Ключевые факторы, влияющие на качество лазерной резки для оптимальной точности

Лазерные резаки стремительно развиваются в металлообработке. Преимущества: высокая скорость, узкий разрез, широкая применимость, высокая точность. Но требования к качеству растут из-за развития производства и новых процессов. Это ставит более высокие требования к качеству ЧПУ-лазерных резаков.

Процесс резки сложен, много факторов. При некомпетентном контроле качество и точность сильно страдают — неудовлетворительный результат. Необходимо системно изучать и анализировать факторы качества для лучших результатов.

Статья перечисляет критерии оценки и факторы, влияющие на качество резки металла лазером, а также простые полезные решения для устранения дефектов.

Критерии оценки качества лазерной резки

Шероховатость

На сечении реза вертикальные линии. Глубина линий определяет шероховатость. Меньше глубина — гладче поверхность — лучший результат.

Заусенцы

Вспомогательный газ дует шлак после пробития металла. Но в реальности часть шлака остывает и образует заусенцы на нижнем краю детали. Причины: толстые листы, недостаточное давление газа, несовпадение скоростей подачи и др. Много заусенцев = плохое качество.

Перпендикулярность

При тонких листах перпендикулярность не критична. Но при толщине >10 мм — критично. Луч расходится при удалении от фокуса, разрез расширяется к верху или низу (в зависимости от позиции фокуса). Кромка отклоняется от вертикали на сотые доли мм. Чем вертикальнее кромка, тем выше качество волоконного лазера.

Ширина реза

Обычно не влияет на качество. Важно только при формировании точных внутренних контуров — ширина реза определяет минимальный внутренний диаметр. При увеличении толщины листа ширина реза растет. Нужно обеспечить устойчивость заготовки в зоне обработки для стабильной высокоточной резки.

Полосатость (линии)

При высокоскоростной резке толстых листов расплавленный металл не выходит вниз по вертикальному лучу, а вылетает назад по ходу луча. На кромке образуются изогнутые линии, повторяющие траекторию луча. Решение: снизить подачу в конце резки.

Факторы, влияющие на качество резки

Пункт 1: Влияние мощности лазера на качество резки

Для лазеров непрерывного излучения значение и режим мощности критически важны. Часто ставят макс. мощность для высокой скорости или толстых материалов — но не всегда верно.

Иногда режим луча (распределение энергии на сечении) важнее. Режим меняется при увеличении мощности. Часто максимальная плотность мощности и лучшее качество достигаются в фокусе при мощности ниже максимальной.

1. Мощность слишком мала: недостаточное нагревание материала. Чем ближе к нижнему краю, тем ниже температура расплава. Высоконапорный поток не выдувает шлак полностью — он прилипает к кромке.
2. Мощность слишком велика: избыточный тепловой ввод. Зона плавления шире, чем может выдуть газ. Часть расплава остается на листе — перегар.

Нужно особое внимание к мощности под конкретные условия.

Пункт 2: Влияние позиции фокуса на качество резки

Выбор фокусного расстояния линзы — критически важен.

После фокусировки размер пятна пропорционален фокусному расстоянию. Короткофокусная линза — малое пятно, высокая плотность мощности в фокусе — выгодно для резки. Но фокусное расстояние очень мало, узкий диапазон регулировки. Подходит для высокоскоростной резки тонких материалов.

Длиннофокусная линза — большое фокусное расстояние, подходит для толстых заготовок (при достаточной плотности мощности).

Относительное положение фокуса и поверхности заготовки — особенно важно после выбора фокусного расстояния.

Фокус должен быть на поверхности или чуть ниже в большинстве случаев — там максимальная плотность мощности волоконного лазера.

Постоянство положения фокуса относительно заготовки — важное условие стабильного качества. Фокусное расстояние может меняться из-за плохого охлаждения линзы — нужна коррекция.

Правильный фокус дает самый узкий разрез, высокую эффективность, лучшее качество.

Обычно фокус устанавливают чуть ниже сопла. Расстояние сопла к поверхности ~1,5 мм.

Пункт 3: Влияние скорости резки на качество

Скорость резки волоконного лазера следует эмпирической формуле для заданной мощности и материала. Пока выше порога, скорость пропорциональна мощности. Увеличение мощности увеличивает скорость. Под мощностью понимается не только выходная мощность лазера, но и качество режима луча. Размер пятна после фокусировки тоже сильно влияет.

Скорость пропорциональна плотности и толщине материала. Повысить скорость можно: увеличением мощности (в пределах), улучшением режима луча, уменьшением пятна, резкой тонких материалов.

При постоянных параметрах процесса скорость имеет диапазон регулировки с удовлетворительным качеством. Диапазон шире для тонких металлов. Иногда слишком низкая скорость тоже вызывает абразию расплавом поверхности — шероховатые кромки.

Пункт 4: Влияние вспомогательного газа на качество

Резка металла лазером требует вспомогательных газов. Важно: тип и давление. Газ выходит коаксиально с лучом. Защищает линзу от загрязнения и выдувает шлак с дна реза.

