

Если вы собираетесь купить свой первый станок для лазерной резки с ЧПУ, следует помнить о нескольких вещах.В качестве альтернативы, если вам интересно, не пора ли модернизировать ваш единственный лазерный резак, Саррафи предложил такой примерный совет: «Если вам нужно резать материал со скоростью более 30 дюймов в минуту или 0,75 метра в минуту, я расцениваю это как знак того, что лазерный процесс становится маргинальным ».

(Изображение любезно предоставлено Bystronic.)

В любом случае, первый шаг - выяснить, как и где машина впишется в вашу работу, как объяснил Бухольцер:

«Мощность обработки, обеспечиваемая современным станком для резки волоконным лазером, очень высока, что означает высокую производительность станка, особенно при обработке тонких листов», - сказал он.«Если вы собираетесь инвестировать в станок для лазерной резки, вам следует учитывать не только этот этап процесса, но и то, как вы встраиваете станок на своем заводе, чтобы получить наилучшие результаты от вложений».

Как указано в предыдущем разделе, мощность лазерного луча не должна быть единственным показателем при принятии решения. При этом нельзя полностью сбрасывать со счетов его, как объяснил Саррафи:

«Не ограничивайте себя выбором лазера с минимальной мощностью, необходимой для резки деталей. Лазеры высокой мощности расширяют ваши возможности не только по производительности, но также по качеству и повторяемости процесса резки.”

Это связано с тем, что лазеры с более высокой мощностью позволяют игнорировать небольшие отклонения в материале и системе резки, которые необходимо учитывать и регулировать при использовании лазера с меньшей мощностью. «Если вы выберете лазер мощностью 1 кВт для 4-миллиметровой нержавеющей стали, вам, возможно, придется стать экспертом по резке 1 кВт нержавеющей стали 4 мм», - пояснил Саррафи. «Это связано с тем, что из-за небольшого технологического окна вам необходимо выявить и устранить все небольшие отклонения от идеальных условий материала и режущей системы.Если у вас есть лазер мощностью 2 или 3 кВт для того же материала, вы не только сможете резать быстрее, но и сможете выполнять задания с меньшими затратами опыта ».

(Изображение любезно предоставлено IPG Photonics.)

При принятии решения о том, сколько энергии вам действительно нужно, может быть полезно рассмотреть базовое уравнение стоимости детали. В связи с этим Диль дал следующий совет: «Я хотел бы задать один вопрос:« Что делается с технологической точки зрения, чтобы снизить стоимость детали? »Вы можете купить лазер наивысшей мощности и подать больше вспомогательного газа в как вы можете, но действительно ли это делает деталь более рентабельной, или она действительно делает деталь более дорогой по сравнению с тем способом, который вы использовали для ее обработки? »

Промышленная лазерная резка

В отличие от Toronto Maple Leafs, промышленная лазерная резка одержала значительные победы с 1967 года.Подобно тому, как станки для лазерной резки с ЧПУ вышли из ниши и стали доминировать на рынке станков для резки, так и волоконный лазер поднялся из нишевой технологии и таким же образом стал доминировать на рынке станков лазерной резки. Но есть много факторов, которые следует учитывать перед тем, как погрузиться в лазерную резку. Просто помните, что для лазеров, как и для жизни, мощность - это еще не все, но это еще не все.

Для получения дополнительной информации о лазерной резке посетите веб-сайты AMADA AMERICA, Bystronic и IPG Photonics.

Чтобы получить информацию о других процессах изготовления и обработки, ознакомьтесь с нашими характеристиками по гидроабразивной резке, электроэрозионной обработке и 5-осевой обработке.

.

Общие проблемы и решения для лазерной резки металлических материалов

При лазерной резке энергия лазера используется для резки материала и получения требуемой заготовки. Например, нержавеющая сталь, углеродистая сталь и т. Д., Облучаемый материал быстро расплавляется, испаряется, удаляется или достигает точки горения, а расплавленный материал выдувается высокоскоростным воздушным потоком, коаксиальным с лучом, тем самым разрезая заготовку. .

Если параметры процесса лазерной резки строго контролируются во время процесса резки, качество резки может быть сохранено.Наиболее важными параметрами процесса, влияющими на качество резки материала, являются скорость резки, мощность лазера, положение фокуса, давление вспомогательного газа, высота и диаметр сопла. Специфические проблемы и методы устранения неполадок при резке нержавеющей и углеродистой стали заключаются в следующем.

Волоконный лазер для резки углеродистой стали

Нержавеющая сталь, вырезанная волоконным лазером, представляет собой крошечные заусенцы правильной формы, образующие капли.

Причины и способы решения проблемы, при которой при резке волоконным лазером появляются небольшие регулярные заусенцы.

