Лазерне різання металів зазвичай відбувається за чотири етапи, що стає досить цікавим, якщо розглянути процес детальніше. Увесь процес починається з того, що лазерний резонатор створює потужний промінь, який потім підсилюється або за допомогою суміші газів CO2, або за допомогою спеціальних волоконно-оптичних кабелів. Наступним етапом відбувається досить вражаюче зменшення променя. Надточні лінзи зосереджують цей промінь до розміру меншого за волосину, приблизно 0,1 мм в діаметрі. На цьому етапі щільність потужності досягає понад 10 мільйонів ват на квадратний сантиметр, чого цілком достатньо, щоб розплавити вуглецеву сталь протягом півмілісекунди, згідно з останніми дослідженнями, опублікованими в журналі «Journal of Manufacturing Processes». Щоб завершити процес, допоміжні гази, такі як кисень або азот, витісняють розплавлений метал, забезпечуючи надзвичайно вузькі зрізи. Ми говоримо про ширину зрізу, яка може бути такою малими, як 0,15 мм, навіть у листах нержавіючої сталі товщиною 3 мм.
П’ять основних систем працюють синхронно, щоб забезпечити точність та ефективність:
Ця інтеграція дозволяє досягати швидкості різки до 60 м/хв на низьковуглецевій сталі товщиною 1 мм з допуском ±0,05 мм — критично важливо для високоточних автозапчастин та авіаційних компонентів.
Сьогодні металообробна промисловість переважно працює з трьома основними лазерними технологіями: на основі CO2, волоконних і кристалічних систем. Лазери CO2 досить добре справляються з обробкою більш товстих кольорових металів, оскільки для збудження вони використовують газ. Волоконні лазери завоювали значну частину ринку для обробки тонкого та середнього листового металу, оскільки вони посилюють діодне світло через оптичні волокна. За останніми даними з 2024 року, наведеними в звіті Industrial Laser Report, волоконні лазери можуть різати нержавіючу сталь товщиною 3 мм приблизно у два-три рази швидше, ніж традиційні CO2-системи. Кристалічні лазери, включаючи моделі Nd:YAG, займають дуже специфічні ніші, наприклад, різання титану, хоча ці системи вже майже не розвиваються, головним чином через високі вимоги до обслуговування та технічного утримання.
Волоконні лазери мають чіткі переваги:
| Показник продуктивності | Ласер з волокна | Лазер CO2 |
|---|---|---|
| Швидкість різання (сталь 1 мм) | 25 м/хв | 8 м/хв |
| Вартість енергії/місяць* | $1,200 | $3,500 |
| Витрати газу при роботі | на 15% менше | Стандарт |
*На основі системи потужністю 500 кВт, робота 24/5
Для виробників, що обробляють метали завтовшки менше 20 мм, волоконні лазери забезпечують окупність протягом 18–24 місяців завдяки зменшенню витратних матеріалів та 94% часу роботи (Дослідження економіки металообробки 2024). Тим не менш, системи з CO2 залишаються актуальними для майстерень, що працюють з різноманітними матеріалами, включаючи акрил або дерево, але вони витрачають на 50–70% більше енергії на різання металу.
Лазерне різання найкраще працює з металами, які рівномірно проводять тепло і поглинають лазерну енергію з передбачуваною швидкістю. До таких матеріалів належать нержавіюча сталь, алюміній, конструкційна сталь, латунь і мідь. Нержавіюча сталь вирізняється тим, що не схильна до корозії, тому її широко використовують у медичних пристроях та обладнанні для переробки харчових продуктів, де важливим є дотримання чистоти. Завдяки легкості алюмінію, його використовують у літаках та автомобілях, де економія окремих грамів має відчутний ефект. Латунь і мідь рідко використовують для лазерного різання, але вони відіграють важливу роль в електричних системах, незважаючи на ускладнення, які вони створюють. Ці метали мають тенденцію відбивати лазерний промінь, тому для отримання чистих зрізів без пошкодження навколишніх ділянок операторам потрібне спеціальне обладнання та техніки.
| Тип металу | Типова діапазон товщини | Ключові сфери застосування |
|---|---|---|
| Нержавіючу сталь | 0,5–25 мм | Медичні пристрої, обладнання для переробки харчових продуктів |
| Алюміній | 0,5–20 мм | Автомобільні панелі, радіатори |
| Мідь | 0,5–8 мм | Друковані плати, теплообмінники |
При роботі з матеріалами міді та латуні виникає велика проблема, адже вони відбивають назад понад 90 відсотків інфрачервоної лазерної енергії. Це відбиття може фактично завдати шкоди лазеру, якщо з цим необхідно поводитися правильно. Саме тут стають у пригоді волоконні лазери. Вони працюють краще в цьому випадку, оскільки працюють на більш короткій довжині хвилі приблизно 1060 нанометрів і мають таку функцію, як адаптивна модуляція потужності, яка допомагає контролювати процес. Візьмемо, наприклад, різання мідних пластин товщиною 2 мм. Цей процес потребує частоти імпульсів вище 500 Гц, а також застосування азотного газу, щоб запобігти окисненню під час різання. Хоча всі ці додаткові кроки призводять до витрати приблизно на 15–20 відсотків більше енергії, ніж при різанні сталі, більшість виробників вважають, що це варто того, щоб зберегти рівень точності та захистити свої дорогі інвестиції в обладнання.
