Меню Рубрики

Установка лазерной резки металла техническая характеристика

Параметры лазерной резки металла на волоконном лазерном станке

Статья содержит в себе рекомендации, параметры и настройки лазерной резки металла при помощи лазерного станка с волоконным (иттербиевым) излучателем, отличие волоконного станка от плазмы, а также рекомендации по подбору мощности излучателей относительно материала, экономические выгоды.

Для качественной и предельно точной лазерной резки металла мы рекомендуем в качестве излучателя использовать иттербиевый (волоконный) лазерный излучатель (ссылка на каталог с излучателями), более точного излучателя в современном мире не существует.

Основные отличительные черты волоконного излучателя от плазмы

Волоконный излучатель

При правильном подборе мощности, скорости, и давления газа, облой исключен, допонительной обработки детали не требуют При резке образуется большое количество облоя, что требует дополнительной обработки детали шлифовальными кругами Экологичность при обработке в разы выше, так как при резке волоконным излучателем меньшее сжигание металла при резки, что значительно снижает выбросы в атмосферу. Низкое энергопотребление, по сравнению с плазмой.

Выше в таблице мы произвели сравнение двух видов резки металла, при помощи лазерного волоконного (иттербиевого) станка и станка плазменной резки. Выбор очевиден, если требования к товару высокие, по точности размеров отверстий и прямых углов, по однородности торца детали, без зубцов и облоя, по конусности торца, то стоит остановить свой выбор на волоконном (иттербиевом) станке.

Если нужны детали без требований точности, с допустимыми погрешностями в размерах +3-+5 мм., под сварку, то следует остановить свой выбор на плазменном станке.

Итак, чтобы подобрать волоконный (иттербиевый) излучатель, нужно определиться с толщинами металлов для лазерной резки. К примеру, если 80% материалов составляет сталь толщиной от 8-10 мм., а 20% нержавеющая сталь и цветные металлы, то мы рекомендуем рассматривать к приобретению станок с мощностью не менее 1500 Ватт.

Излучатель с мощностью от 1,5 кВт, сможет резать сталь с адекватными параметрами скорости, что экономически будет выгодно. Сталь толщиной 8-10 мм., сможет порезать станок с мощностью 1000 Ватт, но скорость резки будет достаточно низкой (см. таблицу ниже), что влечет за собой большой расход газа и большое количество времени на обработку детали, что становится экономически не выгодно, на рынке лазерной резки.

Рассмотрим другие обстоятельства выбора излучателя, к примеру 80% материалов из стали до 6 мм., 10% времени материалы из металла 8-10 мм., при таких обстоятельствах, в целях экономии, выгодно приобрести лазерный станок с максимальной мощностью 1000 Ватт, потому что скорость обработки металла на станке с мощностью 1 кВт., достаточно высокая на толщинах до 6 мм., а 10% рабочего времени, как факультатив, можно резать и 8, и 10 мм., для более подробного анализа, можно воспользоваться таблицей данных скоростных характеристик ниже.

источник

Лазерная резка металла

Вопросы, рассмотренные в материале:

  • Каковы плюсы и минусы лазерной резки металла
  • Какова технология лазерной резки металла
  • Какой лазер используется для резки металла
  • Какие дефекты материала возможны при лазерной резке металла

Лазерная резка металла производится при помощи специальной установки, формирующей лазерный луч. Благодаря своим свойствам луч способен фокусироваться на поверхности небольшой площади, создавая энергию высокой плотности, быстро разрушая любой материал. Далее вы узнаете обо всех тонкостях резки металла с помощью лазера.

Плюсы и минусы лазерной резки металла

Лазер активно используется во многих сферах промышленности. Сегодня он считается лучшей альтернативой механической обработке металлов фрезами, ножовочными полотнами, ленточными пилами, поскольку позволяет с высокой точностью создавать даже сложные контуры раскроя. Немаловажно, что благодаря лазерной резке значительно упрощается как сам производственный процесс, так и его разработка.

