Лазерная резка Лазерная резка — это точный и эффективный производственный процесс, широко используемый в различных отраслях промышленности для резки и формовки материалов. В нем используется сфокусированный лазерный луч для расплавления, сжигания или испарения материала, что обеспечивает чистые и точные разрезы. Этот метод имеет множество преимуществ перед традиционными методами резки, включая высокую точность, скорость и возможность резки сложных форм. В этой статье мы рассмотрим принцип лазерной резки, ее различные типы, ключевые характеристики и применение для обработки металлов.
Принцип лазерной резки
Лазерная резка использует сфокусированный лазерный луч высокой мощности для сканирования поверхности заготовки, локально нагревая материал до нескольких тысяч или десятков тысяч градусов Цельсия за очень короткое время, так что облучаемый материал быстро плавится, испаряется, испаряется или достигает точки воспламенения. Одновременно с этим высокоскоростной поток воздуха, соосный с лучом, сдувает расплавленный материал и разрезает заготовку. Если между сдуваемым газом и разрезаемым материалом происходит термическая реакция, эта реакция обеспечивает дополнительную энергию, необходимую для резки; поток воздуха также выполняет функцию охлаждения поверхности резки, уменьшая зону термического воздействия и обеспечивая защиту фокусирующего зеркала от загрязнения. Лазерная резка — это процесс термической резки.
Принцип работы лазера, будь то CO2-лазер или Nd:YAG-лазер, в основном одинаков. На практике в лазерную режущую головку устанавливается линза для фокусировки лазерного луча в очень малую точку (пятно), где плотность мощности чрезвычайно высока, а фокус регулируется на поверхность заготовки для расплавления или испарения разрезаемого материала.
Процесс лазерной резки происходит на поверхности в конце разреза, который называется фронтом абляции. В этой точке лазер и поток воздуха входят в зону разреза, и часть энергии лазера поглощается фронтом абляции, а часть проходит через разрез или отражается в пространство разреза через фронт абляции. Фронт абляции нагревается, плавится или испаряется за счет поглощенного лазерного излучения и экзотермической реакции в процессе резки, а затем отводится потоком воздуха. Часть тепла передается основному материалу посредством теплопроводности или отводится потоком воздуха за счет потерь на излучение и конвективного теплообмена.
Важным фактором при лазерной резке является поглощение падающего лазерного излучения на фронте абляции обрабатываемой детали, что является основой эффективной лазерной резки. Поглощение лазерного излучения определяется поляризацией, модой и углом сходимости лазера, а также формой и наклоном фронта абляции, свойствами материала и степенью окисления.
Лазерная резка использует высокоэнергетические лазеры для расплавления или испарения материала в месте разреза, а затем высокоскоростной вспомогательный поток воздуха удаляет его, завершая процесс резки. Плотность мощности лазерной резки может достигать 10⁴–10⁵ Вт/см². В качестве источника лазерного излучения обычно используется CO₂-лазер с рабочей мощностью 500–2500 Вт. Этот уровень мощности ниже, чем мощность, необходимая для многих бытовых электрических обогревателей, но лазер фокусируется на очень малой площади с помощью линз и отражателей. Высокая концентрация энергии позволяет быстро локально нагревать материал и испарять его.
Кроме того, поскольку энергия очень сконцентрирована, лишь небольшое количество тепла передается другим частям материала, вызывая незначительную деформацию или ее полное отсутствие. С помощью лазеров можно очень точно вырезать сложные формы, и отрезанный материал не требует дальнейшей обработки. Хотя высокоэнергетические CO2-лазеры могут резать листы углеродистой стали толщиной до 25 мм, для получения высококачественного среза толщина листа, как правило, не должна превышать 10 мм.
