EN
Технология, лежащая в основе промышленной лазерной резки
А лазерный станок генерирует сфокусированный пучок усиленного света — как правило, от источника волоконного лазера в современных промышленных системах, — концентрирующего энергию в пятне диаметром 50–100 мкм. В этой фокальной точке плотность мощности достигает примерно 1–10 МВт/см², чего достаточно для плавления или испарения металла в течение микросекунд после контакта с лазерным лучом. Процесс резки использует вспомогательный газ — кислород для низкоуглеродистой стали, чтобы вызвать экзотермическую реакцию, удваивающую эффективную скорость резки, или азот для нержавеющей стали и алюминия, чтобы удалить расплавленный материал без окисления.
Источники волоконных лазеров заменили CO₂-лазеры в большинстве промышленных применений резки, поскольку они преобразуют примерно 30–40 % входной электрической мощности в лазерное излучение по сравнению с 10–15 % у CO₂-источников. Повышенная эффективность снижает потребление электроэнергии и устраняет необходимость в газовой смеси для лазера — гелии, азоте и CO₂, — требуемой CO₂-системами для генерации лазерного луча. Техническое обслуживание переходит от управления газом и юстировки зеркал к периодической замене модулей лазерных диодов, обычно после 50 000–100 000 часов работы.
Производитель строительной техники, выпускающий компоненты экскаваторов, перешёл с CO₂-на волоконные лазеры после расчётов, показавших, что более высокая скорость резки волоконным лазером на низкоуглеродистой стали толщиной 6–10 мм — примерно на 40–60 % быстрее — позволит окупить разницу в капитальных затратах в течение 14 месяцев за счёт увеличения производственной мощности. Отказ от заправки лазерного газа позволил ежегодно экономить 12 000 долларов США на расходных материалах.
Спектр возможностей по обработке материалов
Эффективность резки ферросодержащих металлов
Волокно лазерный станок работа на мощности 1–3 кВт позволяет резать низкоуглеродистую сталь толщиной до 12–16 мм с использованием кислорода в качестве вспомогательного газа, обеспечивая чистый, прямоугольный срез, пригодный для сварки без дополнительной подготовки. Кислород вступает в экзотермическую реакцию с расплавленной сталью, обеспечивая примерно 60 % энергии, необходимой для резки, что эффективно удваивает скорость резки по сравнению с азотным способом резки при той же мощности.
При резке нержавеющей стали используется азот в качестве вспомогательного газа для предотвращения окисления кромки реза и сохранения пассивного слоя оксида хрома, обеспечивающего коррозионную стойкость. Резка нержавеющей стали азотом при мощности 3 кВт обычно обеспечивает чистый рез толщиной 8–10 мм с блестящей, неокисленной кромкой, не требующей очистки после резки.
Возможность резки углеродистой стали по толщине практически линейно возрастает с увеличением мощности лазера до примерно 6 кВт, после чего зависимость выравнивается, поскольку вспомогательный газ не может эффективно удалять расплавленный материал из всё более широкой пропила. Практическая максимальная толщина резки углеродистой стали волоконным лазером в производственных условиях составляет приблизительно 25–30 мм при мощности лазера 12–15 кВт.
Особенности обработки цветных металлов
Алюминий создаёт две проблемы: высокая теплопроводность быстро отводит тепло от зоны резки, а высокая отражательная способность на длинах волн волоконных лазеров (примерно 1070 нм) может отражать энергию лазерного луча в оптическую систему. Современные волоконные лазеры оснащены защитой от обратного отражения, которая контролирует уровень отражённой энергии и автоматически снижает мощность или прерывает лазерный луч.
Резка меди и латуни на длинах волн волоконного лазера возможна на системах с оптимизированным для отражающих материалов качеством пучка. Ключевым параметром является произведение параметров пучка (BPP) — показатель фокусируемости, при котором более низкие значения BPP обеспечивают требуемую плотность мощности для преодоления высокой теплопроводности меди. Медь толщиной до 4–6 мм может резаться при мощности лазера 3 кВт на системах с BPP ниже 2 мм·мрад.
Параметры качества резки
Ширина пропила и размерная точность
Ширина реза — ширина материала, удаляемого лазерным лучом — обычно составляет 0,15–0,5 мм и зависит от толщины материала, мощности лазера и положения фокуса. Ширина реза определяет минимальный размер внутренних элементов: паз шириной менее примерно в 1,5 раза превышающей ширину реза вырезать невозможно, поскольку луч удаляет материал с обеих сторон, формируя единый рез вместо двух параллельных кромок.
