Лазерното рязане на метали обикновено следва четириетапен процес, който става доста fascinerend, когато го разгледаме по-подробно. Цялата процедура започва с лазерен резонатор, който създава мощен лъч, който след това се усилва чрез смеси от CO2 газ или специални влакнени оптични кабели. Следващото нещо, което се случва, е доста забележително. Супер прецизни лещи концентрират този лъч до нещо по-малко от косъм, около 0,1 мм в диаметър. При тези интензивности плътността на мощността достига над 10 милиона вата на квадратен сантиметър, което е достатъчно, за да разтопи въглеродна стомана за половин милисекунда според последни изследвания, публикувани в списание Journal of Manufacturing Processes. За да се завърши работата, помощни газове като кислород или азот отстраняват разтопеното метално вещество, което позволява изключително тесни резове. Говорим за ширини на реза дори до 0,15 мм в стоманени листове с дебелина 3 мм.
Пет основни системи работят съвместно, за да осигурят прецизност и ефективност:
Тази интеграция осигурява скорости на рязане до 60 m/минута при мека стомана с дебелина 1 mm, като се поддържат допуски от ±0,05 mm – критично за високоточни компоненти в автомобилната и авиокосмическата индустрия.
Металообработващата индустрия днес работи предимно с три основни лазерни технологии: CO2, влакнени и базирани на кристални системи. CO2 лазерите обработват доста добре по-дебели неметални метали, тъй като използват газ за възбуждане. Влакнените лазери са поели голяма част от пазара за работа с тънки и средни по дебелина листове, тъй като усилват диодната светлина чрез оптични влакна. Според най-новите данни от Промишления лазерен доклад за 2024 година, влакнените лазери могат да прорязват неръждаема стомана с дебелина 3 мм с около два до три пъти по-голяма скорост в сравнение с традиционни CO2 системи. Кристалните лазери, включително Nd:YAG модели, се намират в много специфични ниши, например при рязане на титан, въпреки че тези системи вече не бележват особен ръст, предимно защото изискват много поддръжка и обслужване.
Влакнените лазери предлагат ясни предимства:
| Метрика за представяне | Оптичен лазер | Лазер CO2 |
|---|---|---|
| Скорост на рязане (1 мм стомана) | 25 м/мин | 8 m/min |
| Енергийни разходи/месец* | $1 200 | $3,500 |
| Потребление на газ за подпомагане | с 15% по-ниско | Стандарт |
*Въз основа на система от 500 kW, работа 24/5
За производители, обработващи метали с дебелина под 20 мм, влакнените лазери осигуряват възвръщаемост на инвестицията за 18–24 месеца чрез намалени консумативи и 94% време на готовност (Преглед на металообработката, 2024 г.). Докато системите с CO2 остават жизнеспособен избор за производствени цехове, работещи с различни материали, включително акрил или дърво, те консумират с 50–70% повече енергия на рязане на метал.
Лазерното рязане работи най-добре с метали, които провеждат топлина равномерно и абсорбират лазерната енергия с предвидими скорости. Материали като неръждаема стомана, алуминий, мека стомана, месинг и мед са в тази категория. Неръждаемата стомана се отличава, защото не се корозира лесно, което е причината да се използва често в медицински устройства и оборудване за хранителна промишленост, където чистотата е от значение. Лекотата на алуминия го е направила предпочитан материал за самолети и коли, където спестяването на унции води до реални по-добри резултати. Месингът и медта не се използват толкова често при лазерно рязане, но те имат важна роля в електрическите системи, въпреки затрудненията, които предизвикват. Тези метали обикновено отразяват лазерния лъч, така че операторите имат нужда от специално оборудване и техники, за да получат чисти резове без повреждане на заобикалящите области.
| Метален тип | Типичен диапазон на толщината | Основни области на приложение |
|---|---|---|
| Неръждаема стомана | 0.5–25 mm | Медицински устройства, оборудване за хранителна промишленост |
| Алуминий | 0.5–20 mm | Автомобилни панели, радиатори |
| Мед | 0.5–8 mm | Печатни платки, топлообменници |
При работа с материали от медь и бронз, възниква голям проблем, защото те отразяват повече от 90 процента от инфрачервената лазерна енергия. Това отражение може всъщност да повреди лазера, ако не се обработи правилно. Тук идват на помощ влакнестите лазери. Те работят по-добре в този случай, защото функционират на по-къса вълнова дължина около 1060 нанометра и притежават нещо, наречено адаптивна модулация на мощността, което помага за контрола на процеса. Вземете за пример рязането на медни плочи с дебелина 2 мм. Процесът изисква честота на импулсите над 500 Hz, както и подаване на азотен газ, за да се предотврати оксидацията по време на рязането. Въпреки че тези допълнителни стъпки изискват около 15 до 20 процента повече енергия в сравнение с рязането на стомана, повечето производители смятат, че компромисът си струва, за да се запази точността и да се предпазят скъпите инвестиции в оборудване.
Дебелината на обработвания материал има голямо значение за скоростта на рязане и използваната мощност по време на процеса. Например, при работа с 5 mm нисковъглеродна стомана, скорости от около 8 метра в минута дават добри резултати. Но когато се работи с по-дебела стомана, например от 20 mm, операторите трябва значително да забавят процеса до около 1.2 m/min, за да избегнат нежеланото огъване по ръбовете. Често се пренебрегва подготовката на повърхността. Ръжда или неравномерни покрития могат да отклонят лазерния лъч с до половин милиметър, което води до сериозни отклонения в размерите. Почистването на покритите повърхности преди започване на работата прави голяма разлика. Статистика от индустрията показва, че тази проста стъпка подобрява със около 30 процента качеството на рязане и намалява нежеланото образуване на шлака, което затруднява по-натъшната обработка.