Классификация лазерной резки
Лазерная резка может осуществляться с использованием вспомогательного газа для удаления расплавленных или испаренных материалов, или же без него. В зависимости от используемого вспомогательного газа лазерная резка может быть разделена на четыре категории: резка с испарением, резка с расплавлением, резка с оксидированием и флюсованием, а также резка с контролируемым разрушением.
(1) Резка методом испарения
Заготовка нагревается лазерным лучом высокой плотности энергии, что приводит к быстрому повышению температуры поверхности материала и достижению им точки кипения за очень короткое время, чего достаточно для предотвращения плавления, вызванного теплопроводностью. Материал начинает испаряться, часть материала испаряется в пар и исчезает. Пар очень быстро выбрасывается. Одновременно с выбросом пара часть материала удаляется от дна разреза потоком вспомогательного газа в виде эжектора, образуя надрез на материале. В процессе испарительной резки пар уносит расплавленные частицы и смывает обломки, образуя отверстия.
В процессе испарения около 401 ТБ материала испаряется, а 601 ТБ удаляется потоком воздуха в виде расплавленных капель. Теплота испарения материала, как правило, очень велика, поэтому лазерная резка с испарением требует большой мощности и высокой удельной мощности. Некоторые материалы, которые не могут быть расплавлены, такие как дерево, углеродные материалы и некоторые виды пластмасс, разрезаются и обрабатываются этим методом. Лазерная резка с испарением в основном используется для резки чрезвычайно тонких металлических и неметаллических материалов (таких как бумага, ткань, дерево, пластик, резина и т. д.).
(2) Плавление и резка
Металлический материал плавится путем нагрева лазерным лучом. Когда плотность мощности падающего лазерного луча превышает определенное значение, материал внутри луча начинает испаряться и образовывать отверстие. После образования этого небольшого отверстия оно поглощает всю энергию падающего луча, превращаясь в черное тело. Небольшое отверстие окружено стенкой из расплавленного металла, после чего через сопло, соосное с лучом, распыляется неокисляющий газ (Ar, He, N и т. д.). Высокое давление газа используется для удаления жидкого металла вокруг отверстия.
По мере перемещения заготовки небольшое отверстие синхронно перемещается в направлении резки, образуя надрез. Лазерный луч продолжает освещать передний край надреза, а расплавленный материал непрерывно или пульсирующим образом удаляется из надреза. Лазерная резка плавлением не требует полного испарения металла, а требуемая энергия составляет всего 1/10 от энергии, необходимой при резке испарением. Лазерная резка плавлением в основном используется для резки некоторых материалов, которые трудно окисляются, или активных металлов, таких как нержавеющая сталь, титан, алюминий и его сплавы.
(3) Окислительное флюсовое резание
Принцип действия аналогичен принципу кислородно-ацетиленовой резки. В качестве источника предварительного нагрева используется лазер, а в качестве режущего газа — кислород или другие активные газы. С одной стороны, выбрасываемый газ реагирует с разрезаемым металлом, выделяя большое количество тепла окисления; с другой стороны, он выдувает расплавленный оксид и расплав из зоны реакции, образуя надрез в металле. Поскольку реакция окисления в процессе резки генерирует большое количество тепла, энергия, необходимая для кислородно-лазерной резки, составляет лишь половину энергии, необходимой для резки плавлением, а скорость резки значительно выше, чем при лазерной резке с испарением и резке плавлением.
Основные принципы оксидной флюсовой резки следующие:
①Используйте кислород или другие активные газы. Под воздействием лазерного луча поверхность материала быстро нагревается до температуры воспламенения, и происходит бурная реакция горения с кислородом, выделяющая большое количество тепла. Под действием этого тепла внутри материала образуются небольшие отверстия, заполненные паром, а стенки этих отверстий окружены расплавленным металлом.
②Сгоревший материал переносится в шлак для регулирования скорости сгорания кислорода и металла. Чем выше скорость потока кислорода, тем быстрее протекает химическая реакция сгорания и удаляется шлак. Чем выше скорость потока кислорода, тем лучше, поскольку слишком высокая скорость потока приведет к быстрому охлаждению продуктов реакции (т. е. оксидов металлов) на выходе из пропила, что неблагоприятно для качества резки.
