Оборудование для лазерной резки металла доклад

Обновлено: 01.05.2024

Свойства лазерного луча: направленность, монохроматичность и когерентность. Технология лазерной резки металла. Применение вспомогательного газа для удаления продуктов разрушения металла. Типы лазеров. Схема твердотельного лазера. Резка алюминия и сплавов.

Рубрика	Производство и технологии
Вид	лабораторная работа
Язык	русский
Дата добавления	12.06.2013
Размер файла	2,1 M

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Введение

Возможности лазеров. Широкое применение в промышленности получили различные механические методы разделения металлов, в первую очередь резка ножовочными полотнами, ленточными пилами, фрезами и др. В производстве используются разнообразные станки общего и специального назначения для раскроя листовых, профильных и других заготовок из различных металлов и сплавов. Однако при многих достоинствах этого процесса существуют значительные недостатки, связанные с низкой производительностью, высокой стоимостью отрезного инструмента, трудностью или невозможностью раскроя материалов по сложному криволинейному контуру.

В промышленности получил распространение ряд процессов разделения материалов, основанных на электрохимическом, электрофизическом и физико-химическом воздействиях. Ацителено-кислородная резка, плазменная резка проникающая дугой и другие физико-химические методы разделения обеспечивают повышение производительности по сравнению с механическими методами, но не обеспечивают высокой точности и чистоты поверхностей реза и требуют в большинстве случаев последующей механической обработки. Электроэрозионная резка позволяет осуществлять процесс разделения материалов с малой шириной и высоким качеством реза, но одновременно с этим характеризуются малой производительностью.

В связи с этим возникла производственная необходимость в разработке и промышленном освоении методов резки современных конструкционных материалов, обеспечивающих высокую производительность процесса, точность и качество поверхностей получаемого реза. К числу таких перспективных процессов разделения материалов следует отнести лазерную резку металлов, основанную на процессах нагрева, плавления, испарения, химических реакциях горения и удаления расплава из зоны резки.

Сфокусированное лазерное излучение , обеспечивая высокую концентрацию энергии, позволяет разделять практически любые металлы и сплавы независимо от их теплофизических свойств. При этом можно получить узкие резы с минимальной зоной термического влияния. При лазерной резке отсутствует механическое воздействие на обрабатываемый материал и возникают минимальные деформации, как временные в процессе резки, так и остаточные после полного остывания. Вследствии этого лазерную резку можно осуществлять с высокой степени точностью, в том числе легкодеформируемых и нежестких заготовок или деталей. Благодаря большой плотности мощности лазерного излучения обеспечивается высокая производительность процесса в сочетании с высоким качеством поверхностей реза. Легкое и сравнительно простое управление лазерным излучением позволяет осуществлять лазерную резку по сложному контуру плоских и объемных деталей и заготовок с высокой степенью автоматизации процесса. Кратко рассмотренные особенности лазерной резки наглядно демонстрируют несомненные преимущества процесса по сравнению с традиционными методами обработки.

Лазерная резка относится к числу первых технологических применений лазерного излучения, апробированных еще в начале 70-х годов. За прошедшие годы созданы лазерные установки с широким диапазоном мощности (от нескольких десятков ватт до нескольких киловатт), обеспечивающие эффективную резку металлов с использованием вспомогательного газа, поступающего в зону обработки одновременно с излучением лазера. Лазерное излучение нагревает, плавит и испаряет материал по линии предполагаемого реза, а поток вспомогательного газа удаляет продукты разрушения.

Цель работы: изучить материал для лазерной резки

Задачи работы: найти материал для работы, выбрать нужный материал для нашего реферата.

Описание процесса лазерной резки

Сущность процесса

При лазерной резке нагревание и разрушение участка материала осуществляется с помощью лазерного луча.

В отличие от обычного светового луча для лазерного луча характерны такие свойства как направленность, монохроматичность и когерентность.

За счет направленности энергия лазерного луча концентрируется на относительно небольшом участке. Так, по своей направленности лазерный луч в тысячи раз превышает луч прожектора.

Лазерный луч по сравнению с обычным светом является монохроматичным, т. е. обладает фиксированной длиной волны и частотой. Это облегчает его фокусировку оптическими линзами.

Лазерный луч имеет высокую степень когерентности - согласованного протекания во времени нескольких волновых процессов. Когерентные колебания вызывают резонанс, усиливающий мощность излучения.

Благодаря перечисленным свойствам лазерный луч может быть сфокусирован на очень маленькую поверхность материала и создать на ней плотность энергии, достаточную для нагревания и разрушения материала (например, порядка 108 Вт/см2 для плавления металла).

Технология лазерной резки металла

Воздействие лазерного излучения на металл при разрезании характеризуется общими положениями, связанными с поглощением и отражением излучения, распространением поглощенной энергии по объему материала за счет теплопроводности и др., а также рядом специфических особенностей.

В области воздействия лазерного луча металл нагревается до первой температуры разрушения - плавления. С дальнейшим поглощением излучения происходит расплавление металла, и фазовая граница плавления перемещается в глубь материала. В то же время энергетическое воздействие лазерного луча приводит к дальнейшему увеличению температуры, достигающей второй температуры разрушения - кипения, при которой металл начинает активно испаряться.