Лазерная резка металла наиболее распространена в таких отраслях, как машиностроение, медицина, авиация и пр

Дело в том, что данная технология имеет немало неоспоримых достоинств:

  • высокая точность резки;
  • возможность изготавливать различные объемные детали, фасонные и криволинейные конструкции любой сложности;
  • отсутствие нагрева обрабатываемой поверхности;
  • высокое качество реза;
  • отсутствие деформаций материала в процессе резки;
  • раскрой бесконтактным методом;
  • отсутствие механического воздействия на изделие;
  • возможность производить очень сложные и хрупкие изделия;
  • отсутствие пыли при резке;
  • возможность работы с любыми металлами (даже с высокой теплопроводностью) и сплавами;
  • работа с материалами в автоматическом режиме;
  • возможность резки не только металлов, но и дерева, пластмассы, всех видов текстиля, кожи, картона, пр.;
  • высокое качество продукции, не требующее финальной обработки;
  • возможность резки материалов, деформирующихся при механической обработке;
  • минимальная зона теплового воздействия;
  • отсутствие перегрева заготовки во время резки;
  • короткие сроки изготовления деталей;
  • простота управления установкой.

Однако метод резки лазером имеет и свои минусы. Ключевыми из них считаются относительно высокая стоимость, непостоянная скорость резки изделий, ограничения по габаритам. Стоит пояснить, что лазер может работать лишь с листами размером до 150х300 см, при этом невозможна лазерная резка толстого металла. Отметим, что эффективность работы и другие ее параметры зависят от типа установленного лазера.

Если вы хотите получить результат действительно высокого качества, лучше воспользоваться услугами профессионалов по лазерной резке металла. Дело в том, что неправильная эксплуатация оборудования может привести к тому, что материал просто сгорит.

Технология лазерной резки металла

Лазерный луч отличается от обычного светового направленностью, монохромностью, когерентностью излучения.

Первое свойство позволяет энергии концентрироваться на сильно ограниченном участке поверхности. Нужно понимать, что направленность лазерного луча в тысячи раз превышает этот показатель у луча прожектора.

Читайте также:  Установка распредвала на к9к

Как уже говорилось, луч лазера монохроматичен, то есть имеет фиксированную длину волны и частоту. За счет данного свойства упрощается его фокусировка при помощи оптических линз.

Высокая степень когерентности – это согласованное протекание во времени сразу ряда волновых процессов. Когерентные колебания вызывают резонанс, который повышает мощность лазерного излучения.

Все названные свойства позволяют лазерному лучу фокусироваться на малом фрагменте поверхности, обеспечивая в этой зоне плотность энергии, необходимую не только для нагревания, но и для разрушения материала. Данный показатель может доходить до 108 Вт/см 2 , если требуется плавление листа.

Лазер воздействует на металл в соответствии с общими положениями, связанными с поглощением и отражением излучения, распространением энергии по объему материала посредством теплопроводности и пр., также в этом случае действует ряд специфических свойств.

Под действием лазерного луча температура металла поднимается до первой температуры разрушения, когда начинается плавление. В процессе поглощения излучения металл плавится, а фазовая граница плавления постепенно сдвигается вглубь материала. При этом температура продолжает повышаться и достигает второй температуры разрушения, то есть материал закипает и запускается его активное испарение.

Иными словами, существует два механизма лазерной резки металла: за счет плавления и испарения. Но нужно понимать, что второй подход сопряжен с высокими энергетическими затратами и может применяться только для достаточно тонких листов. По этой причине обычно стараются использовать метод плавления. Чтобы добиться снижения расхода энергии, увеличить толщину обрабатываемого материала, скорость резки, в рабочую зону вдувают вспомогательный газ – он позволяет избавляться от частиц металла. Чаще всего подобную среду формируют из кислорода, воздуха, инертного газа или азота, тогда резка получает название газолазерной.