1. Если фокус слишком низкий, мы должны поднять фокус.

2. Если скорость подачи слишком высока, мы должны снизить скорость.

3. Если мощность недостаточно велика, следует увеличить мощность.

Причины и способы устранения длинных заусенцев неправильной формы только на одной стороне режущей кромки.

1. При несоосности сопла следует выполнить центрирование сопла

2. Если фокус слишком высок, мы должны уменьшить фокусировку.

3. Если давление воздуха слишком низкое, следует увеличить давление воздуха.

4. Если скорость слишком низкая, мы должны увеличить скорость резания.

5. Если диаметр сопла слишком мал или отверстие сопла не круглое, следует проверить состояние отверстия сопла с соплом большего диаметра.

Причины и решения при наличии длинных неровных заусенцев с обеих сторон, изменение цвета поверхности разрезанного листа.

1.Если скорость подачи слишком низкая, мы должны увеличить скорость.

2. Если фокус слишком высок, мы должны уменьшить фокусировку.

3. Если давление воздуха слишком низкое, следует увеличить давление воздуха.

4. Если сопло слишком маленькое, следует заменить на большее.

Причины и способы устранения состояния, при котором резка материала сверху станка.

1. Если фокусировка слишком медленная, мы должны поднять ее.

2. Если мощность слишком мала, мы должны увеличить мощность.

3.Если скорость подачи слишком велика, мы должны уменьшить скорость.

Примечание: если возникнет вышеуказанная ситуация, немедленно нажмите кнопку «Пауза», чтобы предотвратить попадание шлака на фокусирующее зеркало.

Причины и решения при условии, что цвет режущей кромки желтый.

1. Если концентрация азота не является чистой, мы должны проверить чистоту азота

2. Если кислород или воздух в трахее, мы должны проверить, не герметичен ли кислородный соленоидный клапан или воздушный электромагнитный клапан.

Примечание: Принцип лазерной резки алюминиевого сплава и латуни такой же, как и у нержавеющей стали, и проблемы, вызванные резкой, аналогичны. Разница в том, что из-за высокой взаимности алюминиевого сплава и латуни другие параметры аналогичны параметрам нержавеющей стали, если необходимо снизить скорость резания и ввести линейную скорость. При резке латуни толщиной более 3 мм в качестве вспомогательного газа рекомендуется использовать кислород.

Волоконная лазерная резка углеродистой стали

Причины и решения при условии, что нижняя часть вытяжной линии имеет большое смещение, а нижняя часть реза широкая.

1. Если скорость подачи слишком высока, мы должны снизить скорость.

2. Если мощность слишком мала, мы должны увеличить мощность.

3. Если давление воздуха слишком низкое, следует увеличить давление воздуха.

4. Если фокус слишком высок, мы должны уменьшить фокусировку.

Причины и решения, при которых заусенцы на нижней поверхности похожи на шлак, капают и легко удаляются.

1. Если скорость подачи слишком высока, мы должны снизить скорость.

2. Если давление воздуха слишком низкое, следует увеличить давление воздуха.

3. Если фокус слишком высок, мы должны уменьшить фокусировку.

Причины и способы решения проблемы, при которой металлические заусенцы на нижней стороне трудно удалить.

1. Если скорость подачи слишком высока, мы должны снизить скорость.

2. Если давление воздуха слишком низкое, следует увеличить давление воздуха.

3. Если фокус слишком высок, мы должны уменьшить фокусировку.

Причины и способы устранения заусенцев только на одной стороне листа.

1. Если сопло выставлено неправильно, мы должны отцентрировать сопло.

2. Если скорость линии вводится слишком быстро или вводится неверно, мы должны уменьшить скорость входящей линии или изменить режим ввода.

Причины и способы устранения неточности режущей поверхности.

1. Если давление воздуха слишком высокое, необходимо уменьшить давление воздуха.

2. Если фокус слишком высок, мы должны уменьшить фокусировку.

3. Если диаметр сопла слишком велик, следует установить подходящую.

Причины и способы устранения очень шероховатой поверхности реза.

1. Если фокус слишком высок, мы должны уменьшить фокусировку.

2. Если давление воздуха слишком высокое, мы должны уменьшить его.

3. Если скорость подачи слишком низкая, мы должны увеличить скорость.

Примечание. Принцип резки конструкционной стали такой же, как и для углеродистой стали.Следовательно, их процесс лазерной резки может быть отлажен применительно к углеродистой стали, и проблемные дефекты также могут быть решены путем обращения к вышеуказанному методу углеродистой стали.

.

