Лазерная резка металлов обычно осуществляется в четыре этапа, что становится довольно увлекательным, если разобрать процесс подробно. Весь процесс начинается с создания мощного лазерного луча при помощи лазерного резонатора, после чего этот луч усиливается либо с использованием смеси CO2-газа, либо через специальные оптоволоконные кабели. То, что происходит дальше, просто поразительно. Сверхточные линзы фокусируют этот луч до размеров, меньших толщины человеческого волоса — примерно 0,1 мм в диаметре. При таких показателях плотность мощности достигает более 10 миллионов ватт на квадратный сантиметр, что достаточно, чтобы расплавить углеродистую сталь за половину миллисекунды, согласно последним исследованиям, опубликованным в «Journal of Manufacturing Processes». Для завершения процесса вспомогательные газы, такие как кислород или азот, удаляют расплавленный металл, обеспечивая невероятно узкие резы. Мы говорим о ширине реза всего 0,15 мм даже при работе с листами нержавеющей стали толщиной 3 мм.
Пять основных систем работают в тандеме, чтобы обеспечить точность и эффективность:
Эта интеграция позволяет достичь скорости резки до 60 м/мин на мягкой стали толщиной 1 мм при соблюдении допусков ±0,05 мм — это критически важно для высокоточных компонентов автомобилестроения и авиакосмической промышленности.
Сегодня в индустрии металлообработки в основном используются три основные лазерные технологии: на основе CO2, волоконные и кристаллические системы. Лазеры CO2 довольно хорошо справляются с обработкой более толстых неметаллических материалов, поскольку для возбуждения они используют газ. Волоконные лазеры завоевали значительную долю рынка в сегменте обработки тонких и средних листовых металлов, так как усиливают диодный свет посредством оптических волокон. По последним данным отчета Industrial Laser Report за 2024 год, волоконные лазеры могут разрезать нержавеющую сталь толщиной 3 мм со скоростью, в два-три раза превышающей скорость традиционных CO2-установок. Кристаллические лазеры, включая модели Nd:YAG, применяются в очень узких специфических областях, например, для резки титана, однако рост этих технологий практически остановился, в основном из-за высоких требований к обслуживанию и эксплуатации.
Волоконные лазеры имеют явные преимущества:
| Показатель эффективности | Лазерные волокна | Лазер CO2 |
|---|---|---|
| Скорость резки (сталь 1 мм) | 25 м/мин | 8 м/мин |
| Стоимость энергии/месяц* | $1,200 | $3,500 |
| Расход газа при работе | на 15% меньше | Стандарт |
*На основе системы 500 кВт, работающей 24/5
Для производителей, обрабатывающих металлы толщиной менее 20 мм, волоконные лазеры обеспечивают окупаемость в течение 18–24 месяцев за счет сокращения расходных материалов и времени простоя в 94% (Исследование экономики металлообработки, 2024). В то время как системы с CO2 подходят для мастерских, работающих с разными материалами, включая акрил или дерево, они потребляют на 50–70% больше энергии на каждый рез металла.
Лазерная резка наиболее эффективна с металлами, которые равномерно проводят тепло и поглощают лазерную энергию с предсказуемой скоростью. К таким материалам относятся нержавеющая сталь, алюминий, углеродистая сталь, латунь и медь. Нержавеющая сталь выделяется тем, что не подвержена коррозии, поэтому ее часто используют в медицинских устройствах и пищевом оборудовании, где важна чистота. Малый вес алюминия сделал его популярным материалом в самолетостроении и автомобилестроении, где экономия граммов дает ощутимый выигрыш в производительности. Латунь и медь режутся лазером реже, но они играют важную роль в электрических системах, несмотря на определенные трудности. Эти металлы склонны отражать лазерный луч, поэтому для получения чистых резов без повреждения окружающих участков требуются специальное оборудование и методы.
| Тип металла | Типичный диапазон толщины | Ключевые области применения |
|---|---|---|
| Нержавеющую сталь | 0.5–25 мм | Медицинские устройства, оборудование для пищевой промышленности |
| Алюминий | 0.5–20 мм | Автомобильные панели, радиаторы |
| Медь | 0.5–8 мм | Печатные платы, теплообменники |
При работе с медью и латунью возникает серьезная проблема, поскольку эти материалы отражают более 90 процентов инфракрасной лазерной энергии. Это отражение может повредить сам лазер, если не обеспечить правильную обработку. Здесь на помощь приходят волоконные лазеры. Они работают лучше в таких условиях, так как функционируют на более короткой длине волны около 1060 нанометров и обладают адаптивной модуляцией мощности, которая помогает контролировать процесс. Возьмем, к примеру, резку медных пластин толщиной 2 мм. Для этого требуется частота импульсов выше 500 Гц и использование азота в качестве вспомогательного газа, чтобы предотвратить окисление во время резки. Хотя все эти дополнительные меры приводят к увеличению потребления энергии примерно на 15–20 процентов по сравнению со сталью, большинство производителей считают это разумным компромиссом, чтобы сохранить точность и защитить дорогостоящее оборудование.