Если говорить о кислороде, то он выполняет три функции:

  • Способствует окислению металла, мешает ему в полной мере отражать лазерное излучение.
  • Приводит к воспламенению материала. Благодаря такому горению образуется дополнительная теплота, а значит, усиливается эффект от лазерного излучения.
  • Сдувает из зоны реза расплавленный металл и продукты его сгорания, обеспечивая приток газа к фронту реакции горения.

Всего используют два механизма газолазерной резки – их подбирают в соответствии со свойствами обрабатываемого материала. В первом случае основную роль в общем тепловом балансе играет теплота реакции горения металла. Подобный подход стараются применять при резке материалов, подверженных воспламенению, горению ниже точки плавления и образующих жидкотекучие оксиды. В их число входят низкоуглеродистая сталь и титан.

Второй механизм предполагает, что обрабатываемый материал не горит, а плавится, а жидкий металл удаляется из области реза при помощи струи газа. Такой способ используют для материалов, отличающихся низким тепловым эффектом реакции горения, и тех, которые после контакта с кислородом образуют тугоплавкие оксиды. Это могут быть легированные и высокоуглеродистые стали, алюминий, медь, пр.

Ключевыми технологическими характеристиками лазерной резки называют:

  • мощность излучения;
  • скорость резки;
  • давление вспомогательного газа;
  • диаметр сфокусированного пятна, пр.

Если речь идет о резке в импульсном режиме, то, помимо перечисленных свойств, также стоит учитывать:

  • частоту повторения импульсов;
  • длительность импульсов;
  • среднюю мощность излучения.

От названных характеристик зависит ширина реза, качество обработки, зона термического влияния и целый ряд прочих показателей.

О качестве реза можно судить по степени шероховатости поверхности – она отличается у различных слоев листа металла. Как показывает практика, лучшего качества удается добиться в верхних слоях разрезанного металла, а наихудшее характерно для нижних.

Типы лазеров для резки металла

В конструкцию лазера входят три основных узла:

  • источник энергии (механизм либо система накачки);
  • активное (рабочее) тело, которое «накачивается», после чего приходит в состояние вынужденного излучения;
  • оптический резонатор (система зеркал), за счет которого усиливается вынужденное излучение активного тела.

Чаще всего резка металла производится при помощи таких типов лазеров, как:

  1. Твердотельный.
  2. Газовый – с продольной либо поперечной прокачкой газа, щелевой, а также газодинамический.

Твердотельный лазер имеет осветительную камеру, где размещаются лампа накачки и активное тело. Роль последнего играет стержень из рубина, неодимовое стекло (Nd-Glass) или алюмо-иттриевый гранат, легированный иттербием (Yb-YAG) либо неодимом (Nd-YAG). Лампа накачки необходима, чтобы создавать мощные световые вспышки – именно они возбуждают атомы активного тела. По торцам стержня находятся зеркала разных типов: частично прозрачное и отражающее. Зеркала позволяют лазерному лучу многократно отражаться внутри активного тела, усиливаться, после чего выходить через полупрозрачное зеркало.

Серийные твердотельные лазеры характеризуются относительно низкой мощностью, обычно не более 1–6 кВт. Длина волны в этом случае находится в пределах 1 мкм (для рубинового лазера этот показатель составляет примерно 694 нм). Может использоваться как непрерывный, так и импульсный режим излучения.

Для лазерной резки металла также используются газовые лазеры, где активное тело состоит из смеси газов: углекислого, азота и гелия. В системах с продольной прокачкой смесь газов поступает из баллонов и прокачивается насосом через газоразрядную трубку. Энергетическое возбуждение газа осуществляется за счет электрического разряда между электродами, подключенными к источнику питания. По торцам трубки также устанавливаются отражающие и полупрозрачные зеркала.

