Лазерная резка. Установки лазерной резки

Словарь терминов Л → Лазерная резка. Установки лазерной резки

Лазерная резка представляет собой технологию, обычно используемую в  промышленных назначениях, где для резки материалов используется лазер. Резка осуществляется мощным лазерным лучом, направляемым по средствам ЧПУ на разрезаемый материал. В процессе резки материала происходит либо плавление, либо горение, либо испарение, либо же разрыв материала под воздействием струи газа. Качество обработки поверхности кромок при этом остаётся высоким. Промышленные установки лазерной резки используются для резки как листовых материалов, так и конструкционных сталей, и трубопроката.  

РТК гидроабразивной резки

Робототехнические комплексы  гидроабразивной резки

РТК лазерной резки

Робототехнические комплексы лазерной резки

РТК плазменной резки

Робототехнические комлексы лазерной резки

Из истории лазерной резки

Первая промышленная установка лазерной резки использовалась для выреза отверстий в алмазных фильерах. Данная установка была выпущена Западным центром электротехники. В 1967 году была выпущена установка для лазерно-кислородной резки. В 1970-х годах эта технология была применена для резки титана в аэрокосмической отрасли. В то же время CO2-лазеры были применены для резки неметаллических материалов, таких, как текстиль.

Типы лазеров, применяемых для лазерной резки

Существует три основных типа лазеров, применяемых для лазерной резки. Лазер СО2 используется для резки, сверления и гравировки.

Неодимовые (Nd) и неодимовые иттербиево-алюминиево-гранатовые (Nd-YAG) лазеры идентичны, их отличие заключается только в применении. Nd–лазеры используются для сверления и в тех случаях, когда необходима подача мощной энергии при незначительной повторяемости. Nd-YAGлазеры используются в тех случаях, когда высокая энергии необходима как для сверления, так и для гравировки. СО2 и Nd/Nd-YAG лазеры так же могут использоваться и для сварки.

При работе СО2-лазеров обычно луч проходит через смесь газов (DC) (с возбуждением постоянным током), либо с использованием энергии радиоизлучения (RF). Последний способ является более новым и набирает всё большую популярность.  Поскольку конструкция лазера, луч которого проходит через смесь газов с возбуждением постоянного тока, предусматривает наличие электрода в полости, в нем может происходить эрозия электрода и оседание материала электрода на стеклянные элементы и оптику. В лазерах с использованием энергии радиоизлучения данная проблема исключена за счет использования внешних электродов.

Установка лазерной резки

СО2-лазеры используются для промышленной лазерной резки таких материалов, как мягкие стали, алюминий, нержавеющая сталь, титан, бумага, пластики, дерево, воск и ткань. Лазеры типа YAG обычно используются для лазерной резки и разметки материалов.  

Производительность лазера так же зависит и от типов используемых источников питания и вида подачи газа. В быстром резонаторе с осевым потоком используется турбина, либо нагнетатель, благодаря которому происходит высокоскоростная циркуляция смеси углекислого газа, гелия и азота. В лазерах с поперечной прокачкой требуется более простой нагнетатель за счет более низкой скорости подачи газовой смеси. В установках лазерной резки с диффузионным охлаждением достаточно наличия статического газа, не требующего сжатия или стеклянных элементов, благодаря чему, можно сэкономить на замене турбин и стеклянных элементов.

Для работы лазерных генераторов и внешней оптики (включая фокусирующие линзы) требуется охлаждение. В зависимости от размеров и конфигурации системы, избыточное тепло может выводиться по средствам системы охлаждения, либо непосредственно в воздух. В качестве хладагента обычно используют воду, циркулирующую по системе охлаждения.

Активный материал лазера

Применения

CO2

Сверление

Резка/разметка

Гравировка

Nd

Высокоэнергетические импульсы

Низкая скорость повторяемости импульсов  (1 кГц)

Сверление

Nd-YAG

Очень высокие энергетические импульсы
Сверление

Гравировка

Обработка

Существуют так же лазеры, в которых применяется технология «Microjet» – это лазеры, направляемые струей воды, находящейся под низким давлением. Эта технология используется для выполнения функций лазерной резки, при которой струя воды используется для направления лазера подобно использованию оптического волокна для полного внутреннего отражения. Преимущество этого метода заключается в том, что вода так же очищает поверхность от обрезков и охлаждает. Дополнительные преимущества этого метода перед обычной "сухой" лазерной резкой – это высокая скорость резки полупроводниковых материалов и возможность осуществления резки в любом направлении.