Толщина обрабатываемого материала значительно влияет на скорость резки и потребляемую мощность. Например, при работе с мягкой сталью толщиной 5 мм, оптимальная скорость составляет около 8 метров в минуту. Однако, при увеличении толщины стали до 20 мм операторам необходимо значительно снизить скорость, примерно до 1,2 м/мин, чтобы избежать нежелательных деформаций краёв. То, что часто упускают из виду — это подготовка поверхности. Ржавчина или неравномерное покрытие могут отклонить лазерный луч на полмиллиметра, что в дальнейшем приведёт к различным проблемам с размерами. Простая очистка покрытых поверхностей перед началом работ даёт огромное преимущество. Согласно данным отраслевой статистики, этот шаг повышает стабильность резки примерно на 30%, а также значительно снижает образование шлака, что упрощает дальнейшую обработку.
Волоконные лазеры могут резать материалы со скоростью, примерно в три раза превышающей возможности традиционных CO2-систем, при этом допуски остаются в пределах около 0,1 мм на сложных материалах, таких как листы из нержавеющей стали и алюминия. Основанная на твердотельной конструкции технология таких лазеров позволяет им работать примерно на 30 процентов эффективнее с точки зрения потребления энергии. Эта эффективность обеспечивает более чистую резку, при которой материал практически расплавляется, а не обгорает, а также значительно снижает воздействие тепла на окружающие участки. Если посмотреть на реальные данные с производственных площадок по всей стране, компании сообщают, что им удается экономить от 18 до 22 центов на каждой детали, изготовленной из металлов толщиной менее 25 мм. Неудивительно, что в настоящее время многие цеха по обработке листового металла переходят на волоконно-лазерную технологию для своих задач массового производства.
Один известный производитель автозапчастей сократил время изготовления компонентов шасси почти вдвое, перейдя на волоконные лазеры мощностью 6 кВт для работы с листами из углеродистой стали толщиной от 2 до 8 мм. Особенно впечатляет, что эти новые системы практически исключили необходимость дополнительной зачистки заусенцев, так как они обеспечивают чистые резы без образования шлака. Поверхность получается с шероховатостью около 3,2 мкм Ra, что является довольно гладкой. Для производителей, стремящихся соблюдать жесткие сроки, такая точность имеет решающее значение, особенно в условиях ужесточения требований автопроизводителей к спецификациям электромобилей, где каждый грамм важен, а допуски минимальны.
Все больше и больше аэрокосмических компаний начали использовать волоконные лазеры при работе с алюминиевыми конструкционными деталями, такими как детали, используемые для изготовления нервюр крыла и секций фюзеляжа из сплава 7075-Т6. Почему? Эти лазеры работают на длине волны около 1 070 нм, что помогает уменьшить проблемы, связанные с отражательной способностью материала. Это означает, что они могут стабильно резать пластины толщиной 10 мм со скоростью около 15 метров в минуту, сохраняя отклонения толщины менее 0,5%. Судя по последним тенденциям, почти 9 из 10 новых проектов самолетов в наше время действительно включают какую-либо форму алюминиевых компонентов, вырезанных лазером. В результате доступ к качественным волоконным лазерным системам стал практически обязательным условием для производителей, если они хотят соответствовать строгим требованиям качества AS9100, принятых в аэрокосмической отрасли.
Азот используется в качестве инертного вспомогательного газа при давлении от 12 до 20 бар, чтобы сохранить устойчивость материала к коррозии. При этом предотвращается окисление и формируются чистые края, что делает такие детали идеальными для использования, например, в медицинских устройствах или компонентах, применяемых в пищевой промышленности. Возьмем для примера нержавеющую сталь марки 304 толщиной 6 мм. При использовании волоконного лазера мощностью 2 кВт скорость резки составляет около 10–12 метров в минуту, при этом зона термического влияния обычно не превышает 0,1 мм. Согласно последним исследованиям, опубликованным в Отчете по металлообработке за 2024 год, переход от методов с использованием кислорода к применению азота позволяет сократить дополнительные расходы на финишную обработку примерно на треть. Некоторые важные параметры, которые стоит отметить:
Высокая отражательная способность алюминия (85–92% на длине волны 1 мкм) требует использования импульсных лазерных режимов для предотвращения отклонения луча. Волоконный лазер мощностью 4 кВт разрезает алюминий 6061-Т6 толщиной 8 мм со скоростью 15 м/мин, используя сжатый воздух давлением 6–8 бар. Для управления теплопроводностью:
Этот подход обеспечивает точность ±0,05 мм, что идеально подходит для прецизионных компонентов, таких как лотки для автомобильных аккумуляторов.
Резка с подачей кислорода — стандарт для углеродистой стали толщиной более 3 мм, поскольку экзотермическая реакция увеличивает скорость резки до 40%. Для стали S355JR толщиной 10 мм при мощности 3 кВт скорость достигает 8–10 м/мин. Однако чрезмерное окисление может вызывать образование шлака на нижней стороне. Эффективные меры по предотвращению:
Для конструктивных элементов, таких как двутавровые балки, комбинированные методы, сочетающие кислородную резку с финишными проходами азота, позволяют соответствовать стандартам ISO 9013 по размерной точности и качеству кромки.
Лазерная резка — это точный процесс, при котором мощный лазерный луч используется для плавления, сжигания или испарения материала при резке.
Волоконные лазеры обеспечивают более высокую точность, лучшую энергоэффективность и более низкие затраты на обслуживание по сравнению с CO2-лазерами.
Металлы, такие как нержавеющая сталь, алюминий, мягкая сталь, латунь и медь, подходят для лазерной резки благодаря своей теплопроводности и способности поглощать лазерную энергию.
Толщина материала влияет на скорость резки и потребление энергии. Для более толстых материалов часто требуется снижать скорость резки, чтобы предотвратить деформацию краев.
EN
Hot News
