Лазерно рязане

при лазерен рязане

Обща нотация

LBC - Лазерно рязане - лазерно рязане

Същността на процеса

За разлика от обичайния светлинен лъч, лазерният лъч се характеризира с такива свойства като насоченост, монохромност и кохерентност.

Благодарение на насочеността енергията на лазерния лъч е концентрирана в сравнително малка площ. По този начин, в своята насоченост, лазерният лъч е хиляди пъти по-голям от лъча на прожектора.

Лазерният лъч, в сравнение с обикновената светлина, е монохромен, т.е. има фиксирана дължина на вълната и честота. Това улеснява фокусирането с оптични лещи.

Лазерният лъч има висока степен на съгласуваност - последователното протичане на няколко вълнови процеси във времето. Кохерентните колебания предизвикват резонанс, който усилва радиационната мощност.

Благодарение на тези свойства, лазерният лъч да се фокусира върху много малка повърхност на материала и да се създаде него енергийна плътност достатъчно да топлина и влошаване на материала (например, от порядъка на 108 W / cm2 за топене на метали).

Лазерна технология за рязане

Излагането на лазерно излъчване на метал се характеризира с намаляване на общите правила, свързани с усвояването и отражението на радиация разпространението на абсорбираната енергия през обема на материала поради топлинна проводимост и др., Както и някои особености.

В областта на действие на лазерния лъч металът се нагрява до първата температура на топене. При по-нататъшно усвояване на лъчението металът се топи и фазовата граница на топене се движи в дълбочината на материала. В същото време енергийното въздействие на лазерния лъч води до по-нататъшно повишаване на температурата, достигайки втората точка на скъсване, точката на кипене, при която металът започва да се изпарява активно.

По този начин са възможни два механизма за лазерно рязане - топене и изпаряване. Последният механизъм обаче изисква високи входящи енергии и е осъществим само за достатъчно тънък метал. Следователно, на практика, рязането се извършва чрез топене. По този начин, за да се намали значително разхода на енергия, увеличаване на дебелината на метала се работи и скоростта на рязане, вторичният газ вдухва в зоната на рязане за отстраняване на метални отломки. Обикновено се използва кислород, въздух, инертен газ или азот като спомагателен газ. Такова нарязване се нарича газ лазер.

Фигура. Схема за лазерно рязане

Например, кислородът при газово-лазерно рязане изпълнява три функции:

• първо насърчава предварителното окисляване на метала и намалява способността му да отразява лазерното лъчение;
• тогава металът се запалва и гори в поток от кислород, в резултат на което се генерира допълнителна топлина, което подобрява ефекта от лазерното лъчение;
• кислородната струя се издухва и отвежда разтопения метал и продуктите му от изгарянето от областта на рязане, като осигурява едновременно подаване на газ директно към предната част на реакцията на изгаряне.

В зависимост от свойствата на изрязания метал се използват два газоразрядни лазерни механизма. При първия значителен принос към общия топлинен баланс се получава топлината от реакцията на изгаряне на метала. Такъв механизъм за рязане обикновено се използва за материали, които са склонни към запалване и изгаряне под точката на топене и образуват флуидните оксиди. Примерите включват нисковъглеродна стомана и титан.

При втория механизъм за рязане материалът не гори, а се топи, а струята газ отстранява течния метал от областта на рязане. Този механизъм се използва за метали и сплави с нисък топлинен ефект от реакцията на изгаряне, както и за тези, които реагират с кислород, за да образуват огнеупорни оксиди. Например, легирани и високовъглеродни стомани, алуминий, мед и др.

Фигура. Схеми на захранване на спомагателния газ към зоната на рязане

Видове лазери

Лазерът обикновено се състои от три основни възли:

• активно (работещо) тяло, което претърпява "изпомпване", което води до принудителното му излъчване;
• оптичен резонатор (система от огледала), който осигурява усилване на стимулираната емисия на активното тяло.

Следните типове лазери обикновено се използват за рязане:

• твърдо и
• Газ - с надлъжен или напречен изпомпващ газ, прорез, както и газ-динамичен.

поставя изпомпване лампа и активното тяло осветление камера твърдо състояние лазер, който е прът, изработен от рубин, неодим стъкло (Nd-стъкло) или итрий алуминиев гранат легиран с итербий (Yb-YAG) или неодим (Nd-YAG). Лампата на помпата създава мощни светлинни светлини, за да възбуди атомите на активното тяло. На краищата на пръта са огледалата - частично прозрачни (полупрозрачни) и отразяващи. Лазерният лъч се усилва в резултат на множество отражения в активното тяло и излиза през частично прозрачно огледало.

