Лазерная резка: полное руководство для начинающих

Определение

Лазерная резка — это использование лазерного луча с высокой плотностью мощности для облучения материала, чтобы он быстро нагрелся до температуры испарения и испарился, образуя отверстие. По мере движения луча по материалу отверстие непрерывно формирует узкий разрез, завершая резку материала.

Принцип

Лазер использует возбуждение вещества для генерации света. Этот свет имеет высокую температуру. При контакте с материалом он может быстро расплавить поверхность, образуя отверстие. Согласно движению контрольной точки, формируется рез. По сравнению с традиционными методами резки, этот метод имеет более узкий разрез и экономит большую часть материала. Однако анализ определяется по результату резки. Материал, резанный лазером, имеет удовлетворительный эффект резки и высокую точность. Это наследует преимущества лазера и не достижимо обычными методами резки.

Лазерная резка использует сфокусированный лазерный луч с высокой плотностью мощности для облучения заготовки, чтобы облучаемый материал быстро плавился, испарялся, аблатировался или достигал температуры возгорания, и одновременно расплавленный материал сдувался высокоскоростным газовым потоком, коаксиальным с лучом, тем самым разделяя заготовку. Лазерная резка — один из термических методов резки.

Типы лазерной резки

Лазерная резка делится на четыре категории: лазерная испарительная резка, лазерная плавильная резка, лазерная кислородная резка, лазернаяscribe-резка и контролируемое ломание.

1. Лазерная испарительная резка

Используя лазерный луч с высокой плотностью энергии для нагрева заготовки, температура быстро поднимается, достигает точки кипения материала за очень короткое время, и материал начинает испаряться, образуя пар. Скорость выброса этих паров очень велика, и одновременно с выбросом паров в материале образуется разрез. Теплота испарения материалов обычно очень велика, поэтому лазерная испарительная резка требует большой мощности и плотности мощности.

Преимущественно используется для резки очень тонких металлических и неметаллических материалов (бумага, ткань, дерево, пластик, резина и т.д.).

2. Лазерная плавильная резка

При лазерной плавильной резке металлический материал плавится лазерным нагревом, затем через сопло, коаксиальное с лучом, подается неокисляющий газ (Ar, He, N и др.), и жидкий металл удаляется сильным давлением газа, образуя разрез. Лазерная плавильная резка не требует полного испарения металла, необходимая энергия составляет только 1/10 от испарительной резки.

Основное применение: резка материалов, трудно окисляющихся или активных металлов, таких как нержавеющая сталь, титан, алюминий и их сплавы.

3. Лазерная кислородная резка

Принцип похож на кислородно-ацетиленовую резку. Использует лазер как источник предварительного нагрева и активный газ (кислород) как режущий газ. С одной стороны, выдуваемый газ взаимодействует с резаемым металлом, вызывая реакцию окисления и выделяя большое количество теплоты окисления; с другой стороны, расплавленный оксид и расплав выдуваются из зоны реакции, образуя разрез в металле. Поскольку реакция окисления выделяет много тепла, энергия для лазерной кислородной резки составляет только 1/2 от плавильной резки, а скорость резки намного выше лазерной испарительной и плавильной резки. Применяется преимущественно для легко окисляющихся металлов: углеродистая сталь, титановая сталь, закаленная сталь.

4. Лазерная scribe-резка и контролируемое ломание

Лазерная scribe-резка использует лазер с высокой плотностью энергии для сканирования поверхности хрупкого материала, нагревая его до испарения небольшой канавки, затем прикладывается определенное давление, и хрупкий материал трескается вдоль канавки. Лазеры для scribe-резки — обычно Q-switched лазеры и CO2 лазеры.

Контролируемое ломание использует крутую температурную градиенту, создаваемую лазерной канавкой, которая генерирует локальные термические напряжения в хрупком материале и ломает его вдоль канавки.

Особенности

По сравнению с другими термическими методами резки, лазерная резка в целом отличается высокой скоростью и качеством. Конкретно:

1. Хорошее качество резки

Благодаря малому лазерному пятну, высокой плотности энергии и высокой скорости резки, получается хорошее качество.

• Разрез узкий, обе стороны параллельны и перпендикулярны поверхности, точность размеров резаных деталей достигает ±0,05 мм.
• Поверхность реза гладкая и красивая, шероховатость всего десятки микрон, лазерную резку можно использовать как финальную операцию, без механической обработки, детали можно использовать напрямую.
• После лазерной резки ширина зоны термического влияния очень мала, свойства материала рядом с разрезом почти не меняются, деформация заготовки мала, высокая точность резки, хорошая геометрия разрез, поперечное сечение более правильного прямоугольного формы.