Таким образом, возможны два механизма лазерной резки - плавлением и испарением. Однако последний механизм требует высоких энергозатрат и осуществим лишь для достаточно тонкого металла. Поэтому на практике резку выполняют плавлением. При этом в целях существенного сокращения затрат энергии, повышения толщины обрабатываемого металла и скорости разрезания применяется вспомогательный газ, вдуваемый в зону реза для удаления продуктов разрушения металла. Обычно в качестве вспомогательного газа используется кислород, воздух, инертный газ или азот. Такая резка называется газолазерной.

Рисунок. Схема лазерной резки

Например, кислород при газолазерной резке выполняет тройную функцию:

вначале содействует предварительному окислению металла и снижает его способность отражать лазерное излучение;

затем металл воспламеняется и горит в струе кислорода, в результате выделяется дополнительная теплота, усиливающая действие лазерного излучения;

кислородная струя сдувает и уносит из области резки расплавленный металл и продукты его сгорания, обеспечивая одновременный приток газа непосредственно к фронту реакции горения.

В зависимости от свойств разрезаемого металла применяются два механизма газолазерной резки. При первом значительный вклад в общий тепловой баланс вносит теплота реакции горения металла. Такой механизм резки обычно используется для материалов, подверженных воспламенению и горению ниже точки плавления и образующих жидкотекучие оксиды. Примерами могут служить низкоуглеродистая сталь и титан.

При втором механизме резки материал не горит, а плавится, и струя газа удаляет жидкий металл из области реза. Данный механизм применяется для металлов и сплавов с низким тепловым эффектом реакции горения, а также для тех, у которых при взаимодействии с кислородом образуются тугоплавкие оксиды. Например, легированные и высокоуглеродистые стали, алюминий, медь и др.

Рисунок. Схемы подачи вспомогательного газа в зону резки

Типы лазеров

лазерный резка металл газ

Лазер, как правило, состоит из трех основных узлов:

· источника энергии (механизма или системы накачки);

· оптического резонатора (системы зеркал), обеспечивающего усиление вынужденного излучения активного тела.

Для резки обычно применяются следующие типы лазеров:

твердотельные и газовые - с продольной либо поперечной прокачкой газа, щелевые, а также газодинамические.

В осветительной камере твердотельного лазера размещаются лампа накачки и активное тело, представляющее собой стержень из рубина, неодимового стекла (Nd-Glass) или алюмо-иттриевого граната, легированного иттербием (Yb-YAG) либо неодимом (Nd-YAG). Лампа накачки создает мощные световые вспышки для возбуждения атомов активного тела. По торцам стержня расположены зеркала - частично прозрачное (полупрозрачное) и отражающее. Лазерный луч усиливается в результате многократных отражений внутри активного тела и выходит через частично прозрачное зеркало.

Рисунок. Схема твердотельного лазера

Серийные твердотельные лазеры имеют сравнительно небольшую мощность, как правило, не превышающую 1-6 кВт. Длина волны - около 1 мкм (рубинового лазера - около 694 нм). Режим излучения может быть как непрерывным, так и импульсным.

В газовых лазерах в качестве активного тела применяется смесь газов, обычно углекислого газа, азота и гелия. В лазерах с продольной прокачкой газа смесь газов, поступающих из баллонов, прокачивается с помощью насоса через газоразрядную трубку. Электрический разряд между электродами, подключенными к источнику питания, используется для энергетического возбуждения газа. По торцам трубки размещены отражающее и полупрозрачное зеркала.

Более компактными и мощными являются лазеры с поперечной прокачкой газа. Их общая мощность может достигать 20 кВт и выше.

Рисунок. Схемы лазеров с продольной и поперечной прокачкой газа

Весьма эффективны щелевые CO2-лазеры. Они имеют еще меньшие габариты, а мощность их излучения обычно составляет 600-8000 Вт. Режим излучения - от непрерывного до частотно-импульсного.

Рисунок. Схема щелевого лазера

В щелевом лазере применяется поперечная высокочастотная накачка активной среды (с частотой от десятков МГц до нескольких ГГц). Благодаря такой накачке увеличивается устойчивость и однородность горения разряда. Щель между электродами составляет 1-5 мм, что способствует эффективному отводу тепла от активной среды.

Наиболее мощные лазеры - газодинамические (100-150 кВт и выше). Газ, нагретый до температуры 1000-3000 К, протекает со сверхзвуковой скоростью через сопло Лаваля (суженный посередине канал), в результате чего он адиабатически расширяется и охлаждается в зоне оптического резонатора. При охлаждении возбужденных молекул углекислого газа происходит испускание когерентного излучения. Накачка лазера может осуществляться вспомогательным лазером или другим мощным источником энергии.

Рисунок. Схема газодинамического лазера

Длина волны излучения углекислотных лазеров составляет 9,4 или 10,6 мкм.

Твердотельные лазеры плохо обрабатывают неметаллы, поскольку ряд таких материалов полностью или частично прозрачен для излучения с длиной волны около 1 мкм, например, оргстекло. Лазерный луч более чувствителен к неровной поверхности обрабатываемого материала. Однако при раскрое алюминиевых сплавов, меди и латуни твердотельные лазеры имеют преимущество по сравнению с углекислотными, поскольку поглощение излучения поверхностью этих металлов значительно выше на длине волны твердотельного лазера.

Углекислотные лазеры более универсальны и применяются для обработки почти любых металлов и неметаллов. Кроме того, у них очень низкая расходимость луча, что дает возможность разместить источник излучения далеко от зоны обработки без потери качества луча.

Лазерная резка алюминия и его сплавов

Для разрезания металлов в основном требуется мощность лазера от 450-500 Вт и выше, для цветных металлов - от 1кВт и выше.

