Лазерная резка - это производственный процесс, в котором используется сфокусированный мощный лазерный луч для резки материала по индивидуальной форме и дизайну. Этот процесс подходит для широкого спектра материалов, включая металл, пластик, дерево, драгоценные камни, стекло и бумагу, и позволяет производить точные, замысловатые и сложные детали без необходимости использования специального инструмента.
Доступно несколько различных типов лазерной резки, включая резку плавлением, резку окислением и разметку. Каждый процесс лазерной резки позволяет производить детали с точностью, точностью и высококачественной обработкой кромок и, как правило, с меньшим загрязнением материала, физическим повреждением и отходами, чем при других традиционных процессах резки, таких как механическая резка и гидроабразивная резка. Однако, хотя лазерная резка демонстрирует определенные преимущества по сравнению с более традиционными процессами резки, некоторые производственные приложения могут быть проблематичными, например, резка световозвращающего материала или материала, требующего вторичной механической обработки и отделочных работ. Требования и спецификации, предъявляемые к конкретному процессу резки - например, материалы и их свойства, ограничения на потребление энергии и мощности, вторичная отделка и т. д. - помогают определить тип процесса резки, наиболее подходящий для использования.
Хотя каждый процесс резки имеет свои преимущества и недостатки, в этой статье основное внимание уделяется лазерной резке, излагаются основы процесса лазерной резки, а также необходимые компоненты и механизмы станка для лазерной резки. Кроме того, в статье исследуются различные методы и применения лазерной резки, преимущества и ограничения этого процесса, а также проводится сравнение лазерной резки с другими типами процессов резки.
Станок для лазерной резки и процесс
Лазерная резка - это бесконтактный термический процесс изготовления металлических и неметаллических материалов. Чтобы процесс лазерной резки шел гладко и с оптимальной производительностью, необходимо учитывать несколько факторов, таких как конфигурация и настройки станка для лазерной резки, разрезаемый материал и его свойства, а также тип используемого лазера и вспомогательного газа.
Обзор компонентов и механики лазерных станков
В отличие от механической резки, при которой используются режущие инструменты и оборудование с механическим приводом, и гидроабразивной резки, при которой используется вода под давлением и абразивный материал, при лазерной резке используется станок для лазерной резки для выполнения надрезов, гравировки и маркировки. Хотя станки для лазерной резки различаются от модели к модели и приложения к области применения, типичная установка включает узел лазерного резонатора, зеркала и головку для лазерной резки, которая содержит линзу для фокусировки лазера, узел сжатого газа и сопло.
Базовый процесс лазерной резки включает следующие этапы:
генерация луча
фокусировка луча
локальный нагрев и плавление
выброс материала
движение луча
Каждый этап является неотъемлемой частью процесса лазерной резки и при правильном выполнении дает точный разрез.
Генерация луча
Термин «лазер» происходит от аббревиатуры «ЛАЗЕР» или «Усиление света за счет вынужденного излучения». По сути, этот акроним суммирует основные принципы лазерной генерации - стимуляции и усиления. Наряду с этими принципами в лазерном резонаторе используются процессы спонтанного излучения и стимулированного излучения для создания луча света высокой интенсивности, который является как пространственно, так и спектрально когерентным (то есть лазерным лучом).
Спонтанное излучение
Резонатор лазера содержит активную лазерную среду (например, CO2, Nd: YAG и т. Д.), Электроны которой стимулируются внешним источником энергии, таким как лампа-вспышка или электрическая дуга. Когда среда получает и поглощает энергию, в ее атомах происходит процесс, известный как спонтанное излучение. Во время этого процесса энергия, поглощенная атомом, заставляет электроны атома на короткое время переходить на более высокий энергетический уровень, а затем возвращаться в свое основное состояние. По возвращении электронов в свое основное состояние атом излучает фотон света.
