ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ТЕХНОЛОГИИ ЛАЗЕРНОЙ РЕЗКИ МЕТАЛЛОВ

BASIC PRINCIPLES OF LASER METAL CUTTING TECHNOLOGY

Kristina Barilo

Student, Don State Technical University, Russia, Rostov-on-Don

Svetlana Oboimova

Student Don State Technical University, Russia, Rostov-on-Don

Аннотация. В данной статье рассмотрены сущность и технология использования лазера при резке металла, достоинства и недостатки станков лазерной резки, некоторые виды лазеров.

Abstract. This article discusses the essence and technology of using a laser when cutting metal, the advantages and disadvantages of laser cutting machines, some types of lasers.

Ключевые слова: лазерная обработка; лазерные установки; лазер; лазерная резка.

Keywords: laser processing; laser installations; laser; laser cutting.

Открытый не так давно, в XX веке, лазер «высвечивает» себе путь во всех сферах жизни человечества. Особенно во многих областях производства. В частности лазер используется для резки деталей, изготовленных из самых различных материалов. Он позволяет выполнять такие манипуляции: вырезать корпуса устройств, детали конструкций, создавать отверстия. Эта технология используется для различных по прочности и хрупкости материалов, для тонких листов и тугоплавких металлов. Перспективные отличия лазерных технологии делают лазерную резку металла очень востребованной в настоящее время.

Основными преимуществами лазерной резки над механической являются:

• выполнение точного и ровного реза;
• деликатное воздействие;
• отсутствие окалины на кромках;
• отсутствие деформации детали т.к. используется бесконтактный рез (поэтому возможна резка даже тонких листов);
• отсутствие нагрева и деформации благодаря охлаждению газом;
• отсутствие термического расширения, т.к. нагревается только участок реза, а не вся заготовка;
• детали эффективно размещаются на листе, что помогает уменьшить трату материалов;

Указанные выше преимущества делают лазерные технологии в ряде случаев не только прогрессивными, но и незаменимыми. В основе всех этих технологий лежат процессы плавления и испарения твердого тела лазерным излучением.

Рассмотрим лазерные установки, имеющие узкоспециализированный круг применения. Их работа основана на получении сфокусированной энергии. Чтобы ее было достаточно специальный аппарат проводит фокусировку энергии в один луч. В процесс производства высокоточных деталей с помощью лазера внедряют ЧПУ, без которого зачастую невозможна обработка. Лазерный раскрой металла получается без механической деформации обрабатываемого материала, а температурное воздействие лазерного излучения сосредоточенно в узкой зоне разреза. Эти факторы позволяют осуществлять обработку необходимых участков изделия без воздействия на структуру остальной его части. При этом способе обработки детали получаются с высоким уровнем качества поверхности среза, не требующим его дальнейшей обработки. Вследствие этого достигается высокая производительность данной технологии, если сравнивать ее с другими способами обработки металлов.

Лазерное оборудование, применяемое при резке, классифицируют по источникам излучения и выходной мощности, которая также определяет материал обработки. Для обработки черных металлов и нержавеющей стали применяют твердотельные (на гранате с неодимом Nd:YAG), квазинепрерывные и импульсно–периодические источники лазерного излучения с выходной мощностью 100-300 Вт. Для обработки же легированных сталей и некоторых видов сплавов используют газовые непрерывные СО2 лазеры с выходной мощностью до 2500 Вт. В большинстве случаев современное оборудование для лазерной резки металла состоит из:

· лазера с системами охлаждения и питания;

· координатного стола для крепления заготовки;

· компьютерной системы управления столом;

· устройства подачи технологического газа;

· вентиляционной системы.

До недавнего времени наиболее популярным видом лазера для промышленной резки материала в среде был двуоксид углерода. CO2 - лазер достаточно стабилен при сохранении других положительных технологических свойств. При этом затраты на газ на один погонный метр реза сравнимы с энергетическими затратами.

В настоящее время большое распространение получили волоконные лазеры. Волоконный лазер - лазер, активная среда и резонатор которого являются элементами оптического волокна. Плюсы волоконного лазера:

· высокая надежность, не нужны зеркала, лазерные газы, линзы, фильтры и специальные масла;

· низкая стоимость обслуживания;

· себестоимость резки ниже в 3-5 раз по сравнению с лазерами CO2;

· малые затраты энергии;

· низкие требования к охлаждению, качеству воздуха в производственном помещении;

· снижены требования к квалификации обслуживающего и рабочего персонала.

Так как при работе лазер перегревается, для его охлаждения используют двухконтурные водяные системы, либо холодильные компрессоры на фреоне. Исходя из решаемых технологических задач, источники питания лазера бывают трансформаторные или импульсные. Там, где нужна надежность, используют трансформаторные схемы; при минимизации лазерных установок применяют импульсные.

Современные координатные столы являются высокоточным оборудованием и чаще всего базируются на портальной схеме («летающей оптике»), где неподвижная металлическая заготовка режется перемещаемым лазерным лучом. Но существуют и другие схемы. К примеру, при резке Nd:YAG - лазерами луч перемещается по одной координате, а стол с листовым материалом, по другой. Управление координатным станком осуществляется промышленным компьютером и включает пакет следующих файлов:

· программ ввода исходных данных (электронных чертежей) в графических редакторах AutoCAD, CorellDraw, Adobe Illustrator и др. (форматы *.plt, *.ai, *.dxf, *.cf2);

· управляющих программ поворота, масштабирования и размножения исходного файла (чертежа) по рабочему полю стола;

· программ настройки параметров лазерной обработки и режима врезки, автоматического учета ширины реза, определения внутренних и внешних контуров, корректировки режима резки непосредственно в технологическом процессе и др.;

· программ настройки параметров координатного привода и рабочей среды оператора, генерацию (рисование) простейших геометрических фигур;

· программ подключения внешних устройств, управления лазерным излучателем, связь с внешней локальной сетью.

Достоинства станков лазерной резки:

1. Высокая точность и производительность. Благодаря использованию системы ЧПУ идет полная автоматизация многих процессов обработки. Сделать ее быстрее стало возможно благодаря значительному увеличению мощности квантового генератора.

2. Раскроечный процесс происходит с максимальной экономичностью.

3. Исключена необходимость включения этапа доработки торцов или их гравировки с перебазированием, использованием другого оборудования.

4. Станки по металлу с лазерной установкой применимы при необходимости выполнения гравировки или другого типа обработки на момент штучного, мелкосерийного или крупносерийного производства. Также они применяются для гравировки и другой обработки в случае, когда не допускается возникновение механического напряжения. Также отсутствие механического напряжения определяет возможность проведения гравировки или резки по твердому металлу.

5. Есть возможность нанесения мини технологической разметки для последующей сборки по ней.

6. Может использоваться для создания нестандартных изделий, которые имеют профиль различной геометрии и уровня сложности.

7. Сделать детали можно с меньшими затратами, что понижает окончательную стоимость продукта.

8. Лазерная резка металла не производит механического воздействия на обрабатываемое изделие, что позволяет применять его для резки хрупких, непластичных материалов.

9. Температурное воздействие лазерного излучения на деталь локализовано в узкой области реза, в результате не происходит ее нагрева и тепловой деформации, что позволяет применять лазерный раскрой металла для тонких деталей.

К недостаткам лазерной обработки, стоит отнести дороговизну оборудования, необходимость иметь компетентных специалистов на таком оборудовании, сложность ремонта.