EN
Технологія, що лежить в основі промислового лазерного різання
А лазерний різак створює сфокусований пучок підсиленого світла — зазвичай від джерела волоконного лазера в сучасних промислових системах — який концентрує енергію в точці діаметром 50–100 мікрон. У цій фокальній точці щільність потужності досягає приблизно 1–10 МВт/см², чого достатньо для плавлення або випаровування металу протягом мікросекунд після контакту з пучком. Процес різання використовує допоміжний газ — кисень для низьковуглецевої сталі, щоб спровокувати екзотермічну реакцію, яка подвоює ефективну швидкість різання, або азот для нержавіючої сталі й алюмінію, щоб видалити розплавлений матеріал без окиснення.
Джерела волоконного лазера замінили лазери на CO₂ у більшості промислових застосувань різання, оскільки вони перетворюють приблизно 30–40 % вхідної електричної потужності на лазерне випромінювання порівняно з 10–15 % для джерел на CO₂. Вища ефективність зменшує споживання електроенергії та усуває необхідність у газовій суміші для лазера — гелії, азоті та CO₂ — яку системи на CO₂ вимагають для генерації пучка. Обслуговування змінюється від управління газом і вирівнювання дзеркал до періодичної заміни модулів лазерних діодів, зазвичай після 50 000–100 000 годин роботи.
Виробник будівельної техніки, що виготовляє компоненти екскаваторів, оновив обладнання з лазерів на CO₂ до волоконних лазерів після розрахунку, що вища швидкість різання волоконного джерела на низьковуглецевій сталі товщиною 6–10 мм — приблизно на 40–60 % швидше — дозволить повернути різницю в капітальних витратах протягом 14 місяців за рахунок збільшення продуктивності. Усунення потреби у заправці лазерного газу дозволило щорічно економити 12 000 доларів США на витратах на матеріали.
Спектр можливостей щодо матеріалів
Ефективність різання феромагнітних металів
Волоконний лазерний різак робота на потужності 1–3 кВт дозволяє різати низьковуглецеву сталь завтовшки до 12–16 мм за допомогою кисню як допоміжного газу, забезпечуючи чистий, квадратний зріз, придатний для зварювання без додаткової підготовки. Кисень реагує з розплавленою сталлю в екзотермічній реакції, що забезпечує приблизно 60 % енергії, необхідної для різання, і фактично подвоює швидкість різання порівняно з різанням за допомогою азоту на тій самій потужності.
Різання нержавіючої сталі здійснюється за допомогою азоту як допоміжного газу, щоб запобігти окисненню на кромці зрізу й зберегти пасивний хромовий оксидний шар, який забезпечує корозійну стійкість. Різання нержавіючої сталі азотом при потужності 3 кВт зазвичай забезпечує чистий зріз завтовшки 8–10 мм із блискучою, вільною від оксидів кромкою, яка не потребує очищення після різання.
Здатність різати вуглецеву сталь за товщиною практично лінійно зростає разом із потужністю лазера до приблизно 6 кВт, після чого ця залежність уплощується, оскільки допоміжний газ не може ефективно видаляти розплавлений матеріал із все більш широкого різового шва. Практична максимальна товщина вуглецевої сталі, яку можна різати волоконним лазером у виробничих умовах, становить приблизно 25–30 мм при потужності лазера 12–15 кВт.
Особливості обробки кольорових металів
Алюміній створює дві проблеми: висока теплопровідність швидко відводить тепло від зони різання, а висока відбивна здатність на довжинах хвиль волоконного лазера (приблизно 1070 нм) може відбивати енергію променя назад у оптичну систему. Сучасні волоконні лазери оснащені захистом від зворотного відбиття, що контролює відбиту енергію й автоматично зменшує потужність або перериває промінь.
Різання міді та латуні на довжинах хвиль волоконних лазерів є практичним на системах із оптимізованою якістю пучка для відбивних матеріалів. Ключовим параметром є добуток параметрів пучка (BPP) — показник фокусування, при якому нижчі значення BPP забезпечують необхідну щільність потужності для подолання теплопровідності міді. Мідь завтовшки до 4–6 мм можна різати за потужності лазера 3 кВт на системах із BPP менше 2 мм·мрад.
Параметри якості різання
Ширина різу та розмірна точність
Ширина різу — це ширина матеріалу, видаленого лазерним пучком, — зазвичай становить 0,15–0,5 мм і залежить від товщини матеріалу, потужності лазера та положення фокусу. Ширина різу визначає мінімальний розмір внутрішніх елементів: паз, ширина якого менша за приблизно 1,5 ширини різу, не можна вирізати, оскільки пучок видаляє матеріал з обох сторін, у результаті чого утворюється один різ замість двох паралельних кромок.
