Металға лазерлік кесу: кәсіби нұсқаулық

Лазерлік кесу қалай жұмыс істейді: металдарды өңдеу принциптері мен технологиясы

Лазерлік кесу дегеніміз не және ол металдарда қалай жұмыс істейді?

Лазерлік кесу металдың бетіне бағытталған жарықтың күшті сәулесі арқылы жүзеге асады, оны ериді немесе микрон деңгейіне дейін нақты буландырады. Процесс басталған кезде лазер генераторы фотондар шығарады, олар айналардан шағылады және линзалар арқылы өтіп, шамамен бір миллион ватт/шаршы сантиметрге дейінгі энергиялық концентрациямен өңделетін бөлшекке соғылады. Болат әдетте 1400-ден 1500 градус Цельсийге дейін ериді, сондықтан осыншалықты ыстық сәулелер соққан жерде кішігірім балқыту пулдарын тудырады. Тазалықты сақтау үшін өндірушілер жиі аймақ бойымен балқып шыққан материалды ұстап тұру үшін азот немесе оттегін үрлейді. Бұл операция кезінде физикалық жанасу болмайтын болғандықтан, бөлшектер кернеуден аз бұралады, сондықтан лазерлік кесу кішігірім деформациялар да маңызды болып табылатын автомобиль двигателдеріндегі немесе ұшақ бөлшектеріндегі күрделі пішіндерге өте сәйкес келеді.

Жоғары дәлдік пен нақтылықты қамтамасыз етуде фокусталған сәулелердің рөлі

Арнайы толқын ұзындығы және CNC баптау жүйесі үшін жасалған арнайы оптика арқасында дәл бағытталған лазерлік сәулелер ±0,1 мм шамасындағы ауытқуларға жетуі мүмкін. Нүкте өлшемі де маңызды - 100 микронда лазерлер энергиясын плазма немесе су қысымына қарағанда әлдеқайда тиімді шоғырландырады. Бұл шоғырлану кесу енін 3 мм қалың болат парақ үшін шамамен 0,2 мм-ге дейін қысқартады. Қазіргі заманғы CNC басқару жүйелері жұмыс істеу барысында фокустық арақашықтықты тұрақты түрде реттеп отырады, бұрышты немесе күрделі пішіндерде жұмыс істеген кезде де сәулені тұрақты ұстайды. Осындай дәлдік электр қораптарында тікелей 0,5 мм диаметрлі тесіктерді жасауға мүмкіндік береді, бұл кем дәл әдістермен орындалатын қосымша бұралау қадамдарын болдырмауға көмектеседі.

Лазерлік кесу кезінде металды буландыру процесіндегі жылу динамикасы

Кесу процесінде қолданылатын жылу мөлшері мен өңделіп жатқан материал түрінің арасында ұқыпты тепе-теңдік сақталуы тиіс. Мыс пен алюминий сияқты металдармен жұмыс істегенде 1-10 кГц жиілікте жұмыс істейтін импульсты талшықты лазерлер ерекше табысты. Бұл лазерлер жылуды өнім бетіне біркелкі таратып, салқындату кезінде пайда болатын дәл сол қалдық металдың (дроттың) пайда болуын болдырмауға көмектеседі. 10 мм болаттан жасалған қалың материалдар үшін көптеген цехтар үздіксіз толқынды лазерлерді таңдайды, себебі олар 2-4 метр/мин жылдамдықпен кесіп, жылу әсер ететін аймақтарды жарты миллиметрден үлкен етпейді. Ең соңғы лазерлі кесу машиналары материал қалыңдығы туралы датчик көрсеткіштеріне сәйкес өз қуатын реттей алады, бұл тұрақты қуатпен жұмыс істейтін ескі жүйелерге қарағанда энергия шығынын шамамен 18 пайызға үнемдейді.

Металл кесуге арналған лазерлердің түрлері: талшықты, CO₂ және Nd:YAG салыстыру

Талшықты лазерлер: заманауи металл өңдеуде ықтималдылық және басымдылық

Талшықты лазерлер өнеркәсіптегі металл өңдеудің негізгі түріне айналып, CO₂ жүйелеріне қарағанда 35% жоғары энергия ықтималдылығын қамтамасыз етеді, олар тіпті құрылымдық болат, алюминий және мыс пен жұмыс істеуге мүмкіндік береді. Олардың нүктелік күйдегі конструкциясы аз ғана техникалық қызмет көрсетуді талап етеді, ал 1,06–1,08 мкм толқын ұзындығы 25 мм-ге дейінгі қалыңдықтағы металл беттерде сіңірілуін тиімді етеді.