Вынужденное излучение
Фотоны, возникающие в результате спонтанного излучения, перемещаются в среде, которая содержится в полости лазерного резонатора между двумя зеркалами. Одно зеркало является отражающим, чтобы фотоны перемещались в среде, поэтому они продолжают распространять стимулированные излучения, а другое зеркало является частично пропускающим, что позволяет некоторым фотонам улетучиваться. Вынужденное излучение - это процесс, в котором фотон (то есть падающий фотон) стимулирует атом, который уже находится на более высоком уровне энергии. Это взаимодействие заставляет стимулированный атом перейти в основное состояние, испуская второй фотон той же фиксированной длины волны или когерентный с падающим фотоном.
Процесс распространения одного фотона излучением другого фотона усиливает силу и интенсивность светового луча. Таким образом, вынужденное излучение фотонов света (т. Е. Разновидность электромагнитного излучения) вызывает усиление света; другими словами, усиление света за счет вынужденного излучения. Неправильно выровненные фотоны внутри резонатора проходят через частично пропускающее зеркало, не отражаясь в среду, генерируя начальный лазерный луч. После генерации луч попадает в лазерную режущую головку и направляется зеркалами в фокусирующую линзу.
Фокусировка луча
Фокусирующая линза фокусирует лазерный луч через центр сопла на конце лазерной режущей головки, падающий на поверхность заготовки. По мере того как линза фокусирует лазерный луч, радиус пятна луча уменьшается; это уменьшение радиуса уменьшает площадь поперечного сечения луча, что, в свою очередь, увеличивает его интенсивность, поскольку его мощность теперь распределяется по меньшей площади.
Локальный нагрев и плавление, а также выброс материала
Когда луч падает на поверхность материала, материал поглощает излучение, увеличивая внутреннюю энергию и выделяя тепло. Высокая интенсивность лазерного луча позволяет ему нагревать, плавить и частично или полностью испарять локализованный участок поверхности детали. Ослабление и удаление пораженного участка материала формируют нужные прорезы. Закачиваемый в лазерную режущую головку и проходящий коаксиально к сфокусированному лучу, вспомогательный газ, также называемый режущим газом, используется для защиты и охлаждения фокусирующей линзы и может использоваться для вытеснения расплавленного материала из пропила - ширина удаляемого материала и производимого реза - и поддерживает процесс резки. При лазерной резке используются несколько различных типов механизмов резки и удаления материала, включая резку плавлением, резку с химическим разрушением, резку испарением, разметку и резку окислением.
Резка плавлением: также называемая резкой расплавом в инертном газе или резкой в инертном газе, резка плавлением используется на станках для лазерной резки CO2 и Nd: YAG. Лазерный луч, создаваемый режущим станком, расплавляет заготовку, и расплавленный материал выталкивается через дно пропила струей используемого вспомогательного газа. Используемый вспомогательный газ и давление вспомогательного газа зависят от типа разрезаемого материала, но инертный газ всегда выбирается на основании отсутствия у него химической активности по отношению к материалу. Этот механизм подходит для лазерной резки большинства металлов и термопластов.
Химическое разложение: Химическое разложение используется в станках для лазерной резки CO2 и подходит для лазерной резки термореактивных полимеров и органических материалов, таких как дерево. Поскольку термореактивные и органические материалы не плавятся при воздействии тепла, лазерный луч вместо этого сжигает материал, превращая его в углерод и дым.
Резка испарением: резка испарением используется в станках для лазерной резки CO2 и подходит для таких материалов, как лазерная резка акрила и полиацеталя из-за близости их точек плавления и кипения. Поскольку лазер испаряет материал, испаряется вдоль реза, получаемая кромка обычно глянцевая и полированная.
Разметка: Разметка используется станками для лазерной резки CO2 и Nd: YAG для создания частичных или полностью проникающих канавок или перфораций, обычно на керамических или кремниевых стружках. Эти канавки и перфорации допускают механическое разрушение по ослабленным структурным линиям.