Фигура. Лазерна схема за твърдо състояние

Серийните лазери в твърдо състояние имат сравнително малка мощност, обикновено не надвишаваща 1-6 kW. Дължината на вълната е около 1 μm (рубинен лазер - около 694 nm). Радиационният режим може да бъде непрекъснат или импулсен.

При газовите лазери като активно тяло се използва смес от газове, обикновено въглероден диоксид, азот и хелий. При лазерите с надлъжно изпомпване на газ, смес от газове, идващи от цилиндрите, се изпомпва от помпа през газоразрядна тръба. Електрическият разряд между електродите, свързани към захранването, се използва за енергично възбуждане на газа. На краищата на тръбата има отразяващи и полупрозрачни огледала.

По-компактни и мощни са лазерите с напречно изпомпване на газ. Общата им мощност може да достигне 20 кВт и повече.

Фигура. Схеми на лазери с надлъжна и напречна газова помпа

Фракционните CO2-лазери са много ефективни. Те имат дори по-малки размери, а силата на излъчването им обикновено е 600-8000 W. Режимът на излъчване е от непрекъсната до импулсна честота.

Фигура. Лазерна схема за разсейване

В слота лазер се използва напречно високочестотно изпомпване на активната среда (с честота от десетки MHz до няколко GHz). Благодарение на тази изпомпване се увеличава стабилността и еднородността на изгарянето. Пропастта между електродите е 1-5 мм, което допринася за ефективното отстраняване на топлината от активната среда.

Най-мощните лазери са газо-динамични (100-150 kW и повече). А газ загрява до температура от 1000-3000 К, протича при свръхзвукова скорост през дюзата на Лавал (средна свиват пасаж), при което се адиабатно разширява и се охлажда в зоната на оптичния резонатор. Когато възбудените молекули на въглеродния диоксид се охлаждат, се отделя кохерентно излъчване. Изпомпването на лазера може да се извърши с помощта на допълнителен лазер или друг мощен източник на енергия.

Фигура. Схемата на газ-динамичен лазер

Дължината на вълната на емисиите на въглеродни диоксидни лазери е 9,4 или 10,6 μm.

Твърдите лазери лошо се справят с неметалните, тъй като редица такива материали са напълно или частично прозрачни за лъчение с дължина на вълната от около 1 μm, например плексиглас. Лазерният лъч е по-чувствителен към неравната повърхност на обработвания материал. Въпреки това, при рязане на алуминиеви сплави, мед и месинг лазерите в твърдо състояние имат предимство пред въглеродния диоксид, тъй като абсорбцията на лъчение от повърхността на тези метали е много по-голяма при дължината на вълната на лазера в твърдо състояние.

Лазерите с въглероден двуокис са по-гъвкави и се използват за обработка на почти всички метали и неметали. Освен това те имат много малка дивергенция, което прави възможно излъчването на източника на лъчение далече от зоната за обработка, без да се губи качеството на лъча.

Рязане на различни материали

За рязане на метали лазерната мощност обикновено се изисква от 450-500 W и по-висока, за цветните метали от 1 kW и повече.

Рязане на въглеродни стомани най-често се извършва с използването на кислород като спомагателен газ. В резултат на взаимодействието на кислорода с нагретия метален сноп, протича екзотермична реакция на окисляване на желязо, обикновено с отделяне на 3-5 пъти повече топлина, отколкото от самата лазерна радиация. Качеството на крайната страна на рязането е високо. Долният ръб на среза се характеризира с образуване на лека решетка.

Най-големият проблем е възможността за преместване на процеса на рязане се извършва при много ниски скорости (обикновено по-малко от 0,5 м / мин) в газова ненасочван режим, в който металът започва да се нагрява до температури на горене извън лъч въздействие, което води до увеличаване на ширината на среза и да увеличи неравностите.

В някои случаи, например при рязане на части с остри ъгли и отвори с малък диаметър, вместо кислород, е за предпочитане да се използва инертен газ при високо налягане.

Лазерно рязане на неръждаема стомана, особено големи дебелини, се усложнява от шлайфането на среза поради наличието на легиращи елементи в метала, които засягат точката на топене на метала и неговите оксиди. По този начин е възможно образуването на огнеупорни оксиди, които предотвратяват приложението на лазерната радиация върху обработвания материал. Усложняване на процеса на рязане и ниска течливост на разтопени оксиди, например, присъщи на неръждаемата хромо-никелова и високо хромова стомана.

За получаване на качествено нарязване се използва азот с висока чистота, захранван при повишено налягане (обикновено до 20 atm). При рязане на неръждаема стомана с голяма дебелина е необходимо проникването на фокусното място на лъча в метала, който се изрязва. Като следствие, диаметърът на входа се увеличава и се увеличава подаването на газ в метала в зоната на стопилката.