Для лазерной резки алюминия и его сплавов, меди и латуни требуется излучение более высокой мощности, что обусловлено следующими факторами:

низкой поглощательной способностью этих металлов по отношению к лазерному излучению, особенно с длиной волны 10,6 мкм углекислотного лазера, в связи с чем твердотельные лазеры более предпочтительны;

высокой теплопроводностью этих материалов.

Обработка малых толщин может выполняться в импульсном режиме работы лазера, что позволяет уменьшить зону термического воздействия, а больших толщин - в микроплазменном режиме. Плазмообразующими являются пары легко ионизируемых металлов - магния, цинка и др. Под действием лазерного луча в области реза образуется плазма, нагревающая металл до температуры плавления и плавящая его.

Воздушно-плазменная резка алюминия, как правило, используется в качестве разделительной при заготовке деталей для их последующей механической обработки. Хорошее качество реза обычно достигается лишь для толщин до 30 мм при силе тока 200 А.

При разрезании алюминия применяется вспомогательный газ с давлением более 10 атм. Структура торцевой поверхности реза - пористая с легко удаляемым гратом на нижней кромке реза. С повышением толщины металла качество торцевой поверхности реза ухудшается.

При резке латуни торцевая поверхность реза обладает пористой шероховатой структурой с легко удаляемым гратом в нижней части реза. С возрастанием толщины металла качество торцевой поверхности реза ухудшается.

Таблица. Характерные толщины разрезаемых листов при мощности лазера P = 5 кВт.

Лазерную резку используют для раскроя листовых материалов, чаще всего – металлов. Одно из ее главных отличий – возможность изготовления деталей со сложным контуром.

Сущность лазерной резки металла

Лазерная резка металла, как понятно из ее названия, выполняется при помощи луча лазера, получаемого при помощи специальной установки. Свойства такого луча позволяют фокусировать его на поверхности небольшой площади, создавая при этом энергию, характеризующуюся высокой плотностью. Это приводит к тому, что любой материал начинает активно разрушаться (плавиться, сгорать, испаряться и т.д.).

Станок лазерной резки металла, к примеру, позволяет концентрировать на поверхности обрабатываемого изделия энергию, плотность которой составляет 108 Ватт на один квадратный сантиметр. Для того чтобы понять, как удается добиться такого эффекта, необходимо разобраться, какими свойствами обладает лазерный луч:

• Лазерный луч, в отличие от световых волн, характеризуется постоянством длины и частоты волны (монохроматичность), что и позволяет легко фокусировать его на любой поверхности при помощи обычных оптических линз.
• Исключительно высокая направленность лазерного луча и небольшой угол его расходимости. Благодаря такому свойству на оборудовании для лазерной резки можно получить луч, отличающийся высокой фокусировкой.
• Лазерный луч обладает еще одним очень важным свойством – когерентностью. Это значит, что множество волновых процессов, протекающих в таком луче, полностью согласованы и находятся в резонансе друг с другом, что в разы увеличивает суммарную мощность излучения.

Процессы, происходящие при резке металла с использованием лазера, хорошо заметны на приведенных в статье видео. При воздействии луча на поверхность металла происходит быстрое нагревание и последующее расплавление подвергаемой обработке площади.

Быстрому распространению зоны плавления вглубь обрабатываемого изделия способствуют несколько факторов, в том числе и теплопроводность самого материала. Дальнейшее воздействие лазерного луча на поверхность изделия приводит к тому, что температура в зоне контакта доходит до точки кипения и обрабатываемый материал начинает испаряться.

Процесс лазерной резки в схематичной форме

Лазерную резку металла может выполняться двумя способами:

• плавлением металла;
• испарением обрабатываемого металла.

Для того чтобы выполнить резку металла методом испарения, требуется большая мощность оборудования и, как следствие, значительные энергозатраты, что не всегда целесообразно с экономической точки зрения. Ограничивают использование такого метода и строгие требования к толщине обрабатываемых изделий. Именно поэтому данный метод используют только для резки тонкостенных деталей.

Значительно большее распространение получила лазерная резка металла методом плавления. В последнее время лазерную резку методом плавления все чаще проводят с использованием газов (кислород, азот, воздух, инертные газы), которые с помощью специальных установок вдувают в зону реза (видео этого процесса можно легко найти в Сети).

Такая технология позволяет снизить энергозатраты, повысить скорость работы, использовать оборудование небольшой мощности для резки металла большой толщины. Конечно, это нельзя считать лазерной резкой в чистом виде, правильнее будет называть его газолазерной технологией.

Лазерная резка стали 10мм

Использование кислорода в качестве вспомогательного газа при выполнении лазерной резки позволяет одновременно решить такие важные задачи, как:

• активизация процесса окисления металла (это позволяет снизить его отражающую способность);
• повышение тепловой мощности в зоне реза (поскольку металл в среде кислорода горит более активно);
• выдувание из зоны реза мелких частиц металла и продуктов сгорания кислородом, подаваемым под определенным давлением (это облегчает приток газа в зону обработки).

Виды лазерной резки

Лазерные установки состоят из трех основных частей:

1. Рабочей (активной) среды. Она является источником лазерного излучения.
2. Источника энергии (системы накачки). Он создает условия, при которых начинается электромагнитное излучение.
3. Оптического резонатора. Система зеркал, усиливающих лазерное излучение.

