Лазерная резка металла — это процесс нагревания и разрушения металла при помощи лазерного луча. Международное название технологии — Laser Beam Cutting (LBC).
На сегодняшний день существует 3 основных способа работы лазера по металлу:
- Плавление — наиболее распространенный способ, который подходит для большого количества материалов. Луч лазера разогревает поверхность металла до температуры плавления, которая различается у видов сырья. При правильно подобранном режиме металл расплавляется только по срезу, целостность кромок сохраняется. В зону обработки бьет поток сжатого газа, который выдувает расплавленный металл, охлаждает края, предотвращает плавление и деформации на срезах. Например, присутствие кислорода при резке нержавеющей стали или алюминия грозит окислением места среза, поэтому поверхность обдувается азотом. Алгоритм движения составлен на базе информации о материале (толщине, температуре плавления) и заложен в программное обеспечение, которое управляет действиями оборудования. Эта технология отличается высокой точность, скоростью и экономичностью.
- Горение — способ лазерной резки металла, который оптимизирует обработку черных металлов, но не подходит для цветных металлов и стали с высоким содержанием легирующих элементов. Воздействие кислорода дает в несколько раз больше тепловой энергии, чем работа лазера. Себестоимость процесса и время обработки уменьшаются. Методика имеет недостаток — горят кромки некоторых материалов. Затраты на постобработку срезов могут превысить экономию непосредственно резки. Выбор технологии лазерной резки “горение” определяет материал. Например, черная сталь в процессе обработки не образует оксидов или позволяет легко удалить их. Сплавы алюминия и нержавеющая сталь при контакте с O₂ окисляются, поэтому при раскрое этих материалов поступление кислорода отсекают струей азота.
- Испарение — используется редко, востребован только при резке тонкостенных изделий или листов малой толщины. Луч работает не сплошной струей, а короткими импульсами, рассчитанными на то, чтобы расплавить и испарить металл, не задев ничего вокруг, например, подложку (в изделиях). Воздушный напор удаляет технический мусор из рабочей области. Эта методика требует значительно большего нагрева материала. Например, алюминий плавится при 660 ํС, а закипает при 2 519 ํС. Соответственно, нужно почти в четыре раза больше энергии. Процесс более затратный, поэтому оправдан только в случаях, где не справляются другие технологии.
Таким образом, лазерная резка методом плавления — оптимальное соотношение цены и качества для большинства материалов.
Оборудование для лазерной резки
Устройства классифицируют по разным параметрам. По типу рабочей среды — источника лазерного излучения — выделяют три вида приборов:
- Твердотельные системы. В осветительном модуле располагается твердое рабочее тело и газоразрядная лампа высокой мощности. Рабочим телом может служить стержень из рубина, неодимового стекла и других материалов. Края стержня оснащены зеркалами: полупрозрачным и отражающим. Луч лазера, созданный рабочим телом, набирает мощность, благодаря множественным отражениям и выходит наружу через полупрозрачное зеркало.
- Газовые устройства. В них работает CO₂ (отдельно или в комплексе с гелием и азотом). Углекислый газ активизируют электроразряды. Для увеличения мощности также используют систему зеркал.
- Газодинамические приборы обладают самой высокой мощностью. Активным веществом тоже является оксид углерода (CO₂), разогретый до температуры в диапазоне от 726 до 2726 °С. Он активизируется при помощи дополнительного лазерного луча небольшой мощности. Проходя через специальное сопло, газ меняет состояние и становится источником излучения. Этот вид оборудования самый дорогостоящий.
Выбор вида лазерной резки зависит от материала, который необходимо обработать.
ЧПУ, использующие углекислый газ, отлично справляются со сваркой, раскроем, гравировкой металла, стекла, пластика и другого сырья. Оборудование твердотельного типа эффективно для резки алюминия, меди, серебра, латуни. Не работают с неметаллическими материалами.
Качество лазерной резки. От чего оно зависит?
Под качеством лазерной резки обычно понимают точность, качество реза (минимальную шероховатость, прямые стенки), скорость предоставления услуг.
Результат работ зависит от многих составляющих:
- Типа и размеров детали;
- Правильной настройки оборудования для лазерной резки;
- Технического состояния ЧПУ-станка;
- Качества разработки макета.
Чтобы получить нужный результат, необходимо учесть все эти параметры. При соблюдении правил использования, лазерные резаки обеспечивают точность до 0,1 мм.
Скорость резки обусловлена мощностью оборудования, толщиной и теплопроводностью обрабатываемого материала. Чем выше показатель, тем быстрее отводится тепло с рабочего участка, соответственно требуется больше энергии. Например мощности лазера в 600 Ватт достаточно для резки титана или черных металлов, но мало для меди или алюминия.
Особенности резки отдельных металлов
Индивидуальные свойства материалов требуют применения различных технологий лазерной резки. Сплавы и цветные металлы обрабатывают на станках мощностью не ниже 1 кВт, для работы с черными металлами будет достаточно мощности от 0,5 кВт.
Раскрой высокоуглеродистых сталей осуществляется в основном по газолазерной технологии с применением кислорода. Благодаря сильной тепловой реакции в зоне воздействия лазера, увеличивается скорость обработки металлического листа.
Этот метод дает высокое качество реза. Для фигурной резки, например, заготовок с острыми углами или отверстиями, в комплексе с лазерным лучом используют инертный газ.
