Лазерная резка

Оборудование

Лазерные устройства для резки железа состоят из элементов:

• Специализированного излучателя (твердотельный или газовый прибор). Должен обладать нужными энергетическими и оптическими показателями.
• Система формирования лучей и газа. Отвечает за подачу луча от цели излучения к детали, которая обрабатывается, и изменение показателей поступающего к точке рабочего газа.
• Устройство передвижения (координации) как самого железа, так и воздействующего на него лазерного луча. А также включает в себя электроисполнительный механизм, привод и мотор.
• АСУ (автоматизированная система управления). Регулирует лазерный луч и управляет координатным механизмом и системой транспортирования и формирования луча и газа. Снабжена разнообразными датчиками и подсистемами.

Современный прибор резки железа способен исполнять любые трудные задачи, даже художественную резку. Их изготовлением занимаются как российские фирмы («Технолазер»), так и иностранные предприятия (немецкая фирма «Trumpf»).

Раскрой листов металла лазерным излучением

Лазерный раскрой листового металла считается очень точным. Работа выполняется в кратчайшие сроки, а результат выполнения высокий.

Видео:

Тип металлического листа может быть любой. Единственное ограничение — слишком большая толщина материала.

Лазерным излучением можно не только разрезать лист, но и сделать гравировку.

Суть работы лазером

Лазерный луч аппарата фиксируется в заданных точках, в результате чего в этих точках повышается температура.

Весь процесс контролирует специальная программа, поэтому все действия лазера будут выверены очень точно.

Теплофизические свойства материалов не оказывают влияния на раскрой.

ВАЖНО ЗНАТЬ: Технология гидроабразивной резки металла

Лазерный луч способен концентрировать большое количество энергии, которая способствует резке сплава.

Лазерный инструмент работает вместе с выделением газа на разрезаемый участок.

Лазерный луч нагревает определенные точки на листе, материал плавится, но по линии, где проходит разрез, сразу же испаряется.

На края заготовки подается специальный пар, который убирает продукты, образованные в результате воздействия лазером.

Лазерный принцип раскроя металла имеет массу преимуществ:

• такой метод обработке имеет доступную стоимость;
• лазер способен обработать металлы, которые имеют высокую твердость;
• благодаря высокой мощности и плотности лазерного луча, производительность работы аппарата очень высокая, при этом качество не теряется;
• скорость проведения операций достаточно высокая;
• при проведении разреза, инструмент не касается металла, поэтому таким способом можно разрезать хрупкий металл, который не поддается какой-либо другой обработке;
• заготовка может иметь разнообразные линии, программа способна справиться с фигурами любой сложности;
• заготовки на листе укладываются очень плотно друг к другу, благодаря чему себестоимость вырезанных деталей снижается;
• после того как детали разрезаны лазерным лучом, их не нужно дополнительно обрабатывать;
• лазерный инструмент легко управляем, поэтому раскрой может производиться по сложным контурам.

Рекомендации по работе с лазером

Раскрой металлов с помощью лазера нужно проводить только на качественном материале. Если на листе есть ржавчина, то стоит отказаться от такого вида обработки.

Края заготовок будут неровными. Кроме этого, материал не должен быть со значительными повреждениями, вмятинами.

Если на листе металла необходимо поместить большое количество деталей, стоит соблюдать расстояние между ними.

В зависимости от того, сколько контуров имеет заготовка, зависит стоимость разреза. Чтобы произвести какой-либо из контуров, лазер должен сделать врезку в лист аккуратно около самой линии.

ВАЖНО ЗНАТЬ: Технология и методы лазерной резки алюминия

Для этого программа затрачивает некоторое время, что влияет на стоимость работы.

Режимы резки

Обработка металлоизделий лазером проводится на спецоборудовании, работающем в одном из трех режимов:

• испарение;
• плавление;
• сгорание.