③ В процессе оксидной флюсовой резки используются два источника тепла: энергия лазерного излучения и тепловая энергия, генерируемая химической реакцией между кислородом и металлом. При резке стали тепло, выделяемое в результате реакции окисления, составляет около 601 Тл³ от общей энергии, необходимой для резки. По сравнению с инертным газом, использование кислорода в качестве вспомогательного газа позволяет достичь более высокой скорости резки.
④ В процессе лазерной резки с использованием двух источников тепла, если скорость горения кислорода превышает скорость перемещения лазерного луча, пропил получается широким и шероховатым; если скорость перемещения лазерного луча превышает скорость горения кислорода, то пропил получается узким и гладким. Лазерная резка с использованием флюса в основном применяется для резки стали и является наиболее распространенным методом резки.
(4) Контролируемое разрушение при резке
Для хрупких материалов, легко повреждаемых при нагреве, используется лазерный луч высокой плотности энергии, который сканирует поверхность хрупкого материала, образуя при нагревании небольшие бороздки. Затем прикладывается определенное давление для нагрева материала, и лазерный луч используется для высокоскоростной, контролируемой резки. Хрупкий материал растрескивается вдоль этих небольших борозд. Принцип этого процесса резки заключается в том, что лазерный луч нагревает локальную область хрупкого материала, вызывая большой температурный градиент и сильную механическую деформацию в этой области, что приводит к образованию трещин в материале. Пока поддерживается баланс температурного градиента, лазерный луч может направлять образование и распространение трещин в любом желаемом направлении.
Контролируемое разрушение заключается в использовании резкого распределения температуры, создаваемого лазерной нарезкой, для генерации локальных термических напряжений в хрупком материале, в результате чего материал разрушается вдоль небольших канавок. Следует отметить, что этот метод контролируемого разрушения не подходит для резки острых углов и угловых щелей. Также сложно успешно вырезать очень большие замкнутые формы. Контролируемое разрушение обеспечивает высокую скорость резки и не требует слишком большой мощности, иначе это приведет к расплавлению поверхности заготовки и повреждению края щели. Основными параметрами управления являются мощность лазера и размер пятна.
Характеристики лазерной резки
Технология лазерной резки обладает очевидными преимуществами перед другими методами термической резки. Ее общие характеристики — высокая скорость резки и высокое качество. Конкретные характеристики можно суммировать следующим образом:
(1) Хорошее качество резки
Благодаря малому размеру лазерного пятна, высокой плотности энергии и высокой скорости резки, лазерная резка обеспечивает высокое качество резки. Разрез лазерной резки узкий, а точность размеров отрезанных деталей может достигать ±0,05 мм. Поверхность реза гладкая и ровная, с шероховатостью всего в десятки микрон (обычно Ra составляет 12,5–25 мкм). Лазерную резку можно использовать даже в качестве заключительного этапа. Разрезанный шов, как правило, не требует повторной обработки перед сваркой, и детали можно использовать сразу. После лазерной резки материала ширина зоны термического воздействия очень мала, и характеристики материала вблизи разреза практически не изменяются. Кроме того, деформация заготовки невелика, точность резки высока, геометрическая форма разреза хорошая, а поперечное сечение разреза имеет относительно правильную прямоугольную форму.
(2) Высокая эффективность резки
Благодаря характеристикам передачи лазерного излучения, станки для лазерной резки обычно оснащаются несколькими рабочими столами с ЧПУ, и весь процесс резки может полностью контролироваться ЧПУ. Во время работы достаточно изменить программу ЧПУ, чтобы применить ее для резки деталей различной формы, и можно выполнять как двухмерную, так и трехмерную резку.