Однако меньшими размерами и большей мощностью могут похвастаться лазеры с поперечной прокачкой газа. Их общая мощность нередко находится в пределах 20 кВт, а может быть и выше.

Читайте также:  Установка postgresql для django

Высокую эффективность имеют щелевые CO2-лазеры. Если сравнивать с двумя предыдущими типами, они имеют еще меньшие размеры, при этом обладают мощностью излучения 600–8 000 Вт. Возможна резка в разных режимах излучения: от непрерывного до частотно-импульсного.

Щелевой лазер предполагает поперечную высокочастотную накачку активной среды с частотой от десятков мегагерц до нескольких гигагерц. Таким образом удается повысить устойчивость и однородность горения разряда. Щель между электродами составляет 1–5 мм, что обеспечивает полноценный отвод тепла от активной среды.

Рекомендовано к прочтению

Самыми мощными считаются газодинамические лазеры (100–150 кВт и выше). В них газ нагревается до 1 000–3 000 К и протекает со сверхзвуковой скоростью через сопло Лаваля, которое представляет собой суженный посередине канал. Таким образом газ адиабатически расширяется и охлаждается в зоне оптического резонатора. Охлаждение возбужденных молекул углекислого газа вызывает испускание когерентного излучения. Для накачки лазера используется вспомогательный лазер либо иной, не менее мощный источник энергии. Углекислотные лазеры имеют длину волны излучения 9,4 или 10,6 мкм.

Отметим, что твердотельные лазеры плохо справляются с резкой неметаллов, так как некоторые из подобных материалов полностью или частично пропускают излучение с длиной волны около 1 мкм. Допустим, такое свойство имеет оргстекло. Лазерный луч имеет большую чувствительность к неровной поверхности обрабатываемого материала. При резке листов из алюминиевых сплавов, меди и латуни твердотельные лазеры значительно превосходят углекислотные, так как поверхность этих металлов способна к более высокому поглощению излучения на длине волны твердотельного лазера.

Углекислотные лазеры считаются наиболее универсальными, поэтому используются при резке большинства металлов и неметаллов. Не менее важно, что они имеют очень низкую расходимость луча, поэтому качество излучения сохраняется, даже если его источник находится далеко от зоны резки.

Технология лазерной резки латуни

Латунь представляет собой сплав цинка и красной меди. Увеличение содержания цинка приводит к тому, что металл отличается большей твердостью и хрупкостью. Подобная латунь тяжело поддается резке, оказывается малопригодной для технических целей. По этой причине оптимальным считается содержание цинка в латуни до 42 %.

Поскольку речь идет о двухкомпонентном сплаве, он имеет высокую температуру плавления в пределах +880…+950 °C. Нужно отметить, что латунь очень твердая, стойкая к воздействию лазерного излучения и имеет высокую теплопроводность.

Для лазерной резки деталей из такого металла промышленный лазер настраивают, отталкиваясь от толщины материала:

  • листы, не превышающие 5 мм, обрабатывают в импульсном режиме;
  • для заготовок толщиной в пределах 5–12 мм используют плазменный режим.

Стоит пояснить, что в первом случае локальный нагрев происходит не постоянно, а с перерывами. За счет чего удается сократить область теплового воздействия, повысить качество кромки и снизить толщину реза. Поскольку латуни свойственна высокая отражающая способность, данный способ резки позволяет добиться пороговой интенсивности при относительно низкой мощности луча.

При плазменном или расплавном режиме происходит постоянный локальный нагрев зоны реза. Чтобы луч раскалял обрабатываемый материал, используется инертный газ, в результате образуется плазма, которая не позволяет заготовке остывать по всей толщине.

Избавиться от пористости и шероховатости торца среза несложно – обычно это делают с нижней стороны изделия.