Окислительная резка. Окислительная резка, также называемая пламенной кислородной резкой, применяется на станках для лазерной резки CO2 и Nd: YAG и подходит для лазерной резки низкоуглеродистой и углеродистой стали. Окислительная резка является одним из примеров режущего механизма резки расплава реактивного газа, в котором специально используются химически активные вспомогательные газы. Как и в случае инертности, реакционная способность вспомогательного газа зависит от разрезаемого материала. Окислительная резка, как следует из названия, использует кислород в качестве вспомогательного газа, который экзотермически реагирует с материалом. Вырабатываемое тепло ускоряет процесс резки и приводит к образованию окисленной оплавленной кромки, которую можно легко удалить струей газа, чтобы получить более чистую кромку, обрезанную лазером.
Движение луча
После начала локального нагрева, плавления или испарения машина перемещает зону удаления материала по заготовке, чтобы произвести полный рез. Станок выполняет перемещение, регулируя отражающие зеркала, управляя лазерной режущей головкой или манипулируя заготовкой. Существует три различных конфигурации станков для лазерной резки, которые определяются способом, которым лазерный луч перемещается или перемещается по материалу: движущийся материал, летающая оптика и гибридные системы лазерной резки.
Движущийся материал: Станки для лазерной резки движущегося материала оснащены стационарным лазерным лучом и подвижной режущей поверхностью, к которой прикреплен материал. Заготовка механически перемещается вокруг неподвижной балки для выполнения необходимых резов. Эта конфигурация обеспечивает равномерное и постоянное расстояние зазора и требует меньшего количества оптических компонентов.
Flying Optics: Станки для лазерной резки Flying optics оснащены подвижной головкой для лазерной резки и неподвижной заготовкой. Режущая головка перемещает балку по неподвижной заготовке по осям X и Y для выполнения необходимых резов. Гибкость машин с летающей оптикой позволяет резать материалы различной толщины и размеров, а также сокращает время обработки. Однако, поскольку балка постоянно движется, необходимо учитывать изменение длины балки на протяжении всего процесса. Изменением длины луча можно управлять путем коллимации (юстировки оптики), с использованием оси постоянной длины луча или с помощью адаптивной оптики или емкостной системы управления высотой, способной вносить необходимые корректировки в режиме реального времени.
Гибрид: Гибридные станки для лазерной резки предлагают сочетание свойств движущихся материалов и станков с летающей оптикой. Эти станки оснащены столом для обработки материалов, который перемещается по одной оси (обычно по оси X), и лазерной головкой, которая перемещается по другой (обычно по оси Y). Гибридные системы обеспечивают более стабильную доставку луча, уменьшают потери мощности и большую мощность на ватт по сравнению с системами летающей оптики.
Лазеры производятся либо в виде импульсных лучей, либо в виде непрерывных волновых лучей. Пригодность каждого из них зависит от свойств разрезаемого материала и требований к лазерной резке. Импульсные лучи производятся как короткие всплески выходной мощности, в то время как непрерывные волновые лучи производятся как непрерывные, с высокой выходной мощностью. Первый, как правило, используется для скрайбирования или резки с испарением и подходит для резки тонких конструкций или прокалывания толстых материалов, в то время как последний подходит для высокоэффективной и высокоскоростной резки.
Типы вспомогательных газов
При лазерной резке для облегчения процесса резки используются различные вспомогательные газы. Применяемый процесс резки и разрезаемый материал определяют тип вспомогательного газа - инертный или активный - который наиболее подходит для использования.
При резке с использованием инертного газа (т. е. Резка плавлением или резка расплава инертным газом), как указано в названии, используются химически инертные вспомогательные газы. Конкретный используемый вспомогательный газ зависит от реактивных свойств материала. Например, поскольку расплавленные термопласты не вступают в реакцию с азотом и кислородом, сжатый воздух можно использовать в качестве вспомогательного газа при лазерной резке таких материалов. С другой стороны, поскольку расплавленный титан вступает в реакцию с азотом и кислородом, аргон или другой химически инертный газ должен использоваться в качестве вспомогательного газа при лазерной резке этого материала. При лазерной резке нержавеющей стали с использованием процесса резки в среде инертного газа в качестве вспомогательного газа обычно используется азот; это связано с тем, что расплавленная нержавеющая сталь химически реагирует с кислородом.