Влакнестите лазери могат да режат материали със скорости приблизително три пъти по-големи от тези на традиционните CO2 системи, като при това запазват допуски в рамките на около 0.1 мм при трудни за обработка материали като неръждаема стомана и алуминиеви ламарини. Конструкцията с твърдо тяло на тези лазери осигурява около 30% по-големи икономии по отношение на енергопотреблението. Тази ефективност се превежда в по-чисти резове, където материалът по-скоро се топи, отколкото изгаря, а също така много по-малко топлина влияе на заобикалящите области. Ако разгледаме реални данни от производствени съоръжения в страната, компаниите съобщават икономии между 18 и 22 цента на детайл при производство на части от метали с дебелина под 25 мм. Не е чудно, че все повече цехове за обработка на ламарина преминават към влакнесто-лазерна технология за масово производство в днешни дни.
Едно голямо име в производството на автомобилни части успя да намали времето за производство на компоненти на шасито почти наполовина, след като преминаха към влакнести лазери с мощност 6 kW за работа с листове от въглеродна стомана с дебелина 2 до 8 mm. Впечатляващо е, че тези нови системи почти напълно елиминираха необходимостта от допълнителна обработка след рязане, тъй като осигуряват чисти резове без натрупване на шлака. Повърхностният финиш е около Ra 3.2 микрона, което е доста гладко. За производители, които се опитват да се справят със стегнати графици, този вид прецизност прави голяма разлика, особено в контекста на нарастващите изисквания към автомобилните производители за изпълняване на строгите спецификации за електрически превозни средства, където всяка грам важи, а допуските са изключително тесни.
Все повече компании в авиационната индустрия започват да използват влакнени лазери при работа с алуминиеви конструктивни елементи, като тези, използвани за ребра на крилете и секции на фюзелажи, произведени от сплав 7075-T6. Причината? Тези лазери работят на около 1070 nm дължина на вълната, което помага да се намалят проблемите с отразителната способност на материала. Това означава, че те могат да режат плочи с дебелина 10 мм постепенно със скорости около 15 метра в минута, като при това поддържат вариациите в дебелината под 0,5%. Следейки последните тенденции, почти 9 от 10 нови проекта за самолети днес всъщност включват някакъв вид компоненти от алуминий, изрязани с лазер. В резултат на това, достъпът до добри системи с влакнени лазери е станал едва ли не задължителен, ако производителите искат да отговарят на строгите изисквания на стандарта AS9100, който е общоприет в авиокосмическата индустрия.
Азотът служи като инертен поддържащ газ при налягане между 12 и 20 бара, за да се запази устойчивостта на материала срещу корозия. Когато това се случи, окисляването се предотвратява и се формират чисти ръбове, което прави тези части идеални за неща като медицински устройства или компоненти, използвани в хранителната промишленост. Нека разгледаме например неръждаема стомана от марка 304 с дебелина 6 мм. При използване на влакнест лазер с мощност 2 kW, работещ със скорост около 10 до 12 метра в минута, обикновено се наблюдава термично засегната зона, която не надвишава 0.1 мм. Според последни изследвания, публикувани в доклада Metal Fabrication Report 2024, използването на азот вместо методи, използващи кислород, може да намали разходите за допълнителна обработка с около една трета. Някои важни параметри, които трябва да се отбележат, са:
Високата отразяваща способност на алуминия (85–92% при дължина на вълната 1µm) изисква използването на импулсен лазерен режим, за да се предотврати отклонение на лъча. Влакнен лазер с мощност 4kW изрязва 8mm 6061-T6 алуминий със скорост 15 m/мин, използвайки компресиран въздух при налягане 6–8 bar. За управление на топлопроводимостта:
Този подход осигурява точност от ±0.05mm, което е идеално за прецизни компоненти като автомобилни батерийни касети.
Рязането с помощта на кислород е стандарт за въглеродна стомана над 3mm, където екзотермичната реакция увеличава скоростта на рязане с до 40%. За 10mm S355JR стомана при мощност 3kW скоростта достига 8–10 m/мин. Въпреки това, прекомерната оксидация може да създаде шлака от долната страна. Ефективни мерки за компенсиране включват:
За структурни компоненти като греди, хибридни методи, комбиниращи кислородно рязане с финални проходи с азот, помагат да се постигнат стандартите ISO 9013 относно размерната точност и качеството на ръба.
Лазерното рязане е прецизният процес, при който мощен лазерен лъч се използва за разтопяване, изгаряне или изпаряване на материала за рязане.
Влакънните лазери предлагат по-голяма прецизност, по-добра енергийна ефективност и по-ниски разходи за поддръжка в сравнение с CO2 лазерите.
Метали като неръждясваща стомана, алуминий, мека стомана, месинг и мед са подходящи за лазерно рязане поради топлопроводимостта им и способността им да абсорбират лазерна енергия.
Дебелината на материала влияе на скоростта на рязане и консумацията на енергия. По-дебелите материали често изискват по-бавни скорости на рязане, за да се предотврати деформация на ръба.
EN
Hot News