(3) Высокая скорость резки
При резке низкоуглеродистой стальной пластины толщиной 2 мм лазером мощностью 1,2 кВт скорость резки может достигать 600 см/мин; при резке полипропиленовой пластины толщиной 5 мм скорость резки может достигать 1200 см/мин. При резке углеродистой стальной пластины толщиной 8 мм лазером мощностью 2 кВт скорость резки составляет 1,6 м/мин, а при резке нержавеющей стали толщиной 2 мм скорость резки составляет 3,5 м/мин. Зона термического воздействия мала, а деформация крайне незначительна. Материал не требует зажима и фиксации во время лазерной резки, что позволяет сэкономить как оснастку и приспособления, так и время на загрузку и разгрузку.
(4) Чистый, безопасный и свободный от загрязнения
При лазерной резке режущий инструмент не контактирует с заготовкой, и износ инструмента отсутствует. Для обработки деталей различной формы нет необходимости менять “инструмент”, достаточно изменить выходные параметры лазера. Процесс лазерной резки отличается низким уровнем шума, вибрации и отсутствием загрязнения окружающей среды, что значительно улучшает условия труда операторов.
(5) Широкий выбор режущих материалов
По сравнению с кислородно-ацетиленовой и плазменной резкой, лазерная резка позволяет обрабатывать широкий спектр материалов, включая металлы, неметаллы, металлокомпозитные и неметаллические материалы, кожу, дерево и волокно. Различные материалы обладают разной степенью пригодности для лазерной резки из-за своих термофизических свойств и различной скорости поглощения лазерного излучения.
Недостатком лазерной резки является то, что из-за ограничений мощности лазера и габаритов оборудования она может резать только листы и трубы средней и малой толщины, а скорость резки значительно снижается с увеличением толщины заготовки. Оборудование для лазерной резки дорогое и требует значительных единовременных инвестиций.
С точки зрения точности резки и шероховатости поверхности, лазерная резка CO2 не превосходит электрообработку; по толщине резки ей трудно достичь уровня пламенной и плазменной резки. Однако вышеуказанные существенные преимущества достаточны для того, чтобы доказать, что лазерная резка CO2 заменила и в настоящее время заменяет некоторые традиционные методы резки, особенно при резке различных неметаллических материалов. Это передовой метод обработки, который быстро развивается и получает все более широкое распространение.
Область применения лазерной резки
В промышленном производстве технология лазерной резки является одним из наиболее широко используемых методов лазерной обработки, на ее долю приходится около 601 тыс. тонн всего объема применения лазерной обработки материалов.
Большинство станков для лазерной резки управляются программами ЧПУ или переоборудованы в роботизированные станки. Как метод высокоточной обработки, лазерная резка позволяет резать практически все материалы, включая двухмерную или трехмерную резку тонких металлических пластин. Лазерная резка широко используется в электротехнике, транспортном машиностроении, нефтехимии, автомобилестроении, машиностроении, медицинском оборудовании, отделке, упаковке и т. д. В автомобилестроении широко применяется технология лазерной резки для обработки криволинейных форм, таких как верхние окна автомобилей. Немецкая компания Volkswagen использует лазер мощностью 500 Вт для резки сложных кузовных панелей и различных изогнутых деталей.
В аэрокосмической отрасли технология лазерной резки в основном используется для резки специальных авиационных материалов, таких как титановые сплавы, алюминиевые сплавы, никелевые сплавы, хромовые сплавы, нержавеющая сталь, оксид бериллия, композитные материалы, пластмассы, керамика и кварц. К аэрокосмическим деталям, обрабатываемым лазерной резкой, относятся горелки двигателей, тонкостенные корпуса из титановых сплавов, каркасы самолетов, обшивка из титановых сплавов, элементы крыла, хвостовые панели крыла, несущее винт вертолетов, керамические изоляционные плитки космических челноков и т. д.