Испарение

Лазерная резка по металлу испарением требует высокой интенсивности лучевого потока. Это необходимо для минимизации потери тепла от теплопроводности. Для этого применяют специальные установки твердотельного типа, использующие для работы пульсирующий режим. При данном способе материал в обрабатываемом участке полностью расплавляется, после чего удаляется при помощи специального технологического газа (аргона, азота или же прочих). Данный режим металлообработки используется весьма редко.

Плавление

При этом способе материал не выгорает, а расплав уносится из области обработки газовой струей. Этот способ применяется для работы с алюминием и его сплавами, а также с медью. Это достигается за счет создания сплавов тугоплавкого типа при активном взаимодействии с кислородом. Данные металлы можно разрезать только лучевым потоком высокой мощности.

Сгорание

Этот режим использует интенсивное окисление, которое поглощает излучение лазера и повышает локальность обрабатываемой области. При таком способе отходы убираются равномерно. Режим сгорания подразделяется на управляемый и автогенный, при котором горение металлической поверхности происходит по всему участку кислородного воздействия. Этот режим не позволяет получить ровный рез и его стараются избегать.

Данные режимы лазерной резки металлов выбираются по параметрам материала и необходимой точности обработки. Следует помнить, что от толщины изделия и скорости металлообработки напрямую зависит качество процесса.

Особенности плазменной резки

Резка металла – ответственная задача

Очень часто данный процесс сопряжен со многими факторами, которые необходимо принимать во внимание. Это и объемы выполняемых работ, и тип металла, и его толщина

Особенно важным показателем является количество работы. Если ее необходимо осуществлять редко, тогда плазменная резка металла – не самый выгодный вариант. Стоимость подобного аппарата не окупится при незначительном использовании и, возможно, в таком случае лучше отдать предпочтение другим методам, например, болгарке.

Иначе говоря, для того чтобы разрезать трубу на даче или для несерьезных бытовых целей предпочтительнее выглядит хорошая УШМ.

Схема плазменной сварки и резки.

Если в домашних условиях на это можно потратить время, то на производстве подобная процедура потребует существенных финансовых затрат.

В плазменной резке применяется высокоскоростной поток ионизированного газа – плазмы. Она служит проводником тока между аппаратом и деталью. В результате изделие нагревается и плавится. Также в процессе работы поток газа сдувает расплавленный материал, тем самым разделяя его на части.

Из основ принципа работы метода становится понятно, что он применим для токопроводящих материалов. К таким относятся, например, алюминий, нержавейка, углеродистые стали.

В случае плазменной обработки могут использоваться различные газы. Несмотря на это, самый распространенный вариант – сжатый воздух. Данный газ доступен, а кроме того его использование не требует дополнительного применения кислорода.

Важным отличием плазменной резки является простота в ее освоении. Особенно хорошо она подходит для тонкопрофильных металлов. Если же толщина реза превышает 2.5 миллиметра, тогда возникает необходимость в использовании мощных источников питания, что невыгодно.

Что понимается под раскроем металла

Раскрой листового металла относится к заготовительным операциям. Они выполняются с целью сформировать детали, пригодные для сварки и монтажа. По сути, это производство фрагментов металлоконструкций. На предприятиях нередко работают целые заготовительные подразделения, где производится резка, обработка краев реза, гибка и т. д. В результате получаются заготовки, требующие дополнительной обработки, или уже готовые детали. Все зависит от того, какие технологии и оборудование применяются на этом этапе.

Перед началом раскроя нужно рационально разместить «выкройки» на листе. Заготовка может быть любой формы, но проще всего, конечно, работать с прямоугольными. В ходе резки листового металлопроката образуются отходы – возвратные и невозвратные. Количество этих остатков непосредственно связано с используемой технологией.

Рекомендуем статьи по металлообработке

• Марки сталей: классификация и расшифровка
• Марки алюминия и области их применения
• Дефекты металлический изделий: причины и методика поиска

Раскрой листового металла – непростая и очень ответственная операция. От нее зависит качество и себестоимость деталей и всей конструкции в целом. На современных предприятиях отдают предпочтение эффективным высокотехнологичным методам резки.