При лазерной резке материала посредством процесса реактивного сдвига расплава активный (т.е. химически реактивный) вспомогательный газ - обычно кислород - используется для ускорения процесса резки. В то время как при резке инертным газом материал нагревается, плавится и испаряется исключительно за счет мощности лазера, при резке с использованием реактивного газа реакция между вспомогательным газом и материалом создает дополнительное тепло, которое способствует процессу резки. Из-за этой экзотермической реакции резка с использованием реактивного газа обычно требует более низких уровней мощности лазера для резки материала по сравнению с уровнем мощности, необходимым при резке того же материала с помощью процесса резки инертным газом.
Давление резания используемого вспомогательного газа также определяется применяемым процессом резания, свойствами и толщиной разрезаемого материала. Например, полимеры обычно требуют давления газовой струи 2–6 бар во время процесса резки инертным газом, в то время как нержавеющая сталь требует давления газовой струи 8–14 бар. Соответственно, более тонкие материалы также обычно требуют более низкого давления, а более толстые материалы обычно требуют большего давления. При окислительной резке все наоборот: чем толще материал, тем ниже необходимое давление и чем тоньше материал, тем выше требуемое давление.
Типы станков для лазерной резки по рабочему телу
Доступно несколько типов станков для лазерной резки, которые подразделяются на газовые, жидкостные и твердотельные. Типы различаются в зависимости от состояния активной лазерной среды, т. Е. От того, является ли среда газом, жидкостью или твердым материалом, и из чего состоит активная лазерная среда (например, CO2, Nd: YAG и т. д.). Основными двумя типами используемых лазеров являются СО2 и твердотельные лазеры.
Один из наиболее часто используемых газовых лазеров, CO2-лазер, использует смесь углекислого газа в качестве активной лазерной среды. CO2-лазеры обычно используются для резки неметаллических материалов, поскольку ранние модели не были достаточно мощными, чтобы разрезать металлы. С тех пор лазерная технология эволюционировала, чтобы позволить лазерам CO2 прорезать металлы, но лазеры CO2 по-прежнему лучше подходят для резки неметаллов и органических материалов (таких как резина, кожа или дерево) и просто гравировки металлов или других твердых материалов. Лазеры на чистом азоте - еще один широко используемый лазер в газовом состоянии. Эти лазеры используются в тех случаях, когда требуется, чтобы материал не окислялся при резке.
Доступно несколько разновидностей твердотельных лазеров, включая кристаллические и волоконные лазеры. В кристаллических лазерах используются различные кристаллические среды, например, иттрий-алюминиевый гранат, легированный неодимом (Nd: YAG) или легированный неодимом ортованадат иттрия (Nd: YVO4), что позволяет производить лазерную резку металлов и неметаллов с высокой мощностью. Хотя лазеры на кристаллах универсальны в отношении режущих возможностей материалов, они обычно более дороги и имеют более короткий срок службы, чем другие типы лазеров. Волоконные лазеры предлагают более дешевую и долговечную альтернативу кристаллическим лазерам. Этот тип лазера сначала генерирует луч через серию лазерных диодов, который затем проходит через оптические волокна, усиливается и фокусируется на заготовке для выполнения необходимых разрезов.
Как описано в предыдущем разделе, тип лазера, подходящий для лазерной резки, во многом определяется разрезаемым материалом. Однако при выборе и настройке станка для лазерной резки для конкретного применения могут быть приняты во внимание другие соображения, такие как конфигурация станка, мощность лазера, длина волны, временной режим, пространственный режим и размер фокусного пятна.