Технология лазерной резки также широко используется в области неметаллических материалов. Мощность, необходимая для лазерной резки, относительно невелика. Как правило, для резки тонких заготовок достаточно непрерывного CO2-лазера мощностью менее 1 кВт. Он может резать не только материалы с высокой твердостью и хрупкостью, такие как нитрид кремния, керамика, кварц и т. д., но и гибкие материалы, такие как ткань, бумага, пластиковые пластины, резина, кожа и т. д. Например, использование лазеров для раскроя одежды позволяет сэкономить от 101 до 121 тонны материала и повысить эффективность более чем в 3 раза.
Плотность энергии лазерного луча немного ниже, чем у электронного луча, и режущие возможности этих двух типов луча практически одинаковы. По сравнению с электронно-лучевой резкой, лазерная резка позволяет резать металлы толщиной до 25 мм в атмосферных условиях и с очень высокой скоростью при использовании автоматического режущего оборудования. Разрез очень узкий, угол разреза почти вертикальный, а качество разреза превосходное.
Помимо вышеперечисленных применений, лазерная резка Компания также постоянно расширяет области своего применения, в частности, следующим образом:
① Использовать систему 3D-лазерной резки или настроить промышленного робота для резки пространственных кривых, а также разработать различное программное обеспечение для 3D-резки, чтобы ускорить процесс от чертежа до резки деталей.
② Для повышения эффективности производства изучаются и разрабатываются различные специальные системы резки, системы транспортировки материала, системы привода линейных двигателей и т. д. В настоящее время скорость резки в системе превышает 100 м/мин.
③ В целях расширения области применения в машиностроении, судостроении и т. д. толщина обрабатываемых листов из низкоуглеродистой стали превысила 30 мм, и специально изучается технология резки низкоуглеродистой стали с использованием азота для повышения качества резки толстых листов.
Расширение области применения лазерной резки CO2 и решение некоторых технических проблем в новых областях применения по-прежнему остаются важными задачами для инженерно-технических специалистов.
Лазерная резка различных металлических материалов
(1) Лазерная резка металлических материалов. Хотя почти все металлические материалы обладают высокой отражательной способностью для энергии инфракрасных волн при комнатной температуре, CO2-лазеры, излучающие лучи в дальнем инфракрасном диапазоне (10,6 мкм), успешно используются для лазерной резки многих металлов. Металлические материалы плохо поглощают лазерные лучи с длиной волны 10,6 мкм, с начальной скоростью поглощения всего от 0,51Т3Т до 101Т3Т. Скорость поглощения большинства металлов в расплавленном состоянии резко возрастает, обычно увеличиваясь на 601Т3Т до 801Т3Т.
① Углеродистая сталь. Толщина пластин из углеродистой стали, вырезанных лазером, может достигать 25 мм. Ширина прорези в пластинах из углеродистой стали, вырезанных на станках с оксидной флюсовой резкой, может контролироваться в пределах удовлетворительного диапазона, а ширина прорези в тонких пластинах может составлять около 0,1 мм.
② Легированная сталь. Большинство легированных конструкционных и инструментальных сталей позволяют получить хорошее качество режущей кромки при лазерной резке. При использовании кислорода в качестве технологического газа режущая кромка слегка окисляется. Для пластин толщиной до 4 мм в качестве технологического газа для резки под высоким давлением можно использовать азот. В этом случае режущая кромка не окисляется. Для пластин толщиной более 10 мм лучшие результаты могут быть достигнуты с помощью специальных пластин в лазерном станке и нанесения масла на поверхность заготовки во время обработки. Для высокопрочной стали, при условии надлежащего контроля параметров процесса, также можно получить прямые режущие кромки без шлака. Однако для быстрорежущей инструментальной стали и штамповой стали для горячей ковки, содержащей вольфрам, во время лазерной резки может происходить плавление и образование шлака.