Точність розмірів на сучасних волоконно-оптичних лазерних верстатах для різання досягає ±0,05–0,1 мм для тонких матеріалів (1–3 мм) і ±0,1–0,3 мм для більш товстих матеріалів (6–12 мм). Теплове спотворення — розширення й стиск аркуша під час різання — стає головним обмеженням точності при товщині понад приблизно 10 мм, оскільки зона, вплинута теплом, простягається далі від краю різу.
Якість кромок та додаткові операції
Кромки, отримані лазерним різанням низьковуглецевої сталі з допоміжним газом (киснем), мають тонкий оксидний шар, який потрібно видалити перед фарбуванням або напиленням порошкового покриття. Кромки нержавіючої сталі та алюмінію, отримані лазерним різанням з азотом, готові до фарбування без додаткового очищення. Шорсткість кромки різу (Rz) зазвичай становить 10–30 мкм за правильно оптимізованих параметрів, що є порівнянним із обробленою поверхнею, яка потребує мінімальної підготовки перед зварюванням.
Зона впливу тепла (HAZ) — це ділянка, де властивості матеріалу змінюються через тепло, що виділяється під час різання, — простягається на 0,1–0,3 мм від краю різу у тонких матеріалів і на 0,3–0,8 мм у більш товстих перерізах. Вузька зона впливу тепла мінімізує необхідність термічної обробки після різання, яку можуть вимагати більш товсті перерізи після плазмового різання, де зона впливу тепла може досягати 2–4 мм.
Поширені запитання
Яку товщину низьковуглецевої сталі може обробляти волоконний лазер потужністю 3 кВт?
Волоконний лазер потужністю 3 кВт ріже низьковуглецеву сталь завтовшки до 12–16 мм за допомогою кисню як допоміжного газу й до 6–8 мм — за допомогою азоту для отримання країв без оксидів. Швидкість різання експоненційно зменшується зі збільшенням товщини: при різанні матеріалу товщиною 16 мм швидкість становить приблизно 0,6–0,8 м/хв порівняно з 3–4 м/хв для матеріалу товщиною 3 мм.
Як волоконний лазер порівнюється з CO₂-лазером у промисловому різанні?
Волоконні лазери забезпечують у 2–3 рази вищу електричну ефективність (30–40 % порівняно з 10–15 %), швидше різання тонких і середніх за товщиною матеріалів, усунення витратних газів для лазерів та нижчу потребу в технічному обслуговуванні. Лазери на CO₂ зберігають перевагу щодо якості країв при різанні матеріалів завтовшки понад 15 мм через інші характеристики поглинання променя.
Який допоміжний газ є найкращим для лазерного різання нержавіючої сталі?
Азот з чистотою понад 99,95 % забезпечує блискучі, неокислені краї при різанні нержавіючої сталі без необхідності очищення після різання. Різання киснем відбувається швидше, але залишає окислений край, який потрібно видалити перед зварюванням або нанесенням покриття. Лазерні різальні верстати з ЧПУ Rayman підтримують автоматичний вибір газу та регулювання тиску для обох газів.
Чи може волоконний лазерний різак обробляти відбивні матеріали, такі як алюміній і мідь?
Так, сучасні волоконні лазери з системами захисту від зворотного випромінювання здатні різати алюміній завтовшки до 12–16 мм (при потужності 3 кВт) та мідь завтовшки до 4–6 мм. Системи з добутком параметрів пучка (BPP) менше 2 мм·мрад забезпечують вищу щільність потужності для відбивних матеріалів.
Яке обслуговування потрібне волоконному лазерному різаку?
Очищення або заміна захисної лінзи кожні 200–500 годин, мащення лінійних напрямних щотижня, заміна фільтрів допоміжного газу щомісяця та заміна охолоджуючої рідини чилера щорічно. Джерела волоконного лазера зазвичай не потребують обслуговування протягом 50 000+ годин роботи до обслуговування модулів лазерних діодів.
Наскільки точними є деталі, вирізані лазером, порівняно з обробленими механічним способом?
Лазерне різання забезпечує розмірну точність ±0,05–0,3 мм (залежно від матеріалу), що достатньо для деталей, готових до зварювання без подальшої механічної обробки. Справжня точність механічної обробки (±0,01–0,02 мм) залишається поза можливостями лазерного різання — деталі, які вимагають такої точності, потребують механічної обробки після різання незалежно від використаного методу різання.