Описание процесса лазерной резки

Генерация лазерного луча производится по средствам стимуляции активного материала лазера электрическим разрядом или лампами в закрытом контейнере. При стимуляции активного материала луч отражается от зеркальной поверхности до тех пор, пока не обретет достаточного количества энергии для выхода в виде моноэнергетического когерентного излучения. Для направления когерентного излучения к линзам, фокусирующим его в рабочей зоне, обычно используются зеркала, либо оптическое волокно.  Диаметр самой тонкой части сфокусированного луча обычно составляет не более 0,32 мм. В зависимости от толщины материала, возможно достичь до 0,10 мм ширины канавки при резке. Для того, чтобы начать рез не с кромки, а с какого-либо другого места, необходимо предварительно произвести пирсинг. Для осуществления пирсинга обычно требуется мощный луч импульсного лазера, способного медленно проделать отверстие в материале, на что затрачивается, например, при резке нержавеющей стали толщиной 13 мм порядка 5-15 секунд.

 

Диапазон диаметров параллельных лучей когерентного излучения, исходящего от активного материала обычно составляет от 1,6 до 2,1 мм. Обычно этот пучок фокусируется и ускоряется линзами, либо зеркалами до очень маленькой точки, ок. 0,025 мм, для создания мощного лазерного пучка. Для достижения максимально высокого качества при резке контуров, направление поляризации пучка должно поворачиваться по мере прохождения контура заготовки. При резке листового металла фокусное расстояние обычно составляет 38-76 мм.

Существует множество способов лазерной резки различных материалов: выпариванием, плавкой, выжиганием, термическим растрескиванием, холодным резом и пр.

Резка методом выпаривания

При резке методом выпаривания сфокусированный пучок нагревает поверхность материала до точки кипения и проделывает сквозное проплавление.  По мере углубления отверстия и кипения материала, пар разрушает плавящиеся стенки, тем самым увеличивая отверстие. Такой метод часто используется для резки неплавящихся материалов, таких, как дерево, углеродистые материалы и термореактивные пластмассы.

Лазерная резка плавлением

Для резки посредством плавления используется газ под высоким давлением для плавки материала в зоне реза, что значительно сокращает расход энергии. Сначала материал нагревается до точки плавления, затем подаваемая струя газа выдувает расплавленный материал из зоны реза, что позволяет избежать необходимости повышения температуры материала в дальнейшем. Такой способ обычно используется для резки металлов.

Лазерная резка плавлением

Термическое растрескивание

Хрупкие материалы очень чувствительны к тепловому растрескиванию. В результате локального теплового воздействия на поверхность сфокусированным лучом, происходит тепловое расширение. Это приводит к возникновению трещины, которая может направляться по мере перемещения луча. Такая технология обычно используется для резки стекла.     

Реактивная лазерная резка

Реактивная резка подобна  газовой, но с использованием лазерного луча в качестве источника зажигания. Обычно используется для резки углеродистых сталей толщиной свыше 1 мм. Данная технология может использоваться для резки очень толстых металлических пластин при использовании лазера небольшой мощности.

Отклонения и шероховатость поверхности

Точность позиционирования новой лазерной головки равна 10 микрометров, повторяемость 5 микрометров.

Обычно шероховатость Rz зависит от толщины листа, чем толще лист, тем больше шероховатость. Но ее можно уменьшить путем увеличения мощности лазера и скорости резки. Для резки низкоуглеродистых сталей мощность лазера составляет 800 Вт, стандартная шероховатость для листа толщиной 1 мм составляет 10 μм, для листа толщиной 3 м - 29 μм, для 6 мм – 25 μм. Rz=12.528 (S0.542)/((P0.528) (V0.322)), где S = толщина стального листа в мм; P = мощность лазера в кВт (мощность некоторых современных лазеров достигает 4 кВт); V = скорость резки в м/мин.

Отклонение при лазерной резке составляет 0.025 мм. При этом большое значение имеют геометрия детали и механическая прочность машины. Качество поверхности после резки лазерным лучом обычно составляет от 0.003 мм до 0.006 мм.  

Конфигурации установок лазерной резки

Существует 3 основных конфигурации промышленных установок для лазерной резки:

1.Установки с перемещением материалов.

2.Гибридные установки.

3.Установки с системами летающей оптики.

Тип установки зависит от необходимого способа перемещения лазера по заготовке. Для всех установок свойственно наличие осей перемещения Х и Y. В случае необходимости управления режущей головкой, головка проектируется в качестве оси Z.

Установка лазерной резки

В установках лазерной резки, в которых необходимо перемещать разрезаемый материал, обычно используется стационарная режущая головка, материал перемещается под ней. При таком способе резки обеспечивается постоянное расстояние от лазерной головки до заготовки. Для данного вида лазера требуется меньше оптики, но больше перемещений заготовки. Этот метод относится к одному из самых медленных.

В гибридных установках используется стол, который движется по одной оси (обычно Х), режущая головка движется по более короткой оси Y. Благодаря этому обеспечивается более постоянная длина луча и более простая система подачи луча по сравнению с установками с летающей оптикой. Использование этого метода позволяет сократить потери энергии при подаче луча и достичь большей мощности.