Товщина оброблюваного матеріалу суттєво впливає на швидкість різання та споживання енергії. Наприклад, при роботі зі сталлю 5 мм, добре себе показує швидкість різання близько 8 метрів на хвилину. У разі з товстішою сталью 20 мм, операторам потрібно значно зменшити швидкість до приблизно 1,2 м/хв, щоб уникнути неприємного викривлення країв. Найчастіше не враховують підготовку поверхні. Іржа або нерівномірне покриття може відхилити лазерний промінь на півміліметра, що в подальшому призведе до різноманітних відхилень у розмірах. Просте очищення покритої поверхні перед початком роботи дає величезну різницю. Згідно з даними галузі, цей простий крок підвищує стабільність різання приблизно на 30%, а також зменшує утворення шлаку, що ускладнює подальшу обробку.
Волоконні лазери можуть різати матеріали зі швидкістю, приблизно у три рази вищою, ніж традиційні системи CO2, при цьому допуски залишаються у межах приблизно 0,1 мм на складних матеріалах, таких як нержавіюча сталь і алюмінієві листи. Основою цих лазерів є твердотільна конструкція, завдяки якій вони працюють приблизно на 30 відсотків ефективніше з точки зору споживання енергії. Ця ефективність забезпечує чистіші зрізи, при яких матеріал фактично розплавлюється, а не обвуглюється, крім того, значно менше тепла впливає на навколишні ділянки. Якщо подивитися на реальні показники з виробничих цехів по країні, компанії повідомляють про економію від 18 до 22 центів на кожну деталь, виготовлену з металу завтовшки менше 25 мм. Нікого не дивує, що багато майстерень з обробки листового металу переходять на волоконно-лазерну технологію для своїх масових виробництв.
Одна велика назва в автомобільній галузі скоротила час виробництва компонентів шасі майже на половину, коли перейшла на волоконні лазери потужністю 6 кВт для роботи з листами з вуглецевої сталі товщиною 2–8 мм. Справді вражає, що ці нові системи практично позбавили потреби додаткової роботи з видалення заусенців, оскільки вони забезпечують чистий різ без утворення шлаку. Шорсткість поверхні становить приблизно Ra 3,2 мікрони, що є досить гладким. Для виробників, які намагаються дотримуватися жорстких термінів, така точність має велике значення, особливо в умовах, коли автовиробники посилюють зусилля для виконання вимогливих специфікацій для електромобілів, де важить кожен грам, а допуски надзвичайно малі.
Усе більше авіаційних компаній починають використовувати волоконні лазери під час роботи з алюмінієвими конструкційними деталями, такими як ті, що використовуються для нервюр крил та секцій фюзеляжів, виготовлених зі сплаву 7075-T6. Чому? Ці лазери працюють на довжині хвилі близько 1070 нм, що допомагає зменшити проблеми, пов’язані з відбиванням матеріалу. Це означає, що вони можуть різати плити товщиною 10 мм зі швидкістю приблизно 15 метрів на хвилину, забезпечуючи відхилення товщини менше 0,5%. За останніми тенденціями, майже 9 із 10 сучасних проектів літаків передбачають використання лазерових алюмінієвих компонентів. У результаті, наявність якісних волоконно-лазерних систем стала майже обов’язковою умовою для виробників, які прагнуть відповідати суворим вимогам якості AS9100, прийнятим у авіаційній галузі.
Азот виступає як інертний допоміжний газ під тиском від 12 до 20 бар, щоб зберегти стійкість матеріалу до корозії. Коли це відбувається, запобігається окисненню, утворюються чисті краї, що робить ці деталі ідеальними для таких речей, як медичні прилади або компоненти, що використовуються в харчовій промисловості. Наприклад, візьмемо нержавіючу сталь марки 304 товщиною 6 мм. За використання волоконного лазера потужністю 2 кВт, що працює зі швидкістю приблизно від 10 до 12 метрів за хвилину, ми зазвичай отримуємо зону термічного впливу не більше 0,1 мм. Згідно з останніми дослідженнями, опублікованими в Звіті з металообробки за 2024 рік, перехід від методів, що використовують кисень, до допомоги азоту може скоротити додаткові витрати на остаточну обробку приблизно на третину. Кілька важливих параметрів, вартих уваги:
Висока відбивна здатність алюмінію (85–92% на довжині хвилі 1 мкм) вимагає використання імпульсних лазерних режимів для запобігання відхиленню променя. Волоконний лазер потужністю 4 кВт вирізає алюміній 6061-T6 товщиною 8 мм зі швидкістю 15 м/хв, використовуючи стиснене повітря тиском 6–8 бар. Щоб управляти теплопровідністю:
Такий підхід забезпечує точність ±0,05 мм, що ідеально підходить для прецизійних компонентів, таких як лотки акумуляторів у автомобільній промисловості.
Різання за допомогою кисню є стандартним для вуглецевої сталі завтовшки понад 3 мм, де екзотермічна реакція збільшує швидкість різання до 40%. Для сталі 10 мм S355JR при потужності 3 кВт швидкості досягають 8–10 м/хв. Однак, надмірне окиснення може призводити до утворення шлаку знизу. Ефективні заходи протидії включають:
Для конструктивних елементів, таких як двотаврові балки, гібридні методи, що поєднують кисневе різання з фінішними проходами на азоті, допомагають відповідати стандартам ISO 9013 щодо точності розмірів та якості краю.
Лазерне різання — це процес високої точності, при якому потужний лазерний промінь використовується для плавлення, згоряння або випаровування матеріалу з метою різання.
Волоконні лазери забезпечують вищу точність, кращу енергоефективність і нижчі витрати на обслуговування порівняно з СО2-лазерами.
Метали, такі як нержавіюча сталь, алюміній, м’яка сталь, латунь і мідь, придатні для лазерного різання завдяки своїй теплопровідності та здатності поглинати лазерну енергію.
Товщина матеріалу впливає на швидкість різання та споживання енергії. Для товстіших матеріалів часто потрібна менша швидкість різання, щоб уникнути деформації країв.
EN
Hot News