CO₂ лазерлер: шағын металл беттерінде шектеулері бар күрделі өнімділік

CO₂ лазерлері 12 мм-ден аспайтын бейрефлекциялық болат үшін әлі де тиімді, бірақ 10,6 мкм толқын ұзындығы өткізгіш беттерден шағылысқандықтан мыс пен қола үшін қиыншылық туғызады. Металдарды өңдеу кезінде CO₂ жүйелері талшықты аналогтарға қарағанда 2–3 есе көп энергия тұтынады, бірақ олар әлі де гравировка қолданбалары үшін пайдаланылады.

Nd:YAG лазерлер: тар мамандандырылған қолданбалар және өнеркәсіптегі қолданыстың төмендеуі

Неодиммен қосылған иттрий алюминий гранаты (Nd:YAG) лазерлері қазіргі таңда өндірістік кесу операцияларының 5%-нен аз үлесін қамтамасыз етеді, негізінен субмиллиметрлік медициналық компоненттерді шығарумен айналысады. Олардың импульстық жұмысы микроперфорацияны қамтамасыз етеді, бірақ көлемді металл өндірісіне қажетті өткізу қабілеті жоқ.

Лазерлік қуат пен толқын ұзындығының әртүрлі металдарды кесуге әсері

Металл	Оптимальды лазер типі	Күш аралығы	Толқын ұзындығының тиімділігі
Жұмсақ болат	Волокно	2–6 кВт	Жоғары (1,06 мкм)
Алюминий	Волокно	3–8 кВт	Орташа (1,08 мкм)
Күміс	Талшық (Жасыл)	4–10 кВт	Төмен (1,06 µm)

2024 жылғы материалды абляциялау туралы зерттеуде көрсетілгендей, жасыл спектрлік жақсартулармен жұбыланған төмен толқынды талшынды лазерлер қазір көрсеткіш металдарды кеседі.

Металл лазерлік кесудегі дәлдік, кесу сапасы мен материалдық ескертулер

Қатаң допусктерді қол жеткізу: металл бетін лазерлі кесу қаншалықты дәл? (±0,1 мм)

Болат пен алюминий сияқты өнеркәсіптік металлдар бойынша ±0,1 мм жазық кесулер үшін дәстүрлі CNC өңдеуді басып өтеді. Бұл дәлдік адаптивті оптикалық жүйелердің 0,0025 мм-ден төменгі нүкте диаметрлерін басқаруынан және жылулық кеңеюге компенсация жасайтын нақты уақыттағы қозғалыс дұрыстау жүйелерінен туындайды. 0,0025 мм және жылулық кеңеюге компенсация жасайтын нақты уақыттағы қозғалыс дұрыстау жүйелерінен туындайды.

Кесу сапасына әсер ететін факторлар: керф ені, дросс және конус

Оптимальды кесу сапасы үш өлшенетін нәтижеге тәуелді:

• Кесу ені (әдетте 10 кВт лазерлер үшін 0,1–0,3 мм) газ қысымы мен фокустық ұзындық арқылы басқарылады
• Құйма түзілуі қысылған ауаға қарағанда азот көмегімен 60–80%-ға азайтылды
• Еңіс бұрыштары төменде ұсталады 0,5° сұйықтықты реттеу арқылы

Лазерлік кесуден кейінгі беттің күйі мен өңдеу талаптары

Лазерлік кесілген болат көрсетеді Ra 3,2–12,5 мкм беттің кедір-бұдырлығы , әдетте жанасу беттері үшін түйіршіктерді алу қажет болады. Алюминий сияқты түсті металдарда дейін 20 мкм тот басу қабаты , қосымша бұйымдарды тазалау немесе анодтау қажеттілігін туғызады. Кесу параметрлері өңдеуден кейінгі шығындарға тікелей әсер етеді – мысалы, кесу жылдамдығын 30% арттыру тот басуды азайтады, бірақ қабаттың тереңдігін 15% арттырады.

Болатты, алюминийді, мысты және түсті металлды кесу: қиыншылықтар мен мүмкіндіктер

Материал	Рефлексия	Жылу өткізгіштік (Вт/м·К)	Макс. жылдамдық (10мм)
Жұмсақ болат	35%	50	4,5 м/мин
Алюминий	85%	237	3,2 м/мин
Күміс	95%	401	1,8 м/мин

Негізгі шығармалар : Жарық шағылыстыру металдарында көгілдір-жасыл толқын ұзындығы лазерлерін фотондар шағылысуынан болатын жоғалтуларды болдырмау үшін қолданады. Мыс жылдам жылу шашыратуы талап етеді 3 есе ұзақ уақыт қажет сопло зақымданбау үшін болатқа қарағанда.