③ Нержавеющая сталь. Лазерная резка — эффективный метод обработки в обрабатывающей промышленности, в основном для производства тонких листов из нержавеющей стали. При строгом контроле подводимой температуры лазерной резки ширина зоны термического воздействия на режущей кромке может быть ограничена, что обеспечивает хорошую коррозионную стойкость нержавеющей стали. Кислород можно использовать, если окисление кромки не является проблемой, а азот позволяет получить кромку без окисления и заусенцев, без необходимости дополнительной обработки. Нанесение слоя масляной пленки на поверхность листа обеспечит лучший эффект перфорации без снижения качества обработки.
④ Алюминий и его сплавы. Лазерная резка алюминия и его сплавов относится к механизму резки с плавлением. Вспомогательный газ используется в основном для удаления расплавленного продукта из зоны резки, и обычно можно получить хорошее качество резки. Для некоторых алюминиевых сплавов следует соблюдать осторожность, чтобы предотвратить образование межзеренных микротрещин на поверхности резки. Хотя алюминиевые сплавы обладают высокой отражательной способностью и хорошей теплопроводностью, лазерная резка все же может использоваться для резки алюминиевых материалов толщиной менее 6 мм, в зависимости от типа сплава и мощности лазера. При использовании кислорода поверхность резки получается шероховатой и твердой; при использовании азота поверхность резки гладкая. Чистый алюминий очень трудно резать. Его можно резать только при установке на систему устройства “поглощения отражения”, иначе отражение разрушит оптические компоненты.
⑤ Медь и ее сплавы. Чистую медь (красную медь) нельзя резать лазером CO2 из-за ее высокой отражательной способности. Латунь (медный сплав) следует резать с большей мощностью лазера. В качестве вспомогательного газа используется воздух или кислород, что позволяет резать более тонкие пластины. И чистая медь, и латунь обладают высокой отражательной способностью и очень хорошей теплопроводностью. Латунные пластины толщиной менее 1 мм можно резать азотом; медные пластины толщиной менее 2 мм можно резать кислородом в качестве технологического газа. Чистую медь и латунь можно резать только при наличии в системе устройства “поглощения отражения”, иначе отражение разрушит оптические компоненты.
⑥Титан и его сплавы. Чистый титан очень хорошо передает тепловую энергию, преобразуемую сфокусированным лазерным лучом. При использовании кислорода в качестве вспомогательного газа химическая реакция протекает бурно, а скорость резки высока, но при этом легко образуется оксидный слой на режущей кромке, что может привести к перегреву. Использование воздуха в качестве вспомогательного газа обеспечивает более высокое качество резки. Качество лазерной резки титановых сплавов, широко используемое в авиастроении, хорошее. Хотя в нижней части реза может образовываться небольшое количество липкого шлака, его легко удалить. Титановые пластины режут с использованием ксенона и азота в качестве технологических газов.
⑦ Сплавы на основе никеля. Также известные как высокотемпературные сплавы, они имеют множество разновидностей, большинство из которых могут быть подвергнуты лазерному окислению и флюсовой резке.
Качество резки хорошее. Оборудование для лазерной резки может резать пластины из нержавеющей стали толщиной менее 4 мм, а добавление кислорода к лазерному лучу позволяет резать пластины из углеродистой стали толщиной 25 мм, но после кислородной резки на поверхности резания образуется тонкая оксидная пленка. Максимальная толщина лазерной резки может достигать 30 мм, но погрешность размеров резимых деталей велика.
Степень поглощения лазерного луча материалом играет важную роль на начальном этапе нагрева. После образования небольшого отверстия внутри заготовки эффект черного тела этого отверстия приводит к тому, что материал поглощает луч со скоростью, близкой к 1001 Тл·3Тл. В практике лазерной резки влияние состояния поверхности материала на степень поглощения луча может быть использовано для повышения эффективности резки материала. Например, нанесение слоя поглощающего материала на поверхность алюминия может значительно увеличить скорость резки.