Точность размеров на современных волоконно-лазерных станках резки составляет ±0,05–0,1 мм для тонких материалов (1–3 мм) и ±0,1–0,3 мм для более толстых материалов (6–12 мм). Тепловая деформация — расширение и сжатие листа в процессе резки — становится основным фактором, ограничивающим точность, при толщине свыше примерно 10 мм, поскольку зона термического влияния распространяется дальше от кромки реза.
Качество кромки и вторичные операции
Кромки лазерной резки низкоуглеродистой стали при использовании кислорода в качестве вспомогательного газа покрываются тонким слоем оксида, который необходимо удалить перед окраской или порошковым напылением. Кромки лазерной резки нержавеющей стали и алюминия, выполненной с азотом в качестве вспомогательного газа, готовы к окраске без предварительной очистки. Шероховатость кромки реза (Rz) обычно составляет 10–30 мкм при правильно подобранных технологических параметрах, что сопоставимо с обработанной поверхностью, требующей минимальной подготовки перед сваркой.
Зона термического влияния (ЗТИ) — область, где свойства материала изменяются под действием тепла резки, — составляет 0,1–0,3 мм от кромки реза для тонких материалов и 0,3–0,8 мм для более толстых сечений. Узкая ЗТИ минимизирует необходимость последующей термообработки, которая может потребоваться для более толстых сечений после плазменной резки, где ЗТИ может достигать 2–4 мм.
Часто задаваемые вопросы
Какую толщину низкоуглеродистой стали может обрабатывать волоконный лазер мощностью 3 кВт?
Волоконный лазер мощностью 3 кВт обеспечивает резку низкоуглеродистой стали толщиной до 12–16 мм с использованием кислорода в качестве вспомогательного газа и до 6–8 мм — с азотом для получения кромок без оксидов. Скорость резки экспоненциально снижается с увеличением толщины: при резке материала толщиной 16 мм скорость составляет примерно 0,6–0,8 м/мин по сравнению с 3–4 м/мин для материала толщиной 3 мм.
Как волоконный лазер сравнивается с CO₂-лазером в промышленной резке?
Волоконные лазеры обеспечивают в 2–3 раза более высокую электрическую эффективность (30–40 % против 10–15 %), более быструю резку тонких и средней толщины материалов, исключают необходимость использования газов для лазеров и требуют меньшего обслуживания. Лазеры CO₂ сохраняют преимущество в качестве кромки при обработке материалов толщиной свыше 15 мм из-за различий в характеристиках поглощения лазерного луча.
Какой вспомогательный газ наиболее подходит для лазерной резки нержавеющей стали?
Азот с чистотой 99,95 % и выше обеспечивает яркие, неокисленные кромки при лазерной резке нержавеющей стали без необходимости последующей очистки. Резка с использованием кислорода выполняется быстрее, однако оставляет окисленную кромку, которую необходимо удалить перед сваркой или нанесением покрытия. ЧПУ-станки Rayman для лазерной резки поддерживают автоматический выбор газа и регулирование давления для обоих газов.
Может ли волоконный лазерный станок обрабатывать отражающие материалы, такие как алюминий и медь?
Да, современные волоконные лазеры с системами защиты от обратного отражения способны резать алюминий толщиной до 12–16 мм (при мощности 3 кВт) и медь толщиной до 4–6 мм. Системы с произведением параметров пучка (BPP) менее 2 мм·мрад обеспечивают более высокую плотность мощности для обработки отражающих материалов.
Какое техническое обслуживание требуется волоконному лазерному станку для резки?
Очистка или замена защитной линзы каждые 200–500 часов, смазка направляющих линейных элементов еженедельно, замена фильтров вспомогательного газа ежемесячно и замена охлаждающей жидкости в чиллере один раз в год. Источники волоконного лазера, как правило, не требуют технического обслуживания в течение 50 000 и более часов работы до замены модуля лазерных диодов.
Насколько точны детали, вырезанные лазером, по сравнению с обработанными на станке компонентами?
Лазерная резка обеспечивает размерную точность ±0,05–0,3 мм (в зависимости от материала), что достаточно для деталей, готовых к сварке без дополнительной механической обработки. Действительная точность обработки на станке (±0,01–0,02 мм) остаётся за пределами возможностей лазерной резки — детали, требующие такой точности, нуждаются в механической обработке после резки независимо от выбранного метода резки.