Технология лазерной резки металлов

Процедура резки достаточно проста. Лазер – это тонкий луч, который на металлической заготовке образует точку. Металл на этой точке быстро нагревается до температуры плавления и начинает закипать, а затем испаряться. Если режется тонкий металлический элемент, то это происходит именно так. С толстыми деталями немного сложнее, потому что большое количество металла не может испаряться. Поэтому в технологию добавляют газ, который выдувает расплавленный металл из зоны реза. В качестве газа можно использовать кислород, азот, любой инертный газ или обычный воздух.

https://www.youtube.com/watch?v=aIE7DBgFNjc

Виды лазерной резки

В основе технологического процесса лежат несколько элементов, которые и определяют процесс резки металлов лазером. А именно:

• источник энергии;
• рабочий элемент, который и образует лазерный поток;
• блок, в состав которого входят специальные зеркала, такой прибор называется оптический резонатор.

Именно рабочий элемент и создает классификацию лазерных установок, в которых сам режущий инструмент разделяется по мощности.

1. Мощностью не больше 6 кВт – называются твердотельными.
2. 6-20 кВт – это газовые.
3. 20-100 кВт – газодинамические.

К первой позиции относятся технологии, в которых используется твердое тело: рубин или специальное стекло с добавками флюорита кальция. Такие лазеры могут создать мощный импульс буквально за несколько долей секунд, к тому же они работают как в импульсном режиме реза, так и в непрерывном.

Вторая позиция – это лазер на основе газовой смеси, которая нагревается электрическим током. Электроэнергия придает направленному потоку газов монохромность и направленность. В состав смеси входят углекислый газ, азот и гелий.

Третья позиция – это также газовый лазер на основе углекислого газа. Газ нагревают и пропускают через узкий проход, где он остывает и расширяется одновременно. При этом выделяется огромная тепловая энергия, которая и режет металл большой толщины. Точность реза высокая, потому что данный вид лазера обладает большой мощностью. При этом расход энергии луча небольшой.

Режимы резки

Параметров, которые влияют на резку, достаточно много. Это и скорость проводимого процесса, и мощность лазера, его плотность, фокусное расстояние, диаметр луча, состав излучения, вид и марка разрезаемого металла. К примеру, низкоуглеродистые стали режутся быстрее, чем нержавейка, почти на 30%. Если кислород заменить обычным воздухом, то скорость реза снижается почти в два раза. Скорость резки алюминия лазером мощностью 1 кВт составляет в среднем 12 м/с, титана – 9 м/с. Эти показатели соответствуют технологии, в которой применяется кислород.

Выбирая определенный режим резки, необходимо понимать, что от выбранных параметров будет напрямую зависеть и качество реза. Оно характеризуется точностью вырезанной детали, шириною реза, шероховатостью поверхности образованных кромок, их ровностью, наличием на них оплавленного металла (грата), зоной температурного влияния лазера (глубиною). Но, как показывают исследования, на качество больше всего влияет скорость резки и толщина заготовки.

Для примера можно привести показатели качества лазерного процесса, который производился при мощности 1 кВт, с использованием кислорода, газ подавался в зону резки под давлением 0,5 МПа. При этом диаметр сфокусированной точки составлял 0,2 мм.

Толщина заготовки, мм	Оптимальная скорость резки, м/с	Ширина реза, мм	Шероховатость кромок, мкм	Неперпендикулярность, мм
1	10-11	0,1-0,15	10-15	0,04-0,06
3	6-7	0,3-0,35	30-35	0,08-0,12
5	3-4	0,4-0,45	40-50	0,1-0,15
10	0,8-1,15	0,6-0,65	70-80

Есть еще один параметр резки металлов при помощи лазера – это точность. Определяется она в процентном соотношении и зависит от качества самого технологического процесса. Требования к данному параметру основываются на толщине разрезаемой детали и на том, для каких нужд данная заготовка будет использована. Что касается толщины, то погрешность может составлять 0,1-0,5 мм, если лазером разрезается металлический профиль толщиною до 10 мм.