По типу рабочей среды лазеры для резки делят на три вида:

1. Твердотельные. Их основным узлом является осветительная камера. В ней находятся источник энергии и твердое рабочее тело. Источником энергии служит мощная газоразрядная лампа-вспышка. В качестве рабочего тела используют стержень из неодимового стекла, рубина или алюмо-иттриевого граната, легированного неодимом или иттербием. По торцам стержня устанавливают два зеркала: отражающее и полупрозрачное. Лазерный луч, излучаемый рабочим телом, многократно отражается внутри него, усиливается в ходе отражений и выходит через полупрозрачное зеркало.

К твердотельному виду относятся и волоконные лазеры. В них излучение усиливается в стекловолокне, а источником энергии служит полупроводниковый лазер.

Так устроен твердотельный лазер

Для понимания механизма работы лазера можно рассмотреть установку с рабочим телом в виде стержня из граната, легированным неодимом. Ионы последнего и служат активными центрами. Поглощая излучение газоразрядной лампы, ионы переходят в возбужденное состояние, то есть у них появляется излишек энергии.

Ионы возвращаются в исходное состояние и отдают энергию в виде фотона – электромагнитного излучения или по-другому света. Фотон вызывает переход в обычное состояние других возбужденных ионов. В итоге процесс нарастает лавинообразно. Зеркала способствуют движению луча в определенном направлении. Многократно возвращая фотоны в рабочее тело при отражении, они способствуют образованию новых фотонов и усилению излучения. Его основные характеристики – малая расходимость луча и высокая концентрация энергии.

1. Газовые. В них рабочим телом является углекислый газ или его смесь с азотом и гелием. Газ прокачивается насосом через газоразрядную трубку. Он возбуждается с помощью электрических разрядов. Для усиления излучения устанавливают отражающее и полупрозрачное зеркало. В зависимости от особенностей конструкции такие лазеры бывают с продольной и поперечной прокачкой, а также щелевые.

Так устроен газовый лазер с продольной прокачкой

1. Газодинамические. Эти лазеры самые мощные. В них рабочим телом является углекислый газ, нагретый до 1 000–3 000 °К (726–2726 °С). Он возбуждается с помощью вспомогательного маломощного лазера. Газ со сверхзвуковой скоростью прокачивается через суженный посередине канал (сопло Лаваля), резко расширяется и охлаждается. В результате его атомы переходят из возбужденного в обычное состояние и газ становится источником излучения.

Схема работы газодинамического лазера

Преимущества и недостатки технологии

Еще недавно лазерная резка была в диковинку. Сегодня это распространенный в Украине метод обработки металла. Причина популяризации технологии – важные достоинства, которыми она обладает. Разумеется, не обошлось и без недостатков. Рассмотрим обе стороны медали.

Плюсы

Минусы

• Дорогое оборудование. Установки для лазерной резки – недешевая техника. Ранее их могли позволить себе лишь единицы. Сегодня цены пошли на спад, но все равно для большинства производств такое оснащение является недоступным. Хотя этот недостаток частично нивелируется в процессе использования установки: о ее экономности было упомянуто выше.
• Наличие ограничения по толщине листа металла. Оборудование не справляется с материалами толще 20 мм. Это ограничение объясняется особенностями лазерного луча и не зависит от установки, которую вы используете для резки.
• Отсутствие возможности обрабатывать металлы с отражающими свойствами: например, алюминий в чистом виде. Лазер – это поток частиц, который может быть отражен. Если вам предстоит обрабатывать такой металл, используйте механические технологии резки.
• Низкий коэффициент полезного действия. У оборудования для лазерной резки металла этот показатель находится на уровне 15%. Этот недостаток сказывается на обработке материала толще 12 мм. Тратится больше энергии и времени.
• Риск выхода из строя программного обеспечения. Даже если главные элементы установки будут исправно работать, при программном сбое оборудование не сможет корректно выполнять работу. ПО у современной техники надежное, но все же этот условный недостаток нельзя списывать со счетов.

Современные лазерные комплексы

Мировая станочная индустрия идет в ногу со временем и предлагает своим потребителям самое разнообразное оборудование для лазерной резки металла. Многокоординатные аппараты призваны заменить шумные и низко производительные механические резаки. Мощность лазера зависит от специфики производства и экономического обоснования выбранного агрегата.

Новое поколение прецизионных обрабатывающих станков с ЧПУ позволяют проводить обработку материалов с точностью до 0,005 мм. Площадь обработки некоторых моделей лазерных установок достигает нескольких квадратных метров. Большим достоинством является минимизация человеческого фактора, заключающаяся в высокой автоматизации производственного процесса.

Геометрия детали задается в программный блок, осуществляющий управление лазером и рабочим столом с заготовкой. Системы настройки фокуса автоматически выбирают оптимальное расстояние для эффективного резания. Специальные теплообменники регулируют температуру лазерной установки, выдавая оператору контрольные данные текущего состояния инструмента.

Лазерный станок оснащается клапанными механизмами для подключения газобаллонного оборудования, чтобы обеспечить подачу вспомогательных газов в рабочую зону. Система дымоулавливания призвана оптимизировать расходы на вытяжную вентиляцию, включая её непосредственно в момент обработки. Область обработки полностью экранируется защитным кожухом для безопасности обслуживающего персонала.

Лазерная резка листового металла на современном оборудовании превращается в легкий процесс задания числовых параметров и получения на выходе готовой детали. Производительность оборудования напрямую зависит от параметров станочного комплекса и квалификации оператора, создающего программный код. Технология лазерной резки металлов гармонично вписывается в концепцию роботизированного производства, призванного полностью освободить человека от тяжелого труда.