Мощность лазера: мощность или мощность лазера может увеличивать или уменьшать общее время обработки для резки. Это происходит из-за увеличения интенсивности луча по мере увеличения мощности лазера (плотность мощности (интенсивность) = P / πr2). Цена станка для лазерной резки обычно зависит от мощности лазера; чем мощнее лазер, тем дороже оборудование. Поэтому производители и мастерские должны найти баланс между затратами на обработку и затратами на оборудование при выборе лазерного станка на основе мощности лазера.
Длина волны: длина волны лазерного луча - это пространственная длина одного полного цикла вибрации для фотона в луче. Конкретная длина волны лазерного луча частично определяет скорость поглощения излучения материалом, которая позволяет материалу нагреваться, плавиться и испаряться для получения необходимых разрезов.
Режим луча: этот режим определяет, как интенсивность лазерного луча распределяется по площади поперечного сечения луча. Этот режим влияет на размер фокального пятна луча и интенсивность луча, что, в свою очередь, влияет на качество резки. Обычно оптимальный режим имеет гауссово распределение интенсивности (TEM00).
Фокусное пятно: Луч направляется через линзу или специальное зеркало и фокусируется в небольшом пятне высокой интенсивности. Точка, в которой диаметр луча наименьший, называется фокусным пятном или фокусом. Оптимальное положение фокуса для лазерной резки зависит от нескольких факторов, включая свойства и толщину материала, форму и режим луча, тип вспомогательного газа и состояние фокальной линзы.
Лазерная резка подходит для различных металлических и неметаллических материалов, включая пластик, дерево, драгоценные камни, стекло и бумагу. Как упоминалось в предыдущих разделах, тип разрезаемого материала и его свойства в значительной степени определяют оптимальный режущий механизм, режущий газ и давление режущего газа, а также лазерный станок, используемый для лазерной резки.
Помимо реактивных или нереактивных свойств разрезаемого материала, еще одним соображением материала, которое производители и рабочие мастерские могут принять во внимание при принятии решения о пригодности лазерной резки для их применения в резке, является отражательная способность. Чем больше коэффициент отражения материала, тем больше процент излучения отражается, а не поглощается им. Эта более низкая скорость поглощения замедляет процесс резки и увеличивает время обработки, а также увеличивает требования к мощности лазера для резки материала. Материалы с высокой отражающей способностью, такие как медь и алюминий, также могут вызвать повреждение лазерного устройства, так как луч может отражаться в направлении компонентов лазерного резака.
Преимущества лазерной резки
По сравнению с другими видами резки, лазерная резка имеет несколько преимуществ.
К ним относятся:
Повышенная точность и аккуратность резки
Более качественные края
Более узкая ширина пропила
Меньшая зона термического влияния и меньшее искажение материала
Меньше загрязнения материалов и отходов
Снижение затрат на обслуживание и ремонт
Повышенная безопасность оператора
Станки для лазерной резки способны вырезать широкий спектр конструкций с большей точностью и аккуратностью, чем более традиционные станки для резки. Поскольку станки для лазерной резки могут полностью управляться ЧПУ, они могут многократно и последовательно изготавливать сложные и замысловатые детали с высокими допусками. Лазерная резка также обеспечивает высококачественные разрезы и кромки, которые обычно не требуют дополнительной очистки, обработки или отделки, что снижает потребность в дополнительных процессах отделки.
Сфокусированный луч позволяет уменьшить ширину пропила, а локализованный нагрев обеспечивает минимальное тепловое воздействие на большую часть разрезаемого материала. Меньший пропил сводит к минимуму количество удаляемого материала, а низкий подвод тепла сводит к минимуму зоны термического влияния (ЗТВ), что, в свою очередь, снижает степень термической деформации. Бесконтактный характер процесса лазерной резки также снижает риск механической деформации, особенно для гибких или тонких материалов, а также снижает риск загрязнения материала. Благодаря более жестким допускам, меньшей ширине пропила, меньшим зонам термического влияния и меньшей степени деформации материала детали, вырезанные лазером, можно расположить ближе друг к другу на материале. Такая близость конструкции снижает количество отходов материала, что со временем приводит к снижению затрат на материалы.
