Что такое лазерная резка металла?

Лазерная резка металла — это один из широко распространенных методов металлообработки, благодаря которому лист металла можно разделить на заготовки сложной формы с минимальным количеством отходов. Работа такого оборудования контролируется программным обеспечением, что обеспечивает высокую точность перемещения режущей головки – это позволяет вырезать фигурные заготовки с ровными краями, не требующими дополнительной обработки. Такая технология активно применяется и в мелкосерийном, и в крупном промышленном производстве.

Принцип действия и физика процесса

Разобраться, как работает лазерная резка металла, будет несложно, если понимать, как действует лазерный луч. Он представляет собой направленное излучение, приобретающее при фокусировке с использованием оптической системы станка высокую мощность. Лазер разогревает металлическую заготовку до температуры плавления, в результате металл в месте реза начинает плавиться и испаряться. Благодаря этому заготовка разделяется на два фрагмента, при этом за пределами точки реза металл не успевает прогреться и не начинает плавиться. Такая обработка проходит быстро, с ее помощью можно подготовить детали требуемой формы в минимальные промежутки времени.

Физика лазерной резки включает в себя следующие основные процессы:

• Плавление. Металл прогревается до температуры плавления за считанные секунды. В результате он становится пластичным и выдувается из рабочего участка направленным потоком газа. Резка проводится в бескислородной среде, что позволяет избежать коррозии металла, кромка остается ровной и аккуратной.
• Испарение. В точке контакта с лазерным лучом металл разогревается настолько, что начинает испаряться и легко выдувается струей газа под давлением. Это дает возможность уменьшить толщину реза и минимизировать напрасные потери металла.
• Термораскалывание. В зоне нагрева из-за резкого перепада температур возникают термоупругие напряжения, превышающие предел прочности. Из-за этого материал начинает трескаться и раскалывается в нужном направлении. Термораскалывание чаще используется для взаимодействия не с металлами, а с более хрупкими материалами.

Такая технология не предполагает механического воздействия на материал – он не соприкасается с режущим инструментом. Из-за этого края реза становятся идеально гладкими – их не придется дополнительно обрабатывать. Толщина лазерного луча, воздействующего на материал, составляет всего несколько микрон, поэтому потери при разрезании будут меньше, чем при использовании других методик обработки.

Технология и особенности метода

Технология лазерной резки металла основана на принципе концентрации излучения с прохождением по оптической системе, в результате оно приобретает высокую мощность. Последовательность операций выглядит следующим образом:

1. Разработка чертежа будущей детали, определение геометрических параметров ее краев. Чертёж разрабатывается на компьютере и сохраняется в формате, который может воспринимать станок с ЧПУ.
2. Настройка оборудования и указание основных параметров. Можно выбрать оптимальную скорость перемещения лазерной головки, мощность используемого лазера, вспомогательный газ и другие параметры. На крупных предприятиях используется несколько типов лазерного оборудования, поэтому можно подобрать оптимально подходящий вариант для решения любой задачи.
3. Процесс резки. Заготовка устанавливается в станок, после чего запускается реализация программы. Станок генерирует световое излучение, которое фокусируется, концентрируется и приобретает высокую мощность. Режущая головка двигается по заданной траектории, обрабатывает поверхность, а направленный поток вспомогательного газа выдувает расплав.
4. Контроль качества. Металл застывает, после чего можно контролировать качество реза. Соседние с кромками области практически не нагреваются, поэтому края остаются ровными. При правильной резке готовая деталь будет точно соответствовать чертежу.

Качество резки будет во многом зависеть от мощности станка и правильности его настройки. Необходимо правильно настроить фокусировку луча, выбрать мощность привода. Кроме того, многое зависит от толщины металлического листа и его способности отражать излучение. Например, черные металлы менее активно отражают лазерные лучи, поэтому они лучше поддаются резке, чем медь, алюминий или их сплавы.

На качество реза также влияет правильность использования станка и его техническое состояние. Например, сбои в настройке оптики станка приводят к потере мощности лазерного луча и снижению качества результата. Перед запуском оборудования проводится юстировка – зеркала выставляются точно в правильном положении, чтобы можно было получить мощный сфокусированный луч. Станок нужно поддерживать в чистоте, он нуждается в периодическом обслуживании.

Виды лазеров и оборудования

Чтобы разобраться, как работает лазерная резка метала, стоит изучить принцип работы разных видов лазерных станков. Технологии в этой области активно развиваются: появляются новые конфигурации оборудования, дорабатывается функционал уже существующих станков. Все разновидности такого оборудования можно поделить на несколько основных групп:

• СО2-лазеры. Это наиболее раннее поколение лазерных станков. Сегодня оно постепенно уступает место более современному и производительному оборудованию. Основной принцип работы таких станков заключается в возбуждении газовой среды электрическим разрядом, в результате чего возникает инфракрасный луч. Длина его волны составляет около 10,6 мкм. Газовая среда состоит из азота, гелия и углекислого газа. При прохождении разряда энергия возбужденных молекул азота передается молекулам углекислого газа, и они испускают фотоны. Излучение концентрируется путем отражения от зеркал оптической системы, в результате формируется направленный лазерный луч.
• Волоконные лазеры. В таких станках в качестве активной среды используется оптоволокно. Световое излучение генерируется лазерными диодами под действием электрического заряда, в оптическом волокне оно переходит на более высокие энергетические уровни. В результате оптоволокно испускает фотоны, которые попадают на резонатор. Многократное отражение усиливает свет, в результате на выходе станок генерирует мощный лазерный луч.
• Твердотельные лазеры, в которых для фокусировки луча применяются кристаллы или специальное стекло. Свет генерируется диодами и усиливается в твердом активном веществе, система зеркал обеспечивает многократное отражение с прохождением через активную среду. Излучение усиливается, в результате формируется лазерный луч.

СО2-лазеры чаще применяются для обработки заготовок из черных металлов, их мощности недостаточно для работы с толстыми листами из цветных сплавов. Волоконные лазеры более экономичны, они обладают более высокой мощностью, поэтому могут использоваться для работы с цветными металлами. Твердотельные станки используются при гравировке и резке металлов, с их помощью можно обрабатывать тонколистовые заготовки из различных материалов. Чаще они используются на крупных предприятиях из-за высокой стоимости такого оборудования.

Материалы и сферы применения

Принцип работы лазерной резки металла активно применяется в самых разных сферах промышленного производства. Он все чаще используется для раскроя металлических листов: обработка заготовок может проводиться в двух или в трех плоскостях, это позволяет получать объемные детали сложной формы. Основное применение лазерной технологии – резка тонколистовой стали для получения различных деталей, толщина материала может превышать 30 мм. Чем более мощный лазер используется, тем более толстый металл можно разрезать с его помощью. Однако с увеличением толщины растут энергозатраты, что ограничивает применение метода.

Цветные металлы и их сплавы обладают более высокими отражающими способностями. Поэтому часть мощности теряется. Из-за этого максимально допустимая толщина цветных заготовок меньше: для алюминия она составляет не более 20 мм, для меди – 5 мм, для латуни – 12 мм.

Лазерные станки различных типов получили широкое применение в промышленности. Они используются во многих отраслях:

• Металлообработка. С помощью станков вырезаются детали машин и механизмов, компоненты автомобилей, станков, спецтехники и не только. Такая технология позволила минимизировать потери металла и ускорить его обработку, так как не требуется дополнительно шлифовать кромки.
• Авиационная и космическая отрасль. Лазерная резка металлов используется для создания высокоточных деталей, применяемых при сборке летательных аппаратов.
• Приборостроение. Эта технология востребована при изготовлении печатных плат, при производстве компонентов приборов, при создании высокоточной электроники.
• Строительство. Лазерные станки позволяют вырезать детали металлоконструкций, фигурных решеток, оград и не только. В строительстве стала востребованной фигурная лазерная резка для получения деталей сложной формы с хорошими декоративными качествами.
• Рекламная индустрия. Такая технология повсеместно применяется для изготовления рекламных конструкций, табличек, вывесок, различной сувенирной продукции, применяемой в коммерческих целях.
• Судостроение. С помощью этой технологии изготавливаются детали кораблей, судов и других плавсредств. Метод можно использовать в том числе для резки нержавеющей стали толщиной до 20 мм.

Перечислены только основные возможности применения лазерной технологии, перечень сфер ее использования намного шире. Такое оборудование может использоваться для производства самых разнообразных изделий, от деталей промышленного оборудования до бытовых предметов и рекламной коммерческой продукции.

