Технология лазерной резки Параметры и показатели эффективности 

(1) Мощность лазера

Что касается свойств материала, то если отражательная способность поверхности материала высока, то при облучении поверхности лазером большая часть энергии будет отражаться обратно, а не поглощаться материалом для резки. Поэтому для обеспечения достаточной энергии для резки необходимо увеличить мощность лазера. Аналогично, если теплопроводность материала высока, тепло, выделяемое лазерным излучением, будет быстро передаваться внутрь материала, что затруднит повышение температуры в зоне резки до уровня, достаточного для резки. В этом случае мощность лазера также необходимо увеличить для повышения эффективности резки. Кроме того, для резки материалов с высокой температурой плавления также требуется большая мощность лазера и плотность мощности. Это связано с тем, что для расплавления или испарения материалов с высокой температурой плавления, необходимой для достижения цели резки, требуется больше энергии.

(2) Скорость резки

При определенных условиях мощности, когда толщина пластины увеличивается, лазерному лучу необходимо проникать в более глубокие слои материала для завершения резки. Исследования показали, что зависимость между скоростью резки и шероховатостью поверхности реза не является простой линейной, а имеет U-образную форму. Это означает, что для материалов различной толщины пластины и различных условий давления режущего газа существует оптимальная скорость резки. При резке на этой скорости значение шероховатости поверхности реза может быть минимизировано, то есть рез будет максимально гладким. В целом, чем выше скорость резки, тем больше требуется мощности.

(3) Давление газа (поток газа)

В процессе резки расплава лазерный луч нагревает материал до температуры плавления. В это время газ выдувает жидкий металл, образуя разрез. Давление газа должно быть достаточно высоким, чтобы эффективно удалять расплавленный металл и обеспечивать непрерывность резки и четкость разреза. Расход газа также зависит от формы сопла. Различные формы сопел по-разному влияют на распределение и характеристики потока газа, поэтому применимый расход газа также будет различным. При выборе сопла и настройке расхода газа необходимо подобрать и оптимизировать его в соответствии с конкретными требованиями к резке и свойствами материала.

(4) Качество луча, фокусное расстояние линзы и расфокусировка

Режим лазерного луча, излучаемого лазером, имеет решающее значение для эффективности резки. Основной поперечный режим (режим TEM00) считается наиболее идеальным режимом лазерного луча для резки благодаря малому диаметру луча и концентрированной энергии. Экспериментальные исследования показали, что ширина разреза практически равна диаметру лазерного пятна при резке без использования кислорода. Размер пятна пропорционален фокусному расстоянию фокусирующей линзы, то есть чем больше фокусное расстояние, тем больше пятно; чем меньше фокусное расстояние, тем меньше пятно. Однако, хотя линза с коротким фокусным расстоянием может получить меньшее пятно, ее фокусная глубина также соответственно уменьшается. Чем меньше фокусная глубина, тем строже требования к расстоянию от поверхности заготовки до линзы. Значение расфокусировки оказывает большое влияние на скорость и глубину резки и должно оставаться неизменным в течение всего процесса резки. Обычно значение расфокусировки отрицательное, то есть фокусное положение находится в определенной точке ниже поверхности режущей пластины.

(5) Сопло

Сопло является важным компонентом, влияющим на качество и эффективность лазерной резки. При лазерной резке обычно используется коаксиальное (концентричное по потоку воздуха и оптической оси) сопло, а диаметр выходного отверстия сопла следует выбирать в зависимости от толщины листа. Кроме того, расстояние от сопла до поверхности заготовки также оказывает большое влияние на качество резки. Для обеспечения стабильности процесса резки это расстояние должно оставаться постоянным.

Лазерная резка промышленных материалов

(1) Лазерная резка металлических материалов

Практически все металлические материалы обладают высокой отражательной способностью по отношению к инфракрасному свету при комнатной температуре. Например, коэффициент поглощения лазера на углекислом газе с длиной волны 10,6 мкм составляет всего 0,5–10%. Однако, когда плотность мощности превышает сфокусированный луч, поверхность может начать плавиться за микросекунды. Коэффициент поглощения большинства расплавленных металлов резко возрастает, обычно до 60–80%. Поэтому лазеры на углекислом газе успешно используются во многих областях металлообработки.

Максимальная толщина листов углеродистой стали, которую можно разрезать современными системами лазерной резки, превышает 20 мм. Ширина режущего шва листов углеродистой стали может контролироваться в пределах приемлемого диапазона методом кислородно-плавильной резки, а ширина режущего шва тонких стальных листов может составлять всего около 0,1 мм. Лазерная резка является эффективным методом обработки листов из нержавеющей стали. Она позволяет контролировать зону термического воздействия в очень малых пределах, тем самым сохраняя коррозионную стойкость. Большинство легированных конструкционных сталей и легированных инструментальных сталей могут получить хорошее качество режущей кромки с помощью лазерной резки.