Хотя первоначальные вложения в оборудование для лазерной резки обычно выше, чем в другие процессы резки, эксплуатационные расходы и затраты на техническое обслуживание сравнительно низкие. Станки для лазерной резки способны выполнять множество операций и приложений без необходимости покупать или менять отдельные инструменты, разработанные по индивидуальному заказу; эта характеристика лазерной резки снижает как общие затраты на оборудование, так и время выполнения различных процессов и приложений. Кроме того, поскольку лазерная резка является бесконтактным процессом, компоненты лазера испытывают меньшую усталость и, следовательно, служат дольше, чем компоненты в процессах контактной резки, таких как механическая резка или ротационная высечка. Вместе с относительной дешевизной заменяемых лазерных компонентов долговечность лазерных компонентов со временем еще больше снижает общие затраты на оборудование.
Другие преимущества лазерной резки включают снижение риска травм оператора и более тихую работу. В процессе лазерной резки практически не используются механические компоненты, и он происходит внутри корпуса, что снижает риск травмы оператора. Поскольку в процессе лазерной резки создается меньше шума, улучшается и общее рабочее место.
Ограничения лазерной резки
Хотя лазерная резка демонстрирует преимущества по сравнению с другими формами резки, у этого процесса также есть ограничения, в том числе:
Ассортимент подходящих материалов
Несоответствующая производительность
Закалка металла
Более высокое потребление энергии и мощности
Более высокие затраты на оборудование
Как указывалось в предыдущих разделах, лазерная резка подходит для широкого спектра металлов и неметаллов. Однако разрезаемый материал и его свойства часто ограничивают пригодность некоторых режущих механизмов, вспомогательных газов и типов лазеров. Кроме того, толщина материала играет важную роль в определении оптимальной мощности лазера, давления вспомогательного газа и положения фокуса для лазерной резки. Различные материалы или толщина в пределах одного материала также требуют корректировки скорости и глубины резания на протяжении всего процесса резки. Эти корректировки создают несоответствия во времени производства, а также увеличивают время выполнения работ, особенно при больших производственных партиях.
Одним из преимуществ лазерной резки является получение высококачественных резов, которые обычно не требуют обширной вторичной очистки, обработки или отделки. Хотя в некотором отношении это является преимуществом, возникающее в результате наклепывание кромок, обрезанных лазером, может быть проблематичным для некоторых применений. Например, детали, требующие дальнейшей обработки, такой как порошковое покрытие или окраска, сначала потребуют обработки поверхности после процесса лазерной резки перед нанесением необходимого покрытия или краски. Добавление этого шага увеличивает как время выполнения, так и общие затраты на обработку.
Хотя лазерная резка может со временем снизить затраты на техническое обслуживание и материалы, для некоторых производственных приложений может быть более рентабельным использование других процессов резки. Например, хотя лазерной резкой можно подвергать как металлические, так и неметаллические материалы, лазерная резка пластика вызывает выброс потенциально вредных и токсичных газов. Эти выбросы требуют оборудования для контроля загрязнения воздуха, что увеличивает стоимость необходимого оборудования. Для производителей и начинающих мастерских, хотя запасные части и детали для обслуживания относительно недороги, первоначальные вложения в оборудование для лазерной резки также имеют тенденцию быть намного выше по сравнению с более традиционными процессами резки. Кроме того, оборудование для лазерной резки обычно потребляет больше энергии, чем другие процессы резки, что приводит к дальнейшему увеличению эксплуатационных расходов. В целом, высокие начальные затраты на оборудование и эксплуатационные расходы могут сделать лазерную резку непригодной для низкобюджетных операций.
Резюме
Выше описаны основы станка для лазерной резки, процесс лазерной резки, принцип работы лазерной резки, различные возможности и области применения лазерной резки, а также некоторые соображения, которые могут быть приняты во внимание производителями и механическими цехами при принятии решения о том, является ли лазерная резка наиболее подходящей и наиболее оптимальна для их конкретного технологического процесса