Преимущества и ограничения лазерной резки

Технические характеристики лазерной резки металла сделали эту технологию востребованной во многих сферах. Она стала широко распространённой благодаря нескольким преимуществам:

• Высокая точность обработки заготовок. Процесс контролируется программным обеспечением – станок в автоматическом режиме передвигает режущую головку по заданной траектории. Это дает возможность создавать сложный фигурный край реза.
• Минимальная деформация краев во время резки. Они не оплавляются, на них не остается окалина. При правильно настроенном станке металл будет прорезаться точно и аккуратно, в результате не нужно будет тратить время на дополнительную обработку.
• Универсальность. Такие станки могут использоваться для работы с металлическими и неметаллическими материалами, они могут использоваться не только для резки, но и для гравировки металлических поверхностей.
• Отсутствие ошибок при резке. Процесс обработки полностью контролируется системой, поэтому вероятность ошибок из-за человеческого фактора отсутствует.
• Экономия металлов. Толщина реза будет минимальной, это позволяет свести к минимуму напрасные потери. Лазерная технология стала одним из самых экономичных решений, особенно при производстве заготовок сложных форм.

У такого метода есть и некоторые минусы. Станки для лазерной резки стоят недешево, особенно при высокой мощности – это затрудняет начало работы небольшим частным предприятиям. Резать можно не все материалы, цветные металлы большой толщины плохо поддаются лазерной обработки и требуют больших затрат энергии. Однако, несмотря на все минусы, технологи продолжают совершенствоваться, становятся более экономичными и эффективными.

Сравнение с другими методами резки

При описании лазерной резки металла стоит сравнить эту технологию с другими технологиями обработки металлических заготовок. Металл может обрабатываться и с помощью других технологий, однако у каждой из них есть своя специфика:

• Традиционная механическая резка металла не позволяет обеспечить столь высокую точность, как лазерная обработка. Кроме того, проблемой механической резки остается неровный край, из-за которого приходится тратить дополнительные усилия на обработку кромки.
• Гидроабразивная резка позволяет обрабатывать практически любые материалы, однако это более энергозатратный метод. Для работы с металлами приходится расходовать большое количество воды и абразива, это дополнительно увеличивает стоимость обработки.
• Плазменная резка дает возможность обрабатывать более толстые заготовки из стали, чем при использовании лазерного излучения. Однако у этой технологии тоже есть минус: качество кромки ниже, чем при лазерной обработке.

Лазерная технология резки станет наиболее выгодным решением там, где нужно работать с тонколистовым металлом и получить наиболее ровный аккуратный край. С помощью этого метода удается ускорить металлообработку, сделать ее менее затратной и в итоге уменьшить себестоимость готовых деталей.

Перспективы и развитие технологии

Лазерная резка – одна из перспективных технологий, активно развивающаяся в последние десятилетия. Доработка существующих методов генерации лазерного луча и обработки металлических заготовок позволяет расширить возможности их применения в промышленности. Можно выделить следующие ключевые отрасли в развитии технологии:

• Автоматизация и использование ЧПУ. Совершенствуется программное обеспечение, с помощью которого можно выполнять все более сложные сценарии обработки металлических заготовок. Числовое программное управление позволяет изготовить детали с фигурным краем, точно соответствующим чертежам.
• Интеграция в смарт-производство, в котором доля участия человека сведена к минимуму. На таких предприятиях можно изготавливать крупные партии деталей в минимальные сроки, при этом риск производственного брака практически отсутствует. Смарт-технологии активно используются в станках для удаленного контроля. Использования более сложного программного обеспечения.
• Развитие гибридных технологий. Лазерная резка металлов может сочетаться с другими способами металлообработки, например, с плазменной резкой. Это позволяет оптимизировать затраты энергии и использовать преимущества обоих методов одновременно.
• Производство трехмерных объектов. Лазерная резка 3D пока что имеет относительно неширокое применение из-за высокой стоимости оборудования и сложности управления. Однако технология активно развивается. Можно ожидать, что в будущем серийное 3D производство станет широко распространенным.

Векторы развития технологии лазерной резки постоянно дополняются параллельно с развитием других способов обработки материалов и совершенствованием программного управления.

Заключение

Лазерная резка металлов – перспективная технология, которая становится все более востребованной в различных направлениях производства. Для обработки металлических заготовок лазером применяется несколько типов станков, у каждого из них есть свои преимущества и недостатки.

Услуги лазерной резки металла позволят получить заготовки требуемой формы с точным соответствием предоставленным чертежам. Можно обратиться на предприятие и заказать изготовление деталей на выгодных условиях.