Максималды металдың қалыңдығы: болат үшін 25 мм дейін, түсті металлдер үшін аз

Өнеркәсіптік талшыл лазерлері кеседі 25 мм көміртегі болатын о₂ көмегімен 0,6 м/мин жылдамдықпен, ал 6 кВт жүйелерімен 15 мм алюминий 1,2 м/мин жылдамдықпен. Түсті металл шектеулері толқын ұзындығының сіңіру жылдамдығынан туындайды: Nd:YAG лазерлері қиып өтеді 8 мм қола cO‚‚ жүйелеріне қарағанда 40% жаппарақтар тезірек, өйткені 1,06 мкм толқын ұзындығындағы шағылу азаяды.

Лазерлік кесу мен дәстүрлі әдістер: жылдамдық, құн, автоматтандыру артықшылықтары

Заманауи өндіріс жылдамдықты, дәлдікті және құнды тиімді үйлестіретін шешімдерді талап етеді. Лазерлік кесу CNC өңдеуі, плазмалық кесу, су арнасы жүйелері сияқты дәстүрлі әдістерден компьютерлік бағдарлау дәлдігін және минимальды адам әрекетін қамтамасыз ететіндіктен асып түседі.

Лазерлік пен CNC өңдеу: жылдамдық пен бөлшек күрделілігі

CNC өңдеу күрделі 3D геометрияларды шығаруда жақсы болса да, лазерлік кесу жазық металдық жаппарақтардың өндіріс уақытын 65% дейін қысқартады. Жалғыз лазерлік жүйе фрезерлеу операцияларында қажет болатын құрал алмастыруды жояды, қолмен қайта реттеу жасамай-ақ күрделі өрнектерді үзіліссіз өңдеуге мүмкіндік береді.

Плазмалық пен лазерлік кесу: қашан қайсысын таңдау керек

Плазма қиып алу 15 мм қалыңдықтан артық болат үшін әлі де пайдалы, бірақ лазерлік жүйелер жұқа қаңыл қолдануларда (<10 мм) дәлдігі ±0,1 мм болып басым. Талшықты лазерлер алюминий сияқты жарқын метаддармен жұмыс істеуде плазма қиылыстарының тотығуға бейімділігін жеңіп шығады.

Сумен қиып алу мен лазерді салыстыру: суық қиып алу мен жылулық дәлдік

Су жүйелері температура сезгіш материалдарда жылу әсерінен пайда болатын аймақтарды болдырмаиды, бірақ 3 мм болатқа лазерлерден үш есе баяу жұмыс істейді. Лазерлік қиып алу 20% тарын кесіп, материал шығынын азайтып, минутына 20 метрден артық жылдамдықпен қиып алады.

Лазерлік жүйелердің құнының тиімділігі мен автоматтандыру мүмкіндігі

Автоматтандырылған ұйымдастыру бағдарламалық құралдары материалды пайдалануды қолмен орналастыру әдістеріне қарағанда 15–20% арттырады. Қазіргі заманғы талшынды лазерлер CO₂ жүйелерімен салыстырғанда энергия тұтынуын 30–50% азайтады және плазмалық кесу операцияларына қарағанда жөндеу шығындары 70% төмен болады. Зерттеулер мен жобалау үдерістеріне жасанды интеллект негізіндегі болжау техникасын енгізу өндірістің түнде жұмыс істеу мүмкіндігін қамтамасыз етеді.

Өнеркәсіптегі металл лазерлі кесудің қолданылуы мен болашақ бағыттары

Негізгі салалар: Әуе-космостық, Автокөлік және Медициналық құрылғылар өндірісі

Лазерлік кесу қателіктер болуы мүмкін емес салаларда өндірісте маңызды рөл атқарып отыр. Әуе қозғалтқыштары секторы өзіндегі қиын әрі қымбат титан мен алюминий қорытпаларын микронға дейінгі өлшемдермен өңдеу үшін осы технологияға сүйенеді. Ал көлік зауыттары күрделі корпус панельдері мен шығару жүйелерін кесу үшін ескі әдістерге қарағанда тезірек өңдейтін талшықты лазерлерге көшіп жатыр. Ал медициналық құрылғылар өндірісінде кәсіпорындар лазерлік технологияны стерильді хирургиялық аспаптар мен имплантаттар жасау үшін қолданады, онда қабырғалардағы кішігірім ақау пациенттер үшін ауыр салдарға әкелуі мүмкін. Сондықтан да осындай маңызды салалар барлық өнеркәсіптік лазерлік кесу жұмыстарының шамамен 60 пайызын құрайтыны ақиқат - материалдарды өте ұқыпты және дәл өңдеу талап етіледі.