Волоконный лазер для резки металла

Лазерная резка достигается путем нагрева материала с помощью сфокусированного лазерного луча. По мере того, как материал плавится, он эффективно удаляется либо струей газа, либо испарением, создавая таким образом разрез. Существует 3 основных метода лазерной резки:

Методы лазерной резки

В Fusion Cutting лазерный луч коаксиально сочетается с инертным газом, таким как азот или аргон. Тепло, выделяемое лазерным лучом, создает слой расплава, который выбрасывается через пропил сжатым газом из сопла.Резка плавлением может применяться для резки низкоуглеродистых сталей толщиной до 25 мм.

Газовая резка, , также называемая реактивной резкой, использует лазерный луч, соединенный с газообразным кислородом или воздухом, для нагрева подложки до температуры воспламенения. В то время как тепло, производимое лазерным лучом, плавит поверхность, газ экзотермически реагирует с подложкой и создает дополнительный источник тепла с образованием оксидного слоя или шлака. Поскольку струя газа выбрасывает шлак с нижней поверхности подложки, образуется пропил.Газовая резка часто используется для резки легированной стали, такой как низкоуглеродистая сталь, толщиной до 40 мм при относительно высоких скоростях обработки.

Сублимация или испарительная резка обычно обрабатывается путем нагревания слоя до точки испарения. Этот метод резки обычно используется для материалов с низкой температурой испарения, таких как полимеры, древесина и органические материалы.

Волоконные лазеры

имеют динамический диапазон рабочей мощности, позволяющий фокусировать луч и его положение постоянными даже при изменении мощности лазера.Кроме того, за счет изменения конфигурации оптики можно получить широкий диапазон размеров пятна. Эти особенности позволяют конечному пользователю выбрать подходящую удельную мощность для резки различных материалов и толщины стенок. Волоконные лазеры IPG - идеальное решение для многих приложений лазерной резки.

Типы металлов

Нержавеющие стали Углеродистая сталь Золото и серебро Алюминий
Инструментальная сталь Никелевые сплавы Латунь и медь Титан

Каждый процесс резки сильно зависит от типа и толщины материала, а также от требуемой скорости обработки, качества кромки и ширины пропила.Эти требования определяют такие параметры лазера, как длина волны, мощность и качество луча.

Одномодовые волоконно-оптические лазеры компании IPG в непрерывном или модулированном режиме лучше всего подходят для резки тонких металлов (менее 1 мм) из-за их способности фокусироваться до мельчайших размеров пятна. Высокая плотность мощности, связанная с небольшим пятном, и отличное качество луча позволяют резать сложные детали с высокой скоростью. Области применения: сердечно-сосудистые стенты , трафареты для паяльной маски и тонкая медная резка, необходимая для производства аккумуляторов.Во многих случаях резка выполняется с помощью высокоскоростного гальванического станка, чтобы соответствовать скорости, возможной для волоконных лазеров.

Волоконные лазеры QCW с оптимизированными импульсами также облегчают резку сложных деталей из тонких материалов. Такое резание в импульсном режиме приводит к минимальному образованию шлаков и зон термического влияния (ЗТВ), которые имеют решающее значение для многих процессов резания, а также при микрообработке.

В процессе резки с малым рабочим циклом используется энергия большого импульса для резки тонкостенных и более толстых материалов с высоким коэффициентом отражения при гораздо более низкой средней мощности.Примеры импульсной лазерной резки включают керамику и драгоценные металлы. Лазеры QCW большей мощности с импульсной мощностью 20 кВт и средней мощностью 2 кВт позволяют теперь резать как толстые, так и тонкие материалы с использованием одного и того же лазера. Кроме того, эти лазеры являются рабочей лошадкой для аэрокосмических буровых работ с материалами толщиной> 25 мм.

По сравнению с лазерами CO 2 время обработки для волоконных лазеров значительно ниже, чем у лазера CO 2 , при той же выходной мощности, материале и толщине материала.Кроме того, потребляемая мощность также значительно меньше, чем у лазера CO 2 , обычно 9% WPE для CO 2 по сравнению с> 35% для волоконного лазера (лазеры YLS-ECO серии имеют эффективность подключения к стене более 45%). Благодаря простоте использования и практически отсутствию технического обслуживания, волоконные лазеры IPG являются идеальным решением для резки металлов. Волоконные лазеры быстро заменяют CO 2 на арене резки, при этом основные производители оборудования для резки меняют или уже предлагают станки для резки на основе волокна.Эти машины доступны с волоконными лазерами от 2 до 6 кВт, предлагая пользователю возможность резать как листовой металл, так и лист на одном основании. Кроме того, из-за более высокого поглощения света размером 1 микрон лазеры позволяют резать латунь, алюминий и медь на производственных мощностях.

