Лазерная резка металла: разбираемся в тонкостях технологии

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.

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/см2, 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.