за лазерно рязане на алуминий и неговите сплави, мед и месинг изисква излъчване с по-висока мощност, което се дължи на следните фактори:

• ниската абсорбционна способност на тези метали по отношение на лазерното лъчение, особено при дължина на вълната 10,6 μm от лазера с въглероден диоксид и затова лазерите в твърдо състояние са по-предпочитани;
• висока топлопроводимост на тези материали.

Обработката на малки дебелини може да се извърши в импулсен режим на лазерна работа, което позволява да се намали зоната на топлинно въздействие и големи дебелини - в режим на микроплазма. Плазмено образуващите са двойки лесно йонизируеми метали - магнезий, цинк и др. Под действието на лазерен лъч се образува плазма в областта на рязането, нагряването на метала до точката на топене и топенето му.

При рязане на алуминий се използва спомагателен газ с налягане над 10 atm. Структурата на крайното лице на рязането е пореста с лесно отстраняващ се ръб на долния ръб на среза. С увеличаването на дебелината на метала качеството на крайната повърхност на среза се влошава.

При рязане на месинг, крайната страна на рязането е с пореста груба структура с лесно отстраняваща се топка в дъното на среза. С увеличаването на дебелината на метала се влошава качеството на крайната повърхност на среза.

Таблица. Типични дебелини на нарязаните листове при лазерна мощност P = 5 kW

С помощта на лазери с въглероден диоксид, различни неметални - шперплат, дърво, гипсофазер, ПДЧ, пластмаса, плексиглас, полиестер и акрилно стъкло, ламинат, линолеум, гума, плат, кожа, азбест, картон и др.

При рязане на гума от пенопласт трябва да се спазват по-големи мерки за пожарна безопасност, тъй като тя може да се запали. Поради запалването е невъзможно или много трудно да се нарязва гъста пяна (с дебелина над 10 мм).

Невъзможно е или е изключително трудно да се нарязват лазерни материали като текстолит, фибростъкло, getinaks, полипропилен от пчелна пита, поликарбонат, клетъчен поликарбонат. Трудно е да се режат материали, които са склонни към напукване, например керамика или стъкло.

Таблица. Типични дебелини на изрязаните листове при лазерна мощност P = 1,5 kW

Технологични параметри

Основните технологични параметри на процеса на лазерно рязане са:

• радиационна мощност;
• скорост на рязане;
• спомагателно газово налягане;
• диаметър на фокусираното място и т.н.

В импулсен режим се добавят следните параметри:

• честота на повторение на импулси;
• продължителност на импулсите;
• средна радиационна мощност.

Тези параметри засягат ширината на рязане, качеството на рязане, засегнатата от топлина зона и други характеристики.

Фигура. Ефект на радиационната мощност върху скоростта на рязане на металите

Фигура. Ефект на скоростта на рязане върху ширината на среза на металите

Качеството на рязането се определя от грапавостта на повърхността му. Тя се различава за различните зони в дебелината на метала. Най-доброто качество е характерно за горните слоеве на изрязания метал, най-лошото е за долните слоеве.

Фигура. Влияние на скоростта на рязане и кислородното свръхналягане върху размерите на площта за качествено рязане на въглеродни стомани с дебелина 3 мм при радиационна мощност от 0,45 кВт

Фигура. Зависимост от грапавостта на изрязаната повърхност от въглеродна стомана върху излишното кислородно налягане при различни скорости на рязане на газ-лазер

Предимства, недостатъци и сравнителни характеристики

Фокусираното лазерно лъчение позволява да се отрежат почти всички материали, независимо от техните термофизични свойства. В този случай е възможно да се получат висококачествени и тесни срезове (0,1-1 mm ширина) със сравнително малка зона на топлинно въздействие. При лазерно рязане има минимални деформации, временни в процеса на обработка на детайла, и остатъчни след пълно охлаждане. В резултат на това е възможно да се нарязват с висока степен на точност, включително не-твърди и лесно деформируеми продукти. Поради сравнително лесния контрол на лазерния лъч е възможно да се извърши автоматична обработка на плоски и тримерни части върху сложен контур.

Лазерното рязане е особено ефективно за стомана с дебелина до 6 мм, осигурявайки високо качество и точност при относително висока скорост на рязане. Въпреки това, при дебелина на метала 20-40 мм се използва много по-рядко кислородно или плазмено рязане, а за дебелина на метала повече от 40 мм - практически не се използва.

Таблица. Сравнение на лазерното рязане с рязане с кислород, плазма и водна струя