Нужно понимать, что медный лист плохо поглощает излучение, поэтому для его резки используют минимальные скорости. Причем важно не только грамотно выбрать режим, но и учитывать толщину проката. Когда речь идет о лазерной резке листового металла, данный параметр отличается для сталей, алюминия, меди и ее сплавов с цинком и оловом, то есть латуни и бронзы.

Добиться хорошего результата позволяют устройства, обеспечивающие длину волны 1,06 мкм (волоконные или Nd:YAG). Углекислотные лазеры не могут использоваться при резке латуни, так как ее поверхность полностью отражает их.

Лазер позволяет вырезать из латуни плоские и объемные элементы, а именно:

  • корпуса и другие фрагменты оборудования;
  • украшения и сувениры;
  • различные виды крепежа (гайки, болты, саморезы);
  • декоративные элементы для интерьера и мебели;
  • рамки для зеркал и картин;
  • таблички, стенды, рекламные конструкции;
  • узлы, детали различных механизмов;
  • дверную, оконную фурнитуру;
  • заготовки для труб, пр.

Стоимость лазерной резки этого металла зависит от особенностей конкретного заказа. Сильнее всего на цене за метр сказывается толщина листа. Не менее важны оказываются марка сплава, размеры, конфигурация, количество изделий, срочность выполнения заказа и целый ряд других факторов.

Лазерную резку меди, латуни, бронзы считают выгодной, лишь если речь идет о тонких листах. Для толстых медных листов необходима установка с очень высокой мощностью, что влечет за собой серьезные энергозатраты и высокую цену. Лазер используют в тех случаях, когда требуется максимальная точность, а получившаяся деталь должна обладать четкими контурами. Отметим, что данная технология не ограничивает размер и конфигурацию изделия.

Нюансы лазерной резки алюминия

Сложность лазерной резки алюминия вызвана его высокой теплопроводностью, а также плохим поглощением лазерного луча, что связано с теплофизическими и оптическими характеристиками материала.

Все это приводит к тому, что работать с алюминием сложнее, чем с другими металлами. Но не стоит беспокоиться, лазерные установки имеют компьютерное управление и поддаются легкой настройке. При работе с алюминием устанавливается более мощный, чем во время резки других материалов луч. Но нужно понимать, что мощность, как и скорость, зависит также от толщины листа и доли алюминия в материале.

Читайте также:  Установка кухонного плинтуса для столешниц

Для резки алюминия используют аппараты твердотельного типа и газовые устройства, имеющие разную мощность и режимы работы. Второй тип аппаратуры считается более мощным, при этом такие приспособления способны работать непрерывно или в импульсном режиме. Твердотельный аппарат чаще всего используется как раз в импульсном режиме.

Стоит также сказать о тонкостях технологического процесса. Дело в том, что обычные инструменты справляются с алюминием хуже, чем лазерный луч. Они непосредственно соприкасаются с листом, тогда как при работе лазером такой контакт исключен. Резка осуществляется за счет мощного сфокусированного светового пучка, причем именно точная фокусировка обеспечивает высокую скорость работы.

К месту реза подводится газовый поток, который сдувает с краев расплавленные кусочки металла, формируя максимально гладкую поверхность. Таким образом расплавленные частицы просто не успевают закрепиться на заготовке.

Наиболее высокого результата удается добиться при резке на низких скоростях, поскольку в этом случае исключаются любые деформации.

Избежать даже мелких шероховатостей по краю изделия позволяет резка алюминия в среде азота.

Благодаря станкам с ЧПУ, удается выполнять высокоточную и качественную лазерную резку металла, кроме того, отсутствует необходимость физического закрепления изделия. Дело в том, что при обработке отсутствует контакт между листом и инструментом, поэтому заготовка остается лежать неподвижно.

Лазерная резка прочих металлов

При резке металлов обычно используется мощность лазера не менее 450–500 Вт, если же речь идет о цветных металлах, этот показатель возрастает до 1кВт. Рассмотрим более подробно несколько материалов:

  • Углеродистые стали.