Обрабатываемые материалы

Металлообработка лазером используется для обработки алюминия, а также его многочисленных сплавов, бронзы, титана, нержавейки, меди и прочих материалов. При этом алюминиевые изделия, титановые, из нержавеющей стали обладают хорошей отражающей способностью, что негативно влияет на скорость их обработки. Листовые детали до 6 мм лучше обрабатывать азотной установкой.

Для металлических сплавов качество резки напрямую зависит от их толщины. Предметы из черной стали имеют максимальную толщину обработки 20 мм, стальные нержавеющие – 15 мм, медные – 5 мм, а алюминиевые – 10 мм.

Обработка латуни проводится как автоматизированным способом, так и ручным методом. Особенностей и сложностей при этом не возникает. Станок самостоятельно программируется весьма быстро и позволяет получить детали необходимой конфигурации.

Какое оборудование используется для обработки металла лазером

Оборудование для лазерной металлообработки различается по источникам излучения и выходной мощности, которая определяет металлический материал. Твердотельные (на гранате с неодимом Nd:YAG) квазинепрерывные и импульсно-периодические лазерные источники с выходной мощностью от 100 до 300 Вт предназначены для обработки черных металлов и нержавеющей стали. Газовые непрерывные СО2 лазерные источники с выходной мощностью до 2500 Вт используются для обработки черных металлов легированных сталей и некоторых других видов сплавов.

В комплект оборудования для обработки металла лазером входит:

• лазер, оснащенный системой охлаждения и системой питания;
• координатный стол для крепления заготовки;
• компьютерная система управления координатным столом;
• устройство подачи технологического газа;
• вентиляционная система.

Для обработки металла используется лазер с очень большой мощностью излучения. Чтобы предупредить его перегрев, лазерная установка оснащена двухконтурной водяной системой охлаждения или холодильным компрессором на фреоне. Выбор источников питания лазера зависит от практикоориентированных технологических задач. Трансформаторные схемы питания способны выдерживать большие нагрузки, обеспечивают непрерывную работу и считаются более надежными. При минимальных мощностях используются импульсные блоки питания.

Координатный стол – это высокоточное автоматизированное оборудование, оснащенное портальной схемой. Заготовка, неподвижно закрепленная на координатном столе, режется лазерным лучом, который перемещается по координате. Но могут быть и другие схемы. Например, при резке Nd:YAG лазерный луч перемещается по одной координате, а стол с закрепленной заготовкой двигается по другой координате.

Промышленная компьютерная система для управления координатным столом оснащена различными аппаратными устройствами: приводом, датчиками и т. д. Все поставленные задачи выполняются с помощью программного обеспечения, в состав которого входят:

• Программа ввода исходных данных (электронных чертежей) в графических редакторах AutoCad, CorellDraw, Adobe Illustrator и др. Используются следующие форматы данных: *.plt, *.ai, *.dxf, *.cf2.
• Программа управления поворотом, масштабированием, размножением исходного файла (электронного чертежа) по рабочему полю стола.
• Программа настройки параметров лазерной обработки и режима врезки, автоматического учета ширины реза, определения внутренних и внешних контуров, корректировки режима резки непосредственно в технологическом процессе.
• Программа настройки параметров координатного привода и рабочей среды оператора, генерации (рисования) простейших геометрических форм.
• Программа подключения внешних устройств, управления лазерным излучателем, обеспечения связи с внешней локальной сетью.

При выполнении лазерной резки используется различный технологический газ – кислород для щадящей резки черных металлов, инертный газ азот для нержавеющей стали. При прожигании материала лазерным лучом образуются газообразные и аэрозольные продукты распада. Их удаление осуществляется с помощью специальной вентиляции, которая является обязательным элементом любой промышленной установки для обработки металла лазером.

Для того чтобы лазерный луч попадал точно в цель, оборудование оснащено системой зеркал «летающая оптика». Альтернативой является комплекс деформируемых зеркал, в котором сочетаются стационарные и «портальные» схемы. Луч, прежде чем попасть в сфокусированную точку, отражается в зеркалах и дважды меняет траекторию движения. И хотя в такой системе отсутствует сложная механика, к ее главным недостаткам можно отнести трудности в управлении зеркальными поверхностями.