Архитектура және Дизайн Қолданбалары: Күрделі Металл Өңдеуді Жүзеге Асыру

Лазерлік кесу тек қана зауыттарда ғана емес, сонымен қатар металл ғимараттарда өнердің жаңа мүмкіндіктерін ашады. Архитекторлар мен дизайнерлер қазір 10 000 Вт-тан асатын өте қуатты лазерлерді пайдаланып, нержелі болат пен қоладан әртүрлі күрделі заттар жасайды. Біздің айтқанымыз, күрделі ғимараттың сыртқы жабыны, ерекше қабырға жапқыштары мен басқа да әдістермен жасау мүмкін емес құрылымдардың бөлшектері. Қазіргі заманғы архитектураға әсері өте үлкен. Мұражайда болуы керек болатын, бірақ бүкіл ғимаратты ұстап тұратын күрделі дизайн түрлерін ойлаңыз! Кейбір соңғы құрылыстар мүмкіндіктерді көрсетеді – қалыңдығы 10 мм панельдерде күрделі оюлар жасау, бұл барлығын берік ұстап тұруға болатындығын білдіреді. Дәстүрлі металл өңдеу осындай күрделілікті беріктікті бұзбай-ақ қамтамасыз енеді.

Болашақ бағыттар: Лазерлік өңдеуде ҮА, автоматтандыру және ақыллы интеграция

Келесі кезекте лазерлік кесу өзін Industry 4.0 технологияларымен интеграциялау арқылы ақылды болып келеді. Ақылды машиналар өткен кесілімдерден үйреніп, өз жолдарын ұшып барып түзетеді, бұл өңдеу уақытының шамамен 15-20 пайызын үнемдеуге және материалды аз шығындауға мүмкіндік береді. Жаңа болжау жасайтын техникалық қызмет көрсету лазерлік резонаторларды үнемі тексеріп отырып, күтпеген уақытта істен шығуды болдырмақшы. Ал сол қолмен жасалған роботтық қолдар мен көп осьтілер? Олар зауыттардың түнде де жұмыс істеуіне, негізінде, ешкім қадағаламай-ақ жұмыс істеуге мүмкіндік береді. Кейбір компаниялар бүгінде дәстүрлі кесу мен 3D басып шығару мүмкіндіктерін үйлестіретін осындай гибридті жүйелерді сынақтан өткізуде. Бұл дүкендердің бөлшектерді бір күн бойы айнала қозғалтудың орнына бір станцияда кесу мен пісіруді ауыстырып қосуға мүмкіндік береді. Біз орташа мерзімде металды өңдеу тәсілдерінің бәрін қалай түрлендіретінін көріп мүмкін еміз.

Жиі қойылатын сұрақтар бөлімі: Лазерлік кесу технологиясы

Лазермен қандай материалдарды кесуге болады?

Лазерлік кесу әсіресе болат, алюминий, мыс және қола сияқты металдар үшін тиімді. Бұл технология осындай материалдарға бейімделген, дәл және таза кесу мүмкіндігін береді.

Лазерлік кесудің дәстүрлі әдістерге қандай артықшылықтары бар?

Лазерлік кесу жылдамдық, дәлдік және өнімнің құнын төмендету арқылы өндіріс уақытын қысқартып, құрал-жабдықтың тозуын азайтады.

Лазердің толқын ұзындығы металды кесуге қалай әсер етеді?

Лазерлік кесудің тиімділігі әртүрлі металдарда әрқилы болады және толқын ұзындығына байланысты болады. Төменгі толқын ұзындығына ие талшынды лазерлер жасыл спектр технологияларымен кеңейтілген жағдайда жарқырағыш металдарды кесуге ең қолайлы.

Лазерлік кесу күрделі және құрылымды дизайндарды өңдей алады ма?

Иә, лазерлік кесудің дәлдігі оны күрделі дизайндар үшін идеалды етіп жасайды, материалдың беріктігін сақтай отырып, құрылымы бар пішіндерді жасауға мүмкіндік береді.