В этом случае резку обычно выполняют с использованием вспомогательного газа, а именно кислорода. Он взаимодействует с нагретым лучом и материалом обрабатываемого листа, за счет чего происходит экзотермическая реакция окисления железа. При этом выделяется в 3–5 раз больше тепла, чем удается получить от самого луча лазера. Таким образом достигается высокое качество реза, но на нижней кромке обычно формируется незначительный грат.

Главная трудность состоит в том, что при работе на очень малых скоростях (ниже 0,5 м/мин) резка может перейти в неуправляемый автогенный режим. В результате металл нагревается до температуры горения за пределами зоны воздействия, ширина реза и степень его шероховатости увеличиваются.

Иногда, допустим, во время резки деталей с острыми углами и небольшими отверстиями, кислород лучше заменить инертным газом под высоким давлением.

При работе с нержавеющей сталью наибольшая сложность, особенно при резке очень толстых листов, вызвана зашлаковыванием реза. Это связано с тем, что в ней имеются легирующие элементы, изменяющие температуру плавления самого металла и его оксидов. Так, нередко формируются тугоплавкие оксиды, из-за которых лазерный луч не может достичь обрабатываемого материала. Помимо этого, процесс нередко усложняется из-за низкой жидкотекучести расплавленных оксидов, характерной для нержавеющих хромоникелевых и высокохромистых сталей.

Добиться качественной резки позволяет азот высокой чистоты, который подают при повышенном давлении до 20 атм. Резка нержавеющей стали большой толщины происходит с заглублением фокального пятна луча в разрезаемый металл. Таким образом увеличивается диаметр входного отверстия и становится возможна подача газа внутрь металла в зону расплава.

Титан и его сплавы отличаются от других металлов высокой прочностью, температурой плавления, малой плотностью (4,5 г/см 3 ). Благодаря этим свойствам титан оказывается незаменим в авиации, судостроении, химическом и нефтяном машиностроении, пр. Активность к кислороду у титана немного ниже, чем у натрия, магния и алюминия, зато он превосходит по этому показателю цинк, марганец и железо.

Титан не окисляется при нормальной температуре, при +400 °С начинается интенсивное поглощение кислорода, при +200 °С – водорода, при +600 °С – азота. До +600 °С интенсивное окисление не происходит из-за поверхностной пленки, после достижения этой температуры пленка начинает растворяться в обрабатываемом материале, вызывая резкое повышение диффузии кислорода, водорода и азота в него.

Тепловой эффект окисления титана [206 МДж/ (кг • моль)] выше, чем у железа, а его теплопроводность, наоборот, ниже. Этот металл воспламеняется при +1 100 °С, что позволяет без проблем обрабатывать титан и его сплавы обычной кислородной резкой.

Резка титановых сплавов при прочих условиях проходит в 2–5 раз быстрее, чем обработка низкоуглеродистой стали, при этом удается добиться меньшего расхода ацетилена и кислорода на метр реза. При резке титана наблюдается сильное свечение зоны реакции, похожее на эффект от горения магния. По этой причине специалисты, производящие резку, должны использовать защитные очки со светофильтрами с более высоким коэффициентом поглощения.

Добиться повышенной устойчивости кислородной резки позволяет увеличение расстояния между торцом мундштука и поверхностью листа титана. Данный показатель повышают в 1,5 раза по сравнению с используемым при резке стали с низким содержанием углерода.

Поскольку титан и его сплавы имеют высокую активность, на поверхности реза получается слой глубиной до 2,5 мм с измененным химическим составом. Здесь содержатся оксиды и нитриды титана. Поэтому если кромки изделия будут свариваться, поверхностный слой удаляют путем сжигания или фрезерования. В этот слой входят неперпендикулярность поверхности реза, шероховатость поверхности, а также слой окисленного металла (таблица).

Припуск деталей из титана под механическую обработку:

источник

Добавить комментарий

Adblock
detector