Производители предлагают различные типы лазерных станков: универсальные и специализированные. Стоимость первых на порядок больше, но они позволяют производить несколько операций и выпускать детали более сложной формы. Большое количество рыночных предложений дает возможность выбора для заинтересованных потребителей.

Назначение и критерии выбора лазерной резки

Лазерную резку используют для обработки не только металлов, но и резины, линолеума, фанеры, полипропилена, искусственного камня и даже стекла. Она востребована при изготовлении деталей для различных приборов, электротехнических устройств, сельскохозяйственных машин, судов и автомобилей. Такой способ раскроя материала используют для получения жетонов, трафаретов, указателей, табличек, декоративных элементов интерьера и многого другого.

Основной критерий выбора вида лазерной резки – тип обрабатываемого материала. Так, углекислотные лазеры подходят для резки, гравировки, сварки разных материалов – металла, резины, пластика, стекла.

Твердотельные волоконные установки оптимальны при раскрое латунных, медных, серебряных или алюминиевых листов, но не подходят для неметаллов.

Резка тонколистового металла

Лучше всего с помощью технологии лазерной резки обрабатывается тонколистовой металл. Чем меньше толщина материала, тем легче лазерному лучу с ним справляться. Опыт показывает, что свои лучшие качества оборудование проявляет при обработке металла толщиной до 6 мм. Лазерный луч моментально расплавляет тонкий лист, что обеспечивают очень высокую скорость обработки материала. Это может быть металл из алюминиевого сплава, медь, свинец, жесть.

Важно, что при разрезании тонколистового металла можно использовать маломощные агрегаты для лазерной резки. Подходят и вышеупомянутые твердотельные модели, которые неэффективны при обработке толстых листов. Следовательно, если вы планируете проводить резку тонколистового металла, вы можете сэкономить на оборудовании.

Заключение

Лазерная резка – это современная альтернатива механическим технологиям обработки металла. Она более удобна, экономна и предоставляет больше возможностей для реализации проектов. Принцип работы лазерной установки прост, в чем вы могли убедиться выше. Все делает лазер, который за считанные мгновения ровно разрезает лист металла.

Перед тем, как отдать предпочтение этой технологии, внимательно ознакомьтесь с недостатками, описанными выше. Если вы планируете обрабатывать толстые металлические листы, сразу откажитесь от данной затеи. 20 мм и не более. Если же речь идет о тонких листах, этот метод полностью оправдает ваши ожидания. Как бы там ни было, перед покупкой установки пообщайтесь с профессионалом. Ответственно подойдите к данному вопросу, ведь установка для лазерной резки стоит немалых денег.

Кол-во блоков: 8 | Общее кол-во символов: 14807
Количество использованных доноров: 4
Информация по каждому донору:

Лазерное оборудование для резки по металлу используется в самых разных сферах промышленности: в машиностроении, металлургии и изготовлении мебели. Такая популярность объясняется тем, что оно позволяет создавать детали усложненной формы с повышенным уровнем точности. О подобном оборудовании и пойдет речь в нашей статье.

Конструкция и принцип работы

Лазерные резаки для металла выполняют три основные функции:

• гравировка: нанесение картинки, текста и даже фотографии на металлическую поверхность;
• лазерная резка;
• криволинейный раскрой.

Во всех случаях формируется шаблон, по которому модуль числового программного управления задает параметры реза. В результате выходит идеально точное изделие.

Главным преимуществом работы лазерных станков является высокая производительность: за сравнительно небольшой период времени можно обработать большое количество изделий.

Конструкция любого лазерного резчика предусматривает несколько блоков:

• излучатель — отвечает за генерацию потока фотонов либо узконаправленного лазерного импульса;
• блок перемещения газа — предназначается для выдува раскаленного металла из рабочей зоны и охлаждения излучателя;
• привод — применяется для перемещения излучателя по обрабатываемой поверхности;
• рабочий раскроечный стол — именно на нем размещается заготовка, при этом стол может быть сменным;
• модуль ЧПУ/АСУ.

Принцип работы таких станков базируется на генерации лазерной трубкой узкого луча, выполняющего обработку металла. В результате контакта луча с поверхностью обрабатываемого материала возникает высокотемпературное воздействие, оно и позволяет выполнять гравировку или резку металла. При этом поток газовой смеси выдувает слой расплавленного материала, благодаря чему обеспечивается рез высокого качества. Такие станки могут использоваться для работы со всеми типами листовых сталей, а также с цветными металлами и их сплавами.

Описание видов

Суть работы любого лазерного резчика состоит в фокусировке узконаправленного луча, в результате которой энергия концентрируется на поверхности обрабатываемого материала. Диаметр такого луча не превышает десятых долей миллиметра, благодаря чему обеспечивается минимальная толщина реза. Ход расплавления и последующая трансформация структуры металла происходят как следствие доведения мощностных характеристик лазерного луча до определённых параметров. В зависимости от механизма работы выделяют четыре основные разновидности таких станков.

Газовые

Лазерная резка металла может осуществляться в кислородной или азотной среде, выбор зависит от особенностей металла, подлежащего обработке. Так, в результате кислородного воздействия запускаются экзотермические реакции, тепловая энергия которых позволяет выполнять рез довольно толстых листов из низколегированной и углеродистой стали.

Не рекомендуется резать в кислороде гальванически покрытые либо оцинкованные поверхности. В этом случае срез получается неровным, к тому же возрастает риск образования окалины. При резке нержавеющей или высоколегированной стали нежелательно допускать окисление места среза. Именно поэтому при работе с такими металлами востребованы инертные газы, чаще всего азот.

Также азот применяется в случаях, когда впоследствии срезы будут окрашиваться. Если использовать кислород, то окисление металла приведет к снижению качества колеровки.

Для резки алюминия можно использовать любую газовую среду. А вот для работы с титановыми сплавами нельзя использовать ни тот, ни другой, поскольку оба газа начинают абсорбироваться металлической поверхностью и образуют ломкий слой. Для этого материала предпочтение стоит отдавать лазерным устройствам, работающим в среде гелия или высокоочищенного аргона.

В целом же любые газовые лазерные резаки дают максимальную волну излучения, поэтому они востребованы при обработке листового проката максимальной толщины.

Оптоволоконные

Высокую эффективность и производительность оборудования обеспечивают оптоволоконные лазерные устройства, они часто реализуются в виде мини-станков. Имеют следующие преимущества.

• Высокое качество луча. Линия реза более тонкая, а пятно имеет меньший размер, что в целом повышает эффективность работы.
• Высокая скорость резки. В сравнении с газовыми она больше в два раза.
• Долговечность. Применение профессионального волоконно-оптического лазера позволяет обеспечить стабильную производительность до 100 тысяч часов работы оборудования.
• Повышенная эффективность. Результативность фотоэлектрического преобразования при оптоволоконной резке соответствует 30%, а это в 2-3 раза больше, чем при проведении лазерной резки в газовой среде.
• Низкая себестоимость использования. Потребляемая мощность оптоволоконных установок не превышает 30% от лазерной резки в газовой среде.
• Минимальные расходы на техобслуживание. Отсутствие необходимости в отражающих объективах позволяет сэкономить немало средств на обслуживании станка.
• Эксплуатация такого оборудования не составляет особой сложности. Благодаря передаче оптического волокна отсутствует необходимость в настройках параметров оптического пути.

Диодные

Основным рабочим элементом диодного лазерного резака является излучатель в виде полупроводникового кристалла, сформированного как оптический резонатор. Помимо диода, в состав такого лазера входит специализированное устройство для питания от сети переменного тока. Это позволяет варьировать параметры выходного излучения.

Также конструкция предусматривает датчик контроля температуры и оптическое приспособление, позволяющие многократно повысить монохроматичность луча.

Однако лазер диодного типа существенно проигрывает газовым и оптоволоконным по параметрам когерентности. Фокусировка даёт большую расходимость, поэтому невозможно сконцентрировать энергию в максимальном объеме. Единственное преимущество такого оборудования заключается в сравнительной дешевизне относительно всех других моделей.

Твердотельные

Принцип работы твердотельного лазера напоминает газовый. Но у него есть и свои особенности. В отличие от газовой среды, здесь используется активная среда твердых форм. Как правило, это кристаллы и различные стёкла, которые активируются при контакте с редкоземельными элементами. Такие лазеры характеризуются повышенной эффективностью, при этом ряд моделей имеет довольно компактные размеры. Эти резаки вырабатывают лучи, длина волны которых позволяет успешно работать с металлами разных видов и толщины.

Популярные производители

На сегодняшний день на рынке представлены лазерные резаки по металлу от самых разных производителей. Среди иностранных компаний на отечественном рынке большой популярностью пользуется продукция заводов, расположенных на территории европейских стран, США, а также в Японии и Тайваня:

• Trumpf (Германия);
• Schuler (Германия);
• Trotec (Австрия);
• Farley Laserlab (Австралия);
• GCC (Тайвань).

Кроме того, большую долю рынка занимает продукция китайского производства. Мнение о ней неоднозначное, многие сомневаются в ее качестве. Тем не менее, некоторые бренды, производственные мощности которых располагаются на территории Китая, работают по швейцарской технологии и под строгим контролем со стороны заказчика. Они производят лазерные станки с исключительно высокими технико-эксплуатационными характеристиками. К таким компаниям относят:

Как свидетельствует практика, качество российских резаков оставляет желать лучшего и не дотягивает до станков зарубежных компаний. Однако это в полной мере компенсируется их низкой ценой.

Нюансы выбора

При выборе лазерного резака по металлу необходимо обращать внимание на следующие характеристики.

• Ассортимент материалов. В первую очередь, необходимо учитывать специфику предприятия. Важно уточнить, из чего сделаны детали, подлежащие резке и какова их толщина. Эти факторы следует сопоставить с техническими данными станка, размером рабочего поля и рабочими параметрами оборудования.
• Мощность. Средняя мощность всех лазерных станков на сегодняшний день варьируется в диапазоне от 500 до 6000 Вт. Если вы планируете резать металлические листы толщиной менее 6 мм, будет достаточно лазерного резчика мощностью 500-700 Вт. Для работы с более толстым материалом нужно выбрать станки с максимальной мощностью.
• Оснастка. Если речь идет об оптоволоконных станках, необходимо обратить внимание на расходные материалы: серводвигатели, направляющие, режущие головки, химеры и прочие. Качество и функциональность этих компонентов оказывают воздействие на точность и скорость лазерной резки. Некоторые недобросовестные производители комплектуют оборудование не оригинальными компонентами, а их аналогами в целях снижения себестоимости. Это может ввести в заблуждение покупателя. Поэтому информацию о происхождении расходников нужно уточнять заранее.
• Качество оборудования. В последние годы наметилась тенденция к сокращению производственного цикла на большинстве предприятий. Многие фирмы, особенно недавно появившиеся на рынке, не уделяют достаточного внимания тестированию своих лазерных резаков перед поставкой клиенту и не производят контроль качества работы оборудования. Поэтому при выборе станка очень важно обращать внимание на наличие у производителя служб тестирования и предпродажной подготовки.
• Сервисное обслуживание. При подборе оборудования предпочтение лучше отдавать станкам тех производителей, сервисные службы которых представлены в регионе использования. В противном случае любые изъяны в ходе эксплуатации приведут к долговременному ремонту и, соответственно, производственным простоям.