Алюминий и алюминиевые сплавы нельзя резать методом плавления с использованием кислорода. Необходимо использовать механизм резки с плавлением. Для лазерной резки алюминия требуется очень высокая плотность мощности, чтобы преодолеть его высокую отражательную способность при длине волны лазера 10,6 мкм. 1. Лазерные лучи YAG с длиной волны 1,06 мкм могут значительно улучшить качество и скорость лазерной резки алюминия благодаря высокой степени поглощения.

Титан и титановые сплавы, широко используемые в авиастроении, вступают в интенсивные химические реакции при использовании кислорода в качестве вспомогательного газа, что приводит к высокой скорости резания, но при этом легко образуется оксидный слой на режущей кромке, что может даже вызвать перегрев.

Для обеспечения высокого качества резки безопаснее использовать инертный газ в качестве вспомогательного газа. Большинство никелевых сплавов также можно резать методом плавления с использованием кислорода. Медь и медные сплавы обладают слишком высокой отражательной способностью и практически не поддаются резке с помощью углекислотных лазеров с длиной волны 10,6 мкм.

(2) Лазерная резка неметаллических материалов

Луч CO2-лазера с длиной волны 10,6 мкм легко поглощается неметаллическими материалами. Его низкая отражательная способность и температура испарения позволяют почти всей поглощенной световой энергии проникать в материал, мгновенно вызывая испарение с образованием отверстий и замыкая замкнутый цикл процесса резки. Лазерной резкой можно обрабатывать пластмассы, резину, дерево, бумажные изделия, кожу, натуральные ткани и другие органические материалы. Однако толщина древесины должна быть ограничена. Толщина древесных плит не должна превышать 75 мм, а толщина ламината и древесно-стружечных плит составляет около 25 мм. Среди неорганических материалов лазерной резкой можно обрабатывать кварц и керамику. Последние следует резать с контролируемым изломом и не следует использовать высокую мощность. Стекло и камень, как правило, не подходят для лазерной резки.

Другие материалы, которые трудно обрабатывать традиционными методами, такие как композитные материалы и твердые сплавы, можно резать лазером, но для этого необходимо экспериментальным путем выбрать наиболее подходящие механизмы резки и параметры процесса.

В практическом применении технологии лазерной резки одними из важнейших аспектов, которые нам часто приходится учитывать, являются повышение эффективности резки, улучшение качества резки и снижение затрат на резку.

Усовершенствование технологии лазерной резки для повышения эффективности производства, качества резки и снижения затрат может быть достигнуто за счет следующих аспектов:

1.Благодаря развитию лазерных технологий, использование лазеров большей мощности (например, 10 000-ваттных) позволяет значительно увеличить скорость резки, одновременно уменьшая зоны термического воздействия и деформацию материала, что делает резку более эффективной и качественной, особенно при резке более толстых материалов.

2.Разумно отрегулируйте такие параметры, как мощность лазера, скорость резки, тип и давление вспомогательного газа, а также расстояние между соплом и обрабатываемым материалом, и выполните детальную настройку в зависимости от конкретных материалов и требований к резке. Найдите оптимальное сочетание параметров путем проведения многочисленных испытаний для повышения эффективности и качества резки.

3.Благодаря системе автоматической фокусировки положение лазерного луча автоматически регулируется в зависимости от толщины и типа материала, что обеспечивает точность резки.

4.Сокращение времени простоя при резке и повышение общей эффективности работы за счет быстрого перемещения режущей головки к следующей начальной точке резки.

5.Автоматическое определение кромок материала и углов наклона, автоматическая корректировка траектории резки, сокращение отходов материала и времени предварительной обработки.

6.Используйте программное обеспечение ЧПУ для моделирования процесса резки, планирования простейшей траектории резки, сокращения количества холостых ходов, а также повышения эффективности использования материала и скорости резки.

7.Регулярно проводите техническое обслуживание и ремонт лазерного станка, включая замену изнашиваемых деталей, очистку оптических компонентов, калибровку оборудования и т. д., чтобы обеспечить долговременную стабильную работу оборудования и поддерживать оптимальную производительность резки.

8.Поддерживайте чистоту рабочей зоны станка лазерной резки, соблюдайте соответствующую температуру и умеренную влажность, чтобы избежать воздействия пыли и избыточной влажности на оборудование и качество резки.

9.Используйте более совершенные системы и программное обеспечение ЧПУ для повышения точности управления и скорости реакции, а также для поддержки более сложных задач резки.

10.Продолжать уделять внимание новым разработкам в области лазерных технологий, таким как более эффективные лазерные источники, более совершенные оптические системы, интеллектуальные программные алгоритмы и т. д., для непрерывного повышения возможностей резки.