При обработке изделий или листов из нержавеющей стали, используют азот, который транспортируют в рабочую область под давлением до двадцати атмосфер. Учитывая высокую прочность сырья, лазерная резка — практически единственный метод качественной обработки нержавеющей и оцинкованной стали.
Работа с цветными металлами требует аппаратов больше мощности, например твердотельного типа.
Для взаимодействия с латунью, алюминием и сплавами с его содержанием используют инертный газ под давлением до десяти атмосфер. Кромки получаются хорошего качество, возможно небольшое образование грата, который легко удалить.
Медь обладает высокими теплопроводными свойствами. Оптимальная толщина листов для раскроя лазером не больше 0,5 мм. Большая толщина требует значительных расходов, что не является экономически целесообразным.
Лазерные установки отлично зарекомендовали себя в резке труб толщиной до 30 мм. Линию реза можно направить под любым углом. В результате получают ровную поверхность, готовую для дальнейшего монтажа или сварки.
Альтернатива лазерной резке металла
В современной металлообработке эффективно используют четыре технологии резки металла:
- Лазерная;
- Плазменная;
- Газовая;
- Гидроабразивная.
Каждый способ имеет свои преимущества и недостатки по отношению к различным видам материалов.
Плазменная резка металла
Плазменная резка — технология раскроя металла, при которой в качестве режущего инструмента выступает струя плазмы. К преимуществам относится возможность работы с любыми сырьем: цветными, тугоплавкими и другими сложными металлами. Еще один плюс технологии — создание резы любой формы, в том числе сложной геометрической.
Плазменная резка немного проигрывает лазерной в качестве кромок, соответственно и в точности. При лазерной обработке кромки имеют большую степень соответствия по перпендикулярности.
Для материалов толще 6 мм плазменный метод занимает меньше времени и затрат энергии по сравнению с лазерным. Однако при работе с тонкими материалами и изготовлении деталей сложной геометрии использование лазера эффективнее ввиду большей точности и максимального соответствия техническому заданию.
Газовая резка металла
Суть процесса газовой резки заключается в следующем: газ ацителен или пропан разогревает материал обработки до 1000-1200⁰С, затем подключается кислород, который загорается при контакте с раскаленным металлом и режет его. Технология подходит для материалов, температура горения которых ниже, чем плавления: для сталей с низким и средним содержанием легирующих элементов. Преимущества метода в невысокой стоимости, простоте, мобильности оборудования. Однако он подходит не для всех материалов, точность резки значительно уступает лазерной и плазменной.
Гидроабразизная резка металла
Рабочим инструментом при гидроабразивной резке выступает смесь воды с абразивными частицами (зерна карбида кремния, электрокорунда, других твердых веществ, гранатовый песок). Вода поступает в режущую головку под давлением до 6000 атмосфер, оттуда она со скоростью около 1000 м/сек (и выше) вырывается в камеру, где смешивается с абразивом. Смешанная струя разрушает целостность металла и смывает отрезанные частицы. Важная особенность гидроабразивной резки состоит в том, что обрабатываемые поверхности практически не нагреваются, что дает методу массу неоспоримых преимуществ.
Технология имеет ряд плюсов:
- Работа с любыми материалами;
- Высокое качество реза благодаря отсутствию пригорания и плавления поверхности;
- Возможность обработки термочувствительного сырья;
- Отсутствие вредных выделений в рабочем процессе;
- Пожаробезопасность работ.
К недостаткам можно отнести более низкую скорость в сравнении с плазменной и лазерной обработкой, высокую стоимость оборудования и себестоимость процесса.
Из рассмотренных вариантов лазерная резка — наиболее универсальный инструмент. Кроме непосредственного раскроя устройства используют для лазерной гравировки металла, маркировки, разметки и прочих операций.
Практическое применение технологии лазерной резки
Производство изделий при помощи лазерного оборудование состоит из нескольких этапов:
- Формирование идеи продукта.
- Разработка художественного эскиза.
- Создание технического макета модели.
- Изготовление тестовой детали на ЧПУ-станке.
- Контроль параметров и доработки в случае необходимости.
- Запуск серийного производства.
Созданию технического макета нужно уделить особое внимание, так как от его точности будет зависеть качество готового изделия.
Станки используют форматы программ AutoCAD, CorelDraw, поэтому чертежи для лазерной гравировки или резки должны быть выполнены в этих программах.
Требования к макетам для лазерной резки
- Масштаб чертежа 1:1.
- Замкнутые внешние и внутренние контуры.
- CIRCLE, LINE, ARC — команды для создания контуров.
- Команды ELLIPSE, SPLINE не поддерживаются.
- При наложении линий друг на друга лазерный резак будет проходить по одной и той же траектории несколько раз.
- В чертеже для лазерной резки должно быть указано количество деталей и рабочий материал.
- Вся информация о чертеже должна быть размещена в одном файле.
Ценообразование в услугах лазерной резки металлов
Цена услуг зависит от ряда составляющих и меняется в зависимости от технического задания.
Что влияет на стоимость услуг лазерной резки металла
- Вид металла. Например, резка черных металлов, стали и нержавейки стоит в 2-3 раза дешевле резки меди, латуни, титана, алюминия и его сплавов.
- Толщина листа. Чем больше толщина, тем выше цена. Нестандартные технические задания рассчитываются индивидуально.
- Сложные формы деталей. Чем больше требуется резов для достижения результата, тем выше цена.
Эти и ряд других параметров, которые оговариваются с заказчиком, формируют стоимость лазерной резки и гравировки.