Применение

Станки для лазерной резки металла являются универсальными. Причем это касается как используемых материалов, так и широты производственных возможностей. В частности, на них можно производить резку и гравировку металлов.

Наиболее частым вариантом применения лазерного оборудования считается раскрой материала. Станки, в которых основным режущим инструментом является лазер, широко распространены в металлообработке. Они позволяют изготавливать:

• отдельные элементы внутренних и наружных рекламных конструкций;
• конструкторы и пазлы из металла;
• предметы декора;
• детали для авто- и авиамоделирования;
• сувениры.

Гравировка металлических изделий при помощи лазера может превратить самую простую вещь в бесценный подарок. Наиболее четкой получается гравировка с использованием лазерного луча. Наносимые в такой технике изображения имеют безграничный срок годности, им не страшны истирания, воздействия кислотно-щелочных растворов, воды, ультрафиолета и перепадов температур.

При помощи лазера, управляемого компьютером, можно получить изображение с максимальной детализацией. Зачастую на металлических поверхностях создают затейливые узоры и даже воспроизводят фотографии.

Чаще всего лазерный резак используют для гравировки зажигалок, портсигаров, ювелирных украшений, холодного и стрелкового оружия, а также предметов декора.

При помощи лазерного луча гравировать можно не только плоские, но также и выпуклые поверхности. В этом случае к движку станка подключается специализированный механизм фиксации заготовки. Вращение двигателя передается обрабатываемому изделию, оно начинает перемещаться с заданной скоростью и лазерный луч наносит изображение со всех сторон.

Лазерная резка – технология, получившая применение при обработке и разделении слоистых материалов, композитов, дерева, металла, горных пород, бумаги, полимерных пленок, керамики и пр. Она используется везде, где требуется высокая точность работ при минимальном механическом напряжении. Процесс лазерной резки предполагает быстрый локальный нагрев поверхности сфокусированным лучом лазера, вызывая плавление и испарение материала. Работы проводятся без механического контакта инструмента с обрабатываемым материалом. При этом создается высокая концентрация энергии, что позволяет обрабатывать изделия из материалов любой твердости. Также лазерной резкой сверлят отверстия, наносят риски, пазы, дорожки.

Лазерная резка: виды

К резке лазерным лучом относят несколько методов:

1. Разделение. Предполагает сквозную резку материала. Позволяет получать отдельные детали заданной конфигурации.
2. Термораскалывание. В месте обработки лазер создает повышенное термическое напряжение. Подходит для работ с хрупкими материалами.
3. Скрайбирование. Метод используется при работах с полупроводниками, керамикой, ситалловыми подложками. Обеспечивает их быстрое и качественное разделение.

Первые две технологии относятся к процессам непрерывного действия. При скрайбировании зачастую применяют лазеры импульсного или импульсно-периодического типа.

Выбирая метод резки лазером, во внимание принимают вид обрабатываемого материала, его толщину, требуемый уровень качества.

Преимущества и недостатки лазерной резки

К преимуществам резки лазером относят:

• возможность обработки любых материалов: лазер разрезает лист стали, толщиной до 40 см;
• высокая автоматизация процесса, позволяющая получать контуры сложных пространственных форм;
• узкий рез, который обеспечивается локальным нагревом поверхности;
• отсутствие механического воздействия, что позволяет обрабатывать тонкие, хрупкие, легко деформируемые материалы;

• высокая производительность процесса: скорость резки около 25 м/мин;
• возможность точно контролировать температуру нагрева, что повышает качество работ;
• выполнение как плоской (2D), так и трехмерной 3D резки.

Технология нашла широкое применение при резке сложных контуров и мелких деталей, что также является ее преимуществом. К недостаткам лазерной резки можно отнести дорогую стоимость оборудования и высокое энергопотребление.

Параметры качества лазерной резки металлов

Система лазерной резки – это уникальная точность и высокое качество выполнения работ на высоких скоростях. Параметры процесса резки лазером зависят от следующих критериев:

• марка стали;
• толщина изделия;
• мощность излучения лазера;
• требования к чистоте реза;
• газ, используемый в работе.

Данные параметры нормируются. Зачастую место прожига выносится за пределы вектора резки в программе станка, наделенной повышенной гибкостью настроек. При неправильном подборе скорости процесса, некорректно выставленном фокусном расстоянии, неверной скорости и мощности источника излучения качество работ заметно снизится.

Технология лазерной резки металла

• Испарение.
• Плавление.
• Термораскалывание.
• Термохимическое воздействие.

Испарение

Характеризуется поглощением лазерного излучения, вследствие чего его энергия передается поверхности. Локальное повышение температуры до точки кипения происходит настолько быстро, что жидкий материал не успевает скопиться. Неметаллические материалы со сложным химическим строением разрушают методом возгонки. По мере возрастания температуры будут разделяться отдельные компоненты. Внутреннее кипение при определенной длине волны – особенности лазерной резки частично прозрачных материалов.