Современная лазерная установка – это сложный механизм, отличающийся простотой управления. Лазерное оборудование обеспечивает высокую скорость и точность металлообработки.

Компьютерное оснащение позволяет полностью исключить фактор человеческой ошибки, способствует экономичному расходу материалов, гарантирует высокое качество каждого готового изделия.

Полная автоматизация всех операций обеспечивает постоянство сфокусированных лучей. Вся энергия с помощью линз совмещается в один мощный лазерный луч, который при соприкосновении с материалом нагревает поверхность в зоне линии разреза. В то же время остальная область заготовки остается холодной. В результате обработки детали не деформируются, на их поверхности отсутствуют какие-либо дефекты.

Преимущества лазерной резки для разных видов металла

Сталь 3 — тонкие листы металла не деформируются, благодаря бесконтактной резке и сфокусированному лучу.

Нержавеющая сталь — очень твердый металл. Резка на лазере выполняется значительно быстрее, по сравнению с механическим способом.

Алюминий — довольно мягкий металл, но во время механической резки сложно сохранить остроту кромки. При лазерной резки таких проблем не возникает.

Медь — дорогой металл. Резка лазером позволяет значительно сэкономить на материале. Металл обладает сильной светоотражающими свойствами, поэтому толщина листа ограничена во избежание порчи режущей головки и возникновения конусности. Чтобы эффективно и качественно порезать медный лист толщиной от 3 мм, лучше использовать плазменную резку.

Латунь — свойства почти идентичны со свойствами меди. Отлично подходит для резки листа толщиной до 3 мм. Лазерный луч прорезает тонкие латунные листы быстро и без искажений. Детали не деформируются, а рез получается ровным, без конусности и окалин.

Плазменная резка — ниже качество, больше свободы по толщине

• Большая свобода по толщине металла для резки — главное преимущество плазмы по сравнению с лазером. Плазменную резку уместно использовать для: стали толщиной до 150 миллиметров;
• чугуна толщиной до 90 миллиметров;
• алюминия толщиной до 120 миллиметров;
• меди толщиной до 80 миллиметров.

Высокая скорость работы — как уже было сказано, это общий плюс для обоих видов.

Конусные отверстия. Это обязательно нужно учитывать при выборе плазменной резки. И если такая неаккуратность отверстий недопустима для конкретного заказа — лучше разрезать его лазером. Стенки отверстия при плазменной резке отклоняются от вертикали на 3–10 градусов. У лазера, напомню — 0,5 градуса. В отличие от лазера, плазма делает нижнее отверстие более узким, чем верхнее. Если толщина металла около 20 миллиметров, то разница между верхним и нижним диаметрами реза может превышать 1 миллиметр.

Меньшая точность, более широкие минимальные прорези относительно толщины металла, увеличенные тепловые деформации — противоположность всего того, в чем лазер хорош.

Часто формируется окалина. Стоит сказать, что окалина от плазменной резки снимается с металла достаточно легко — однако ее все‑таки придется снимать, а это расход человеко‑часов и соответствующее увеличение себестоимости производства.

Стоимость плазменной резки быстро увеличивается с увеличением количества отверстий на одну деталь. Это связано с тем, что расходные элементы плазменных установок служат определенное количество циклов «включение‑выключение». Наличие в развертке окон увеличивает износ расходников — и это приходится учитывать в себестоимости резки. Расходники лазерных станков меньше зависят от циклов «включение‑выключение» — соответственно, прорезание в развертке окон меньше влияет на стоимость часа работы.

Лазерная резка тонкого железа

Промышленным изготовителям удобнее применять листы металла для нарезки, чем необработанные части большой толщины. При этом можно экономить электроэнергию и применять методы резки листового железа с большей мощностью.