2. Высокая эффективность резки

Благодаря передаточным характеристикам лазера, станок обычно оснащен несколькими ЧПУ столами, весь процесс полностью ЧПУ-управляем. При работе достаточно изменить ЧПУ-программу, чтобы применить к деталям разной формы, как плоской, так и объемной резке.

3. Высокая скорость резки

Используя лазер мощностью 1200 Вт для резки 2-мм листа низкоуглеродистой стали, скорость достигает 600 см/мин; резка 5-мм полипропиленовой пластины — 1200 см/мин. Материал не нужно зажимать и фиксировать, что экономит оснастку и вспомогательное время на загрузку/разгрузку.

4. Бесконтактная резка

Режущая головка не контактирует с заготовкой, нет износа инструмента. Для обработки деталей разной формы не нужно менять «инструмент», достаточно изменить выходные параметры лазера. Процесс с низким шумом, малой вибрацией и без загрязнения.

5. Большое разнообразие резаемых материалов

По сравнению с кислородно-ацетиленовой и плазменной резкой, лазерная резка применима к металлам, неметаллам, металло- и неметалло-основанным композитам, коже, дереву, волокнам. Но для разных материалов, из-за разных термофизических свойств и коэффициентов поглощения лазера, адаптивность различается.

Применение

Большинство лазерных резаков управляются ЧПУ-программами или сделаны режущими роботами. Как метод точной обработки, лазерная резка может резать почти все материалы, включая 2D и 3D резку тонких металлических листов.

В автомобилестроении технология резки пространственных кривых (например, лобовых стекол) широко применяется. Volkswagen использует лазер 500 Вт для резки сложных деталей кузова и криволинейных деталей. В авиакосмической сфере — резка специальных материалов: титановые сплавы, алюминиевые, никелевые, хромовые, нержавеющая сталь, оксид бериллия, композиты, пластики, керамика, кварц. Детали: горелочные трубки двигателей, тонкостенные оболочки из титановых сплавов, рамы самолетов, титановые обшивки, фермы крыльев, панели хвостового оперения, главные роторы вертолетов, керамические теплоизоляционные плитки космических кораблей.

Лазерная резка также широко используется для неметаллических материалов. Не только материалы с высокой твердостью и хрупкостью (нитрид кремния, керамика, кварц), но и гибкие материалы: ткань, бумага, пластиковые листы, резина. Например, лазерная резка одежды экономит 10–12% ткани, повышает эффективность более чем в 3 раза.

Тенденции

1. Продолжение эпохальной революции продукта

Лазерный источник — ключевой компонент резака, определяющий тип и способность. Будущие изменения также будут в источниках. Замена CO2 лазерных резаков волоконно-оптическими — самая важная технологическая революция за 40 лет, принесшая эпохальные экономические выгоды. В будущем появится ли новый источник дешевле волоконных лазеров, с лучшей производительностью, лучшим режимом луча, более высоким КПД или меньшей общей стоимостью? Ответ — да. Но какой именно лазер — точный ответ сейчас невозможен. Наука иногда застаивается, иногда делает скачки.

2. Высокомощные волоконно-оптические лазеры станут основной силой рынка

Сейчас волоконно-оптические резаки разных диапазонов мощностей сильно развиваются. Но где будет основная мощность в будущем? Хотя резаки каждого диапазона имеют свое применение, семейство лазеров, начавшееся с высокомощных волоконных лазеров и вызвавшее глобальную революцию, считает более высокую мощность, точность и режущую способность важным направлением. STYLECNC недавно запустил 15 кВт ультрабыстрый волоконно-оптический резак, достигнув беспрецедентного прорыва в скорости и толщине резки, привлекая внимание отрасли. Содержит ли это будущую тенденцию? Стоит ожидать мнения экспертов. Кроме того, в ближайшем будущем многие производители вступят в жестокую конкуренцию. Только компании с отличным качеством, постоянными инвестициями в НИОКР и владеющие ключевыми технологиями смогут быть непобедимыми.

3. Приходит эра интеллекта

Будет ли Industry 4.0 в Германии или интеллектуальное производство в Китае, четвертая промышленная революция наступает. Как высокоточный ЧПУ лазерный резак, он будет держать шаг с временем. Развитие автоматизации лазерных резаков значительно повысило производительность и уровень автоматизации цехов листового металла.

В будущем, на этой основе, зреет эра интеллектуального производства лазерных резаков в областях сетевых, коммуникационных, компьютерных технологий. Предвидится, что как средство точной заготовки листового металла, он будет использовать свои сетевые возможности для связи с линиями размотки, прессов, ЧПУ прессами, сварочными участками, линиями пескоструйки и покраски. Другие оборудования, встроенные в единый производственный план, система управления задачами и оценкой, станут важной частью системы управления цехом листового металла. В результате производители лазерных резаков постепенно превратятся в подрядчиков по обработке листового металла.