Мощные многомодовые непрерывные лазеры серий YLS и YLS-CUT можно использовать для резки тонких листов на толстые в различных областях.Большая глубина резкости и малые размеры пятна приводят к небольшим пропилам и прямым стенкам даже в толстых металлах. Ширина пропила и отсутствие конуса являются значительным улучшением по сравнению с альтернативными методами резки металла. Общие области применения высокомощных многомодовых лазеров включают вырезание отверстий для заклепок в сплавах алюминия и титана для аэрокосмической промышленности и резку толстых листов для судостроения и тяжелой металлургической промышленности.

Волоконные лазеры

IPG также могут быть установлены в управляемых роботами системах для трехмерной резки.Эти системы представляют собой надежный и эффективный метод резки листового и листового металла с меньшими потреблением энергии и сокращением времени обработки. Режущие головки IPG , интегрированные с этими системами, обеспечивают емкостное управление расстоянием и возможности линейного привода. Типичные области применения включают трехмерную резку гидроформовых труб, а также других деталей автомобильного кузова. Эти передовые системы обладают дополнительной возможностью резки плоских деталей для большей гибкости.

Модулированная и импульсная резка

Все волоконные лазеры непрерывного действия (CW) IPG можно модулировать до нескольких кГц для прецизионной резки.IPG предлагает уникальный ассортимент продукции с повышенной пиковой мощностью, в которой можно использовать совершенно иной процесс импульсной резки. Они известны как волоконные лазеры QCW. В этом случае в процессе резки с малой нагрузкой используется высокая энергия импульса для резки и сверления толстостенных материалов с высокой отражательной способностью при гораздо более низкой средней мощности.

Почему волоконный лазер - лучший выбор для резки меди и латуни?

Небольшие пятна фокусировки и чрезвычайно высокая плотность мощности (более 100 МВт / см 2 ) стали возможны благодаря:

  • Относительно короткая длина волны (1 мкм vs.10 мкм CO 2 лазеров)
  • Высокое качество луча
  • Экономическая доступность волоконных лазеров с высокой пиковой мощностью

При таких высоких уровнях удельной мощности металлы, такие как медь и латунь, претерпевают фазовый переход в расплавленное состояние. Лазерный луч быстро преодолевает барьер отражательной способности таких металлов, чтобы инициировать эффективный процесс резки. Резка отражающих металлов оказалась очень сложной задачей при использовании CO 2 лазеров или лазеров ближнего ИК диапазона с низкой пиковой мощностью.

Чтобы узнать больше о лазерной резке отражающих металлов , посетите нашу страницу LaserCube.

.

Что такое лазерная резка? (с изображением)

Лазерная резка - это способ вырезать точные узоры из металла, пластика, дерева и практически любого другого материала, с которым работает человек. Это обеспечивает уровень точности и сложности, недоступный для обычных обрабатывающих инструментов. Лазерная резка работает путем возбуждения газообразной среды, обычно двуокиси углерода, заставляя ее многократно усиливать свет, многократно отраженный назад и вперед внутри лазерной камеры. Свет выходит из апертуры и фокусируется линзой в определенную точку.

Лазерный резак используется для резки листа металла.

Типичный технологический лазер имеет луч шириной около 1/5 миллиметра, фокусирующий от 1000 до 2000 Вт энергии. Этого достаточно, чтобы расплавить самые обычные материалы. Поскольку лазеры становятся менее сфокусированными и теряют энергию при прохождении сквозь материал, существует предел глубины разреза около 20 мм.Станки для лазерной резки интегрированы в более крупную систему CAD / CAM (автоматизированное проектирование, автоматизированное производство), которая берет файл проекта и реализует его на заготовке. Эти машины представляют собой ступеньку в продолжающейся тенденции отхода от практического производства, отводя рабочих-людей более отстраненной, творческой роли в дизайне.

Поскольку лазер состоит из фотонов, часть его энергии может отражаться такими материалами, как алюминий и медные сплавы.Эти материалы также являются проводниками тепла, что означает, что они распределяют поступающее тепло более равномерно по своему объему. По этой причине углеродистый сплав и нержавеющая сталь являются популярными материалами для лазерной резки. Они плохо поглощают тепло, поэтому тепло легче концентрируется на пути лазера.

Типичные лазерные резаки позволяют детали размером до 1 мм.Специализированные лазеры часто имеют еще меньшие размеры, что позволяет изготавливать настоящие микромашины. Первые лазерные разрезы были сделаны в 1967 году в рамках проекта военных исследований, посвященного лазерам. Поскольку лучи, используемые при резке, относятся к лазерам "класса 4", машины спроектированы таким образом, чтобы операторы никогда не подвергались прямому воздействию. Вся резка выполняется внутри машины.

.

Смотрите также