Установки лазерной резки с летающей оптикой

Лазерные установки с летающей оптикой включают в себя стационарный стол и режущую головку, движущуюся над заготовкой по длине и ширине. В таких установках обычно не требуется дополнительное крепление материалов. Подвижная масса постоянная, поэтому динамические характеристики не зависят от размеров заготовки. Установки с летающей оптикой - самый быстрый тип лазерных установок, которые отлично подходят для резки толстых заготовок.

При использовании установок с летающей оптикой необходимо учитывать изменения длины луча от ближнего поля (рядом с резонатором) резки до дальнего поля (удаленно от резонатора). Существуют некоторые способы для решения этой проблемы:  коллимация, адаптивная оптика или использование оси с постоянной длиной луча.

Так же возможно производить резку и объемных заготовок при использовании 5 и 6-осевых установок. Дополнительно могут использоваться различные способы ориентации лазерного луча по формам заготовок. 

Импульсные лазеры

В импульсных лазерах используется импульсная подача энергии высокой мощности на короткий промежуток времени, что очень эффективно для процесса резки, особенно для пирсинга, когда требуются небольшие отверстия или невысокие скорости резки. Тогда, как при использовании лазера с постоянным лучом, происходило бы плавление всей разрезаемой заготовки в результате нагрева.

Большинство промышленных лазеров обладают возможностью резать импульсами, либо постоянным лучом под управлением ЧПУ.

Существуют так же и двухимпульсные лазеры, в которых используются серии пар импульсов для увеличения интенсивности съема материала и улучшения качества отверстий. Сущность этого метода заключается в следующем: первый импульс удаляет материал с поверхности, а второй предотвращает налипание отходов на поверхность отверстия или реза.

Преимущества и недостатки лазерной резки

Преимущества лазерной резки перед механической заключаются в более простом удержании заготовок и меньшем загрязнении (т.к. в данном случае не используются режущие лезвия). Помимо этого, точность при лазерной резке так же выше, поскольку лазерная головка не изнашивается в процессе резки. Вероятность деформации детали при лазерной резке значительно ниже, чем при механической за счет небольшой зоны нагрева. К тому же, существуют некоторые материалы, которые не поддаются резке более традиционными способами.

Лазерная резка так же во многом выигрывает и в сравнении с плазменной резкой за счет лучшей точности, меньшего энергопотребления при резке листовых металлов. Тем не менее, промышленные лазеры не способны прорезать стали больших толщин, которые можно резать на плазменных установках. Более новые установки лазерной резки становятся всё ближе к плазменным по мощности (до 6000 Ватт), но стоимость таких установок значительно выше плазменных.

Основным недостаток плазменной резки является большое потребление энергии. Эффективность промышленных лазеров находится в диапазоне от 5 до 15%. Энергопотребление и эффективность отдельного лазера могут варьироваться в зависимости от генерируемой мощности и параметров процесса. Это зависит от типа лазера и насколько данный лазер подходит для определенного вида работ.

Необходимое количество энергии для лазерной резки, иначе говоря, теплоподвод для конкретного вида работ зависит от типа материала, толщины, типа процесса (реактивный/инертный) и объёма резки.

Мощности, необходимые для различных материалов различных толщин при использовании СО2-Лазера (Ватт)

Материал

Толщина материала

0,51 мм

1,0 мм

2,0 мм

3,2 мм

6,4 мм

Нерж. Сталь

1000

1000

1000

500

250

Алюминий

1000

1000

1000

3800

10000

Мягкая сталь

400

500

Титан

250

210

210

-

Клееная фанера

-

-

650

Бор/эпоксидное покрытие

-

3000

Максимальная производительность резки ограничивается такими факторами, как мощность лазера, толщина материала, тип процесса (реактивный или инертный) и свойствами материала.

Стандартные промышленные системы (1 кВт+) способны резать углеродистую сталь толщиной от 0.51 до 13 мм. Для любых видов резки лазерная установка будет до 30 раз эффективней механической резки.

 

Производительность резки материалов и толщины материалов при использовании СО2-лазера (мм/мин)

 

Материал

Толщина материала

0,51 мм

1,0 мм

2,0 мм

3,2 мм

6,4 мм

13 мм

Нерж. Сталь

1000

550

325

185

80

18

Алюминий

800

350

150

100

40

30

Мягкая сталь

-

210

185

150

100

50

Титан

300

300

100

80

60

40

Клееная фанера

-

-

180

45

Бор/эпоксидное покрытие

-

60

60

25

 

НПК "Альфа-Интех" является системным интегратором робототехнических комплексов на базе промышленных роботов ABB и KUKA. Чтобы узнать больше о наших возможностях рекомендуем ознакомиться со следующими разделами: