Лазерне різання

при лазерного різання нагрівання і руйнування ділянки матеріалу здійснюється за допомогою лазерного променя.

загальноприйняті позначення

LBC - Laser Beam Cutting - різання лазерним променем

сутність процесу

На відміну від звичайного світлового променя для лазерного променя характерні такі властивості як спрямованість, монохроматичность і когерентність.

За рахунок спрямованості енергія лазерного променя концентрується на відносно невеликій ділянці. Так, за своїм спрямуванням лазерний промінь в тисячі разів перевищує промінь прожектора.

Лазерний промінь в порівнянні зі звичайним світлом є монохроматичності, т. Е. Має фіксованою довжиною хвилі і частотою. Це полегшує його фокусування оптичними лінзами.

Лазерний промінь має високу ступінь когерентності - узгодженого протікання в часі декількох хвильових процесів. Когерентні коливання викликають резонанс, який посилює потужність випромінювання.

Завдяки перерахованим властивостям лазерний промінь може бути сфокусований на дуже маленьку поверхню матеріалу і створити на ній щільність енергії, достатню для нагрівання і руйнування матеріалу (наприклад, порядку 108 Вт / см2 для плавлення металу).

Технологія лазерного різання металу

Вплив лазерного випромінювання на метал при розрізанні характеризується загальними положеннями, пов`язаними з поглинанням і відбиттям випромінювання, поширенням поглиненої енергії за обсягом матеріалу за рахунок теплопровідності і ін., А також ряд специфічних особливостей.

В області впливу лазерного променя метал нагрівається до першої температури руйнування - плавлення. З подальшим поглинанням випромінювання відбувається розплавлення металу, і фазова межа плавлення переміщається в глиб матеріалу. У той же час енергетичний вплив лазерного променя призводить до подальшого збільшення температури, що досягає другий температури руйнування - кипіння, при якій метал починає активно випаровуватися.

Таким чином, можливі два механізми лазерного різання - плавленням і випаровуванням. Однак останній механізм вимагає високих енерговитрат і здійснимо лише для досить тонкого металу. Тому на практиці різання виконують плавленням. При цьому з метою істотного скорочення витрат енергії, підвищення товщини оброблюваного металу і швидкості розрізання застосовується допоміжний газ, що вдихається в зону різу для видалення продуктів руйнування металу. Зазвичай в якості допоміжного газу використовується кисень, повітря, інертний газ або азот. Така різка називається газолазерной.

Малюнок. Схема лазерного різання

Наприклад, кисень при газолазерной різанні виконує потрійну функцію:

• спочатку сприяє попередньому окисленню металу і знижує його здатність відображати лазерне випромінювання;
• потім метал запалюється і горить у струмені кисню, в результаті виділяється додаткова теплота, яка посилює дію лазерного випромінювання;
• киснева струмінь здуває і забирає з області різання розплавлений метал і продукти його згоряння, забезпечуючи одночасний приплив газу безпосередньо до фронту реакції горіння.

Залежно від властивостей металу, що розрізає застосовуються два механізми газолазерной різання. При першому значний внесок в загальний тепловий баланс вносить теплота реакції горіння металу. Такий механізм різання зазвичай використовується для матеріалів, схильних до займання і горіння нижче точки плавлення і утворюють рідкотекучі оксиди. Прикладами можуть служити низьковуглецевий сталь і титан.

При другому механізмі різання матеріал не горить, а плавиться, і струмінь газу видаляє рідкий метал з області різу. Даний механізм застосовується для металів і сплавів з низьким тепловим ефектом реакції горіння, а також для тих, у яких при взаємодії з киснем утворюються тугоплавкі оксиди. Наприклад, леговані і високовуглецеві стали, алюміній, мідь і ін.

Малюнок. Схеми подачі допоміжного газу в зону різання

типи лазерів

Лазер, як правило, складається з трьох основних вузлів:

• активного (робочого) тіла, яке піддається «накачуванні», що призводить до його вимушеного випромінювання;
• оптичного резонатора (системи дзеркал), що забезпечує посилення вимушеного випромінювання активного тіла.

Для різання зазвичай застосовуються такі типи лазерів:

• твердотільні і
• газові - з поздовжньою або поперечною прокачуванням газу, щілинні, а також газодинамічні.

В освітлювальної камері твердотільного лазера розміщуються лампа накачування і активне тіло, що представляє собою стрижень з рубіна, неодимового скла (Nd-Glass) або алюмо-ітрієві граната, легованого ітербієм (Yb-YAG) або неодимом (Nd-YAG). Лампа накачування створює потужні світлові спалахи для збудження атомів активного тіла. По торцях стрижня розташовані дзеркала - частково прозоре (напівпрозоре) і відображає. Лазерний промінь посилюється в результаті багаторазових відображень всередині активного тіла і виходить через частково прозоре дзеркало.

Малюнок. Схема твердотільного лазера

Серійні твердотільні лазери мають порівняно невелику потужність, як правило, не перевищує 1-6 кВт. Довжина хвилі - близько 1 мкм (рубінового лазера - близько 694 нм). Режим випромінювання може бути як безперервним, так і імпульсним.

У газових лазерах в якості активного тіла застосовується суміш газів, зазвичай вуглекислого газу, азоту і гелію. У лазерах з поздовжньою прокачуванням газу суміш газів, що надходять з балонів, прокачується за допомогою насоса через газорозрядну трубку. Електричний розряд між електродами, підключеними до джерела живлення, використовується для енергетичного збудження газу. По торцях трубки розміщені відображає і напівпрозоре дзеркала.

Більш компактними і потужними є лазери з поперечної прокачуванням газу. Їх загальна потужність може досягати 20 кВт і вище.

Малюнок. Схеми лазерів з поздовжньої і поперечної прокачуванням газу

Досить ефективні щілинні CO2-лазери. Вони мають ще менші габарити, а потужність їх випромінювання зазвичай становить 600-8000 Вт. Режим випромінювання - від безперервного до частотно-імпульсного.

Малюнок. Схема щілинного лазера

У щелевом лазері застосовується поперечна високочастотна накачування активного середовища (з частотою від десятків МГц до декількох ГГц). Завдяки такій накачуванні збільшується стійкість і однорідність горіння розряду. Щілина між електродами становить 1-5 мм, що сприяє ефективному відведенню тепла від активної середовища.

Найбільш потужні лазери - газодинамічні (100-150 кВт і вище). Газ, нагрітий до температури 1000-3000 К, протікає з надзвуковою швидкістю через сопло Лаваля (звужений посередині канал), в результаті чого він адіабатично розширюється і охолоджується в зоні оптичного резонатора. При охолодженні порушених молекул вуглекислого газу відбувається випускання когерентного випромінювання. Накачування лазера може здійснюватися допоміжним лазером або іншим потужним джерелом енергії.

Малюнок. Схема газодинамічного лазера

Довжина хвилі випромінювання вуглекислотних лазерів становить 9,4 або 10,6 мкм.

Твердотільні лазери погано обробляють неметали, оскільки ряд таких матеріалів повністю або частково прозорий для випромінювання з довжиною хвилі близько 1 мкм, наприклад, оргскло. Лазерний промінь більш чутливий до нерівній поверхні оброблюваного матеріалу. Однак при розкрої алюмінієвих сплавів, міді та латуні твердотільні лазери мають перевагу в порівнянні з вуглекислотними, оскільки поглинання випромінювання поверхнею цих металів значно вище на довжині хвилі твердотільного лазера.

Вуглекислотні лазери більш універсальні і застосовуються для обробки майже будь-яких металів і неметалів. Крім того, у них дуже низька розбіжність променя, що дає можливість розмістити джерело випромінювання далеко від зони обробки без втрати якості променя.

Різка різних матеріалів

Для розрізання металів в основному потрібна потужність лазера від 450-500 Вт і вище, для кольорових металів - від 1 кВт і вище.

Різання вуглецевих сталей найчастіше виконують із застосуванням кисню в якості допоміжного газу. В результаті взаємодії кисню з нагрітим променем металом протікає екзотермічна реакція окислення заліза зазвичай з виділенням в 3-5 більше тепла, ніж від самого лазерного випромінювання. Якість торцевої поверхні різу - висока. На нижній кромці різу характерне утворення незначного грата.

Найбільшу проблему представляє можливість переходу процесу різання, що виконується на дуже малих швидкостях (як правило, менш 0,5 м / хв), в некерований газовий режим, при якому метал починає розігріватися до температури горіння за межами впливу променя, що призводить до підвищення ширини різу і збільшення його шорсткості.

У ряді випадків, наприклад, при нарізці деталей з гострими кутами і отворами малого діаметру, замість кисню переважно використання інертного газу при високому тиску.

Лазерне різання нержавіючої сталі, особливо великої товщини, утруднена процесом зашлаковиваніе різу через присутність в металі легуючих елементів, що впливають на температуру плавлення металу і його оксидів. Так, можливе утворення тугоплавких оксидів, що перешкоджають підводу лазерного випромінювання до оброблюваного матеріалу. Ускладнює процес різання і низька текучість раплавленних оксидів, наприклад, властива для нержавіючих хромонікелевих і високохромистих сталей.

Для отримання якісного реза використовується азот високої чистоти, що подається при підвищеному тиску (зазвичай до 20 атм). При різанні нержавіючої сталі великої товщини потрібно заглиблення фокального плями променя в розрізаний метал. Як наслідок, підвищується діаметр вхідного отвору і зростає подача газу всередину металу в зону розплаву.

для лазерного різання алюмінію і його сплавів, міді та латуні потрібно випромінювання більш високої потужності, що обумовлено наступними факторами:

• низької поглощательной здатністю цих металів стосовно до лазерного випромінювання, особливо з довжиною хвилі 10,6 мкм вуглекислотного лазера, в зв`язку з чим твердотільні лазери більш кращі;
• високою теплопровідністю цих матеріалів.

Обробка малої товщини може виконуватися в імпульсному режимі роботи лазера, що дозволяє зменшити зону термічного впливу, а великої товщини - в мікроплазмове режимі. Плазмообразующих є пари легко іонізіруемих металів - магнію, цинку та ін. Під дією лазерного променя в області різу утворюється плазма, що нагріває метал до температури плавлення і плавкими його.

При розрізуванні алюмінію застосовується допоміжний газ з тиском понад 10 атм. Структура торцевої поверхні різу - пориста з легко видаляється грата в нижній кромці різу. З підвищенням товщини металу якість торцевої поверхні різу погіршується.

При різанні латуні торцева поверхня різу має пористу шорсткою структурою з легко видаляється грата в нижній частині різу. Із зростанням товщини металу якість торцевої поверхні різу погіршується.

Таблиця. Характерні товщини листів, що розрізають при потужності лазера P = 5 кВт

За допомогою вуглекислотних лазерів можлива обробка різних неметалів - фанери, дерева, ДВП, ДСП, пластику, оргскла, поліефірного і акрилового скла, ламінату, лінолеуму, гуми, тканини, шкіри, азбесту, картону та інших.

При розрізуванні поролону слід дотримуватися підвищених запобіжних пожежної безпеки, оскільки він може спалахнути. Через загоряння неможлива або дуже утруднена різання товстого пенокартона (при товщині більше 10 мм).

Неможливий або вкрай складний розкрій лазером таких матеріалів як текстоліт, склотекстоліт, гетинакс, стільниковий поліпропілен, полікарбонат, стільниковий полікарбонат. Ускладнено розрізання матеріалів, схильних до розтріскування, наприклад, кераміки або скла.

Таблиця. Характерні товщини листів, що розрізають при потужності лазера P = 1,5 кВт

технологічні параметри

Основними технологічними параметрами процесу лазерного різання є:

• потужність випромінювання;
• швидкість різання;
• тиск допоміжного газу;
• діаметр сфокусованого плями і ін.

При імпульсному режимі до даних параметрами додаються:

• частота повторення імпульсів;
• тривалість імпульсів;
• середня потужність випромінювання.

Ці параметри впливають на ширину різу, якість різання, зону термічного впливу та інші характеристики.

Малюнок. Вплив потужності випромінювання на швидкість різання металів

Малюнок. Вплив швидкості різання на ширину різу в металах

Якість різу визначається шорсткістю його поверхні. Вона відрізняється для різних зон по товщині металу. Найкраща якість характерно для верхніх шарів розрізаного металу, найгірше - для нижніх.

Малюнок. Вплив швидкості різання і надлишкового тиску кисню на розміри області якісного різання вуглецевих сталей товщиною 3 мм при потужності випромінювання 0,45 кВт

Малюнок. Залежність шорсткості поверхні різу вуглецевої сталі від надлишкового тиску кисню при різних швидкостях газолазерной різання

Переваги, недоліки і порівняльна характеристика

Сфокусоване лазерне випромінювання дозволяє розрізати майже будь-які матеріали незалежно від їх теплофізичних властивостей. При цьому можна отримувати якісні і вузькі рези (шириною 0,1-1 мм) з порівняльною невеликою зоною термічного впливу. При лазерного різання виникають мінімальні деформації, як тимчасові в процесі обробки заготовки, так і залишкові після її повного остигання. В результаті можлива різка з високим ступенем точності, в тому числі нежорстких і легкодеформіруємих виробів. Завдяки відносно нескладному управління лазерним пучком можна виконувати автоматичну обробку плоских і об`ємних деталей по складному контуру.

Лазерне різання особливо ефективна для сталі товщиною до 6 мм, забезпечуючи високу якість і точність при порівняно великій швидкості розрізання. Однак для металу товщиною 20-40 мм вона застосовується значно рідше кисневої або плазмового різання, а для металу товщиною понад 40 мм - практично не використовується.

Таблиця. Порівняння лазерного різання з кисневої, плазмової і гідроабразивного різкою