Один их этапов испарения – образование эрозионного факела. Предполагается удаление с поверхности пара струей, которая подается с околозвуковой скоростью. Поток также захватывает сконденсировавшиеся капли, продукты эрозии со стенок и дна каналов. В результате этого процесса, сопровождающегося повышением температуры, возникает термомеханическое напряжение и волны давления, которые и вызывают разрушение материала.

Следующий этап – экранирование поверхности. Выход пара из зоны обработки приведет к снижению плазмообразования, что повлечет за собой уменьшение интенсивности излучения. Также оно будет рассеиваться на твердых частичках и конденсате. Если совпадет частота колебаний молекул газа и лазерного луча, будет наблюдаться резонансное поглощение. Задача экранировки состоит в том, чтобы обеспечить оптимальную мощность излучающего потока. Ту, при которой удельный выброс массы будет максимальным.

В итоге устанавливается автоколебательный режим испарения, носящий самосогласованный пульсирующий характер. Данный процесс сопровождается высокими удельными энергозатратами. Применяется для сверления отверстия, скрайбирования и гравирования.

Плавление

Процесс методом плавления происходит следующим образом:

1. Поверхность поглощает луч, приводя к испарению материала в зоне обработки. В результате образуется парогазовый канал.
2. Жидкий расплав скапливается на стенках каналов. Процесс аналогичен лазерной сварке с глубоким проплавлением.
3. Расплав удаляется из зоны обработки при помощи выплеска, выдувания вспомогательным газом или фонтанирования.

Используя лазеры для резки и эту технологию, обрабатывают металлы, горные породы, керамику, стекло и пр. Следует учесть, что некоторые пластики и минералы при таком излучении могут необратимо поменять свой химический состав. В определенных газовых средах нагрев лазером может дополнительно повысить тепловую энергию.В результате чего потребление энергоресурсов будет существенно снижено в сравнении с лазерной обработкой материалов методом испарения.

Термораскалывание

С использованием данной технологии разрезают лазером хрупкие материалы. Перепад температур в зоне выполнения работ приводит к появлению термоупругих напряжений, превышающих предел прочности изделия. В результате поверхность растрескивается. Распространением трещин можно управлять, корректируя режим работы луча. В сравнении с двумя предыдущими вариантами термораскалывание требует минимальных затрат мощности и энергии.

Термохимическое воздействие

Также лазерное излучение может оказывать и термохимическое воздействие на материал. Это обусловлено:

• локальным нагревом, сопровождающегося образованием частичек с внутренней энергией, превышающей ту, которая активизирует химические реакции;
• поглощением фотонов молекулой с ее последующим диссоциированием до уровня вступления в реакцию с другой молекулой (температура среды практически не меняется);
• появлением радиационно-химических процессов с образованием ионов, возбужденных частиц и радикалов;
• макроскопическим разогревом поверхности.

Лазерная резка с каждым годом становится всё более востребованным видом обработки материалов. Такие установки применяют как в промышленных масштабах при серийном производстве, так и для индивидуальных единичных проектов. Главное преимущество лазерного оборудования по сравнению с другими устройствами для механической обработки материалов - это высокая производительность.

И если еще совсем недавно купить лазерный станок могли позволить себе только крупные фабрики с массовым производством, то на сегодняшний день оборудование стало доступно гораздо более широкому кругу пользователей. На рынке появились лазерные аппараты в различном ценовом диапазоне, а доступные по стоимости мини станки могут применяться даже в домашних условиях или небольших частых мастерских.

Принцип работы и применение

Лазерный станок представляет собой устройство, позволяющее обрабатывать поверхность различных материалов с помощью энергии лазерного луча высокой температуры. В зависимости от выполняемых задач, настройки аппарата позволят осуществить выжигание верхнего слоя в определенном месте на изделии или нанести сквозной срез.

Конструктивно лазерное оборудование сходно с фрезерным, но по технологии работы они значительно отличаются. Прежде всего тем, что лазерные станки осуществляют бесконтактное воздействие на обрабатываемую деталь. Состоит оборудование из лазерных трубок, генерирующих излучение. Образовавшийся луч направляется на определенную точку заготовки и оставляет на ней гравировку или разрез, в зависимости от установленной программы.

Гравировальные лазерные станки наиболее высокоточное оборудование. С помощью него можно переносить на материалы изображения любой сложности. Такой метод обработки лазерным излучением применяется при производстве мебельной, сувенирной и рекламной продукции, а также для решения других задач, например, для изготовления упаковки и выполнения декоративно-прикладных работ. Гравировальный станок может нанести изображение на детали из различных материалов, наиболее популярные среди них - дерево, металл, пластик, бумага, фанера, картон.

Классификация

Все лазерные станки подразделяются в зависимости от следующих характеристик:

• габаритные размеры;
• тип управления;
• мощность.

По размеру устройства могут быть небольшими настольными или промышленными габаритными станками. И применяются соответственно для мелкосерийного или массового производства.

Управление лазерным станком осуществляется ручным способом или может контролироваться ЧПУ (программное управление). Автоматизированное оборудование ускоряет производственные процессы и значительно увеличивает производительность.

Мощность подбирается в зависимости от мягкости обрабатываемых материалов и масштабов производства.

_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _

Читайте также:

  
• Шан ян артхашастра доклад
  
• Животные из черной книги доклад морская корова
  
• Доклад директора школы подведение итогов работы школы
  
• Определение стратегии поведения в конфликтной ситуации доклад
  
• Доклад о девушках германия