Чаще используют активные газы (преимущественно O2) для окислительной реакции с нагретым металлом. Дополнительное тепло повышает скорость резки на 1/3–1/2.

При резке тонких листов нужен высокий давление газа — избежать прилипания шлака к задней стенке реза, повреждающей кромки. При толстых листах или низкой скорости — снижать давление.

Практика: при O2 чистота сильно влияет на качество. Падение чистоты O2 на 2% снижает скорость на 50% и ухудшает качество.

Советы по улучшению качества лазерной резки

При эксплуатации встречаются проблемы: шероховатые кромки, заусенцы, деформация, недобитие, смена цвета. Каждая требует проверки параметров/условий.

При следующих 4 проблемах сначала самопроверьте станок по данным методам. Если остаются — свяжитесь с поставщиком или специалистами.

Устранение заусенцев

1) Проверить лазерное излучение волоконного лазера: круглое ли пятно, соосно ли оно центру сопла.
2) Проверить оптическую систему на инородные частицы, пыль, шлак на линзе, микротрещины. Всё это влияет на передачу мощности.
3) Если вышеуказанное в порядке — менять параметры резки или чистоту газа. Подбирать оптимум многократными тестами.

Предотвращение деформации

Зона около реза нагревается, структура металла меняется (некоторые металлы закаляются). Любые вмятины/коррозия вредны для кромок — это ошибки, которых нужно избегать. Металл деформируется при резком нагреве.

Для предотвращения: контролировать мощность лазера или использовать короткие импульсы для снижения нагрева. Особенно важно в тонкой обработке, где контуры и перемычки узкие.

Решение проблемы недобития

• Уменьшить скорость резки.
• Чистить/заменять загрязненные отражательные линзы и фокусирующую линзу.
• Перерегулировать оптический путь: фокус до соосности пятна с центром сопла.
• При меди/алюминии — предварительно полировать поверхность (высокая отражательность).
• Своевременно чистить мусор внутри сопла.
• Корректировать давление газа по ситуации.
• Своевременно менять дистиллированную воду в системе охлаждения.

Решение смены цвета

Изменение цвета у реза — окисление материала при высоких температурах. Нержавейка — термостойкая и теплоизоляционная (плохая теплопроводность). При резке накапливается высокое у реза — окисление на воздухе. Глубина окисления зависит от температуры — разные цвета.

Также медленная скорость, неправильный фокус, чистота газа вызывают смену цвета.

Методы снижения смены цвета:
1) Охлаждать материал, если горячий.
2) Увеличить скорость подачи.
3) Тестировать локатором и регулировать фокус.
4) Повысить давление вспомогательного газа.
5) Использовать качественный высокочистый N2.

Рекомендации по лазерным станкам

Модели Blue Elephant рассматривались в ранней статье. Здесь — бестселлеры.

Станок для резки листового металла

Кроме специализированных трубных, все остальные режут листы. Популярней — открытый плоскостоловый лазерный резак.

Размеры столов: 1515×3030, 1515×4040, 1515×6050, 2020×4040, 2020×6050 мм и кастомные. Настройки: мощность/бренд лазера, тип/бренд головки, моторы, фокусировка и др.

Самый популярный — 1530 (1515×3000 мм). Относительно дешево, покрывает большинство нужд. Много мастерских режут на нем металлические двери, окна, заборы.

Смотрите видео резки высокоотражательного материала — латуни.

Комбинированный станок (труба + лист)

Две функции в одном. Половина — листы, половина — трубы. Два пневматических патрона держат и вращают трубы устойчиво.

Смотрите видео работы: резка стальных и латунных листов и труб.

Высокоточный волоконно-лазерный станок

Большой защитный кожух, небольшая рабочая зона. Экстремально высокая точность резки листов. В основном для тонких листов.

5 моделей: 6060, 9060, 9090, 1390, 1313 (цифры — размер стола в см: 605×605, 905×605 и т.д.).

Смотрите видео процесса. Свяжитесь для котировки.

Заключение

Описаны 4 главных фактора качества волоконного лазера. Есть и другие: коэффициент отражения, состояние поверхности материала — влияют на поглощение луча. Диаметр сопла, расстояние сопла-заготовка, оптические пути тоже важны.

Краткая сводка факторов:

Факторы, влияющие на качество лазерной резки
Основные факторы	Мощность и режим лазера
	Позиция фокуса
	Скорость резки
	Вспомогательный газ
Прочие факторы	Состояние материала Сопло Оптическая система И т.д.

Итого: мощность/режим, фокус, скорость, давление газа — 4 главные переменные. При явном ухудшении качества проверяйте эти 4 фактора и корректируйте при аномалиях.

Проблемы неизбежны в реальной работе, как бы хорош ни был станок. При проблемах с нашими станками — сразу связывайтесь со мной. Дадим своевременные решения.