Методы нарезки железа, лист которого подготовлен к обработке, — это кислородная нарезка (выжигание), резка группой газов (аргон, азот) и сжатым воздухом. Среди достоинств лазерной нарезки листового железа перед прочими видами обработки возможно выделить:

• Большую точность отдачи и нарезки лазерного луча.
• Возникает меньше пыли на плоскости детали.
• Маленькая вероятность нанесения повреждений листу железа.
• Понижение энергетических затрат.
• Формирование объемных простых конструкций с высокий скоростью и наименьшей площадью отделываемого материала.

Благодаря своим плюсам и применению точного передового оборудования, резка железа используется для создания:

• Частей машиностроительной техники.
• Декоративных подставок, полок, стеллажей и оснащения для торговой промышленности.
• Составляющих котлов, емкостей, дымоходов и печей.
• Звеньев дверей и ворот, кованных ограждений.
• Личного дизайна шкафов и корпусов.
• Своеобразных вывесок, букв и трафаретов.

Использование резки имеет массу преимуществ перед иными видами отделки металла. Потому все больше предприятий употребляют в своем производстве именно лазерную обработку железа.

https://youtube.com/watch?v=jQ3f8Tqi4Vc

Основные преимущества лазерной резки:

• Точный и ровный рез. Допуск — 0,14 мм.
• Деликатная работа. Ширина реза — 0,2 мм.
• После обработки не остается окалины на кромках изделия.
• Бесконтактный рез — во время обработки деталь не деформируется. Можно смело резать тонкие листы металла.
• Во время реза заготовка не нагревается и не деформируется, благодаря постоянному охлаждению газом.
• Отсутствие термического расширения Нагрев локализуется в зоне реза и не распространяется по всей заготовке.
• Эффективное расположение деталей на листе, которое позволяет минимизировать трату материалов. Это достигается за счет того, что чертежи производятся в специальных программах, а все производство автоматизировано.
• Пробивка отверстий, равная толщине металла.

Требования к чертежам для точной лазерной резки

Графические векторные файлы, с которыми работают программы для лазерной резки листов металла, имеют формат dwg, dxf. Это чертежи, используемые для изготовления деталей методом резки. Впрочем, в настоящее время возможна работа дизайнеров и с другими графическими векторными пакетами. Несмотря на то, что программа требует файлы определенного формата для проведения резки, созданный дизайнером чертеж можно легко перекодировать в нужный размер, а затем уже загрузить его в аппаратуру.

Современное оборудование работает с форматами программных пакетов CorelDraw, а также AutoCAD. Таким образом, чертежи, содержащие задание по лазерной резке или гравировке, должны поддерживаться именно ими.

Для работы с AutoCAD чертежи должны соответствовать некоторым требованиям, таким как:

• AutoCAD 2000 – чертеж не должен быть выполнен в программе ниже данной версии.
• Готовый документ должен иметь масштаб – 1:1, представление плоское 2D, координатная система World;
• Линии элементов системы должны быть замкнуты, не spline. Типы линий – Line и Arc.

CorelDraw имеет собственные требования к файлам и чертежам:

• Символы и вставки текста необходимо преобразовывать в кривые – Curves.
• Ширина кривых обязательно фиксируется константой Hairline в любом чертеже.
• Масштаб документа – 1:1.
• Отверстия и контуры необходимо создавать одним замкнутым движением (фрагментом).
• Версии программы CorelDraw должным быть от 6 и до 14.

Созданный эскиз изделия должен представлять собой схематический объект, наружный контур которого замкнут. Внутри изделие может содержать незамкнутый рез, то есть прорези и отверстия.

Перечислим ряд требований, предъявляемых к эскизам:

• Масштаб 1:1.
• Внешний и внутренний контуры должны быть замкнуты.
• Все контуры должны выполняться с использованием команд CIRCLE, LINE, ARC.
• Команды ELLIPSE, SPLINE не подходят для работы с лазерным оборудованием.
• Для выполнения ровного разреза необходимо выполнять крупные, а не мелкие линии и дуги.
• Рекомендуется не накладывать линии друг на друга, поскольку лазерному лучу придется резать одно и то же место несколько раз.
• Чертеж должен содержать информацию о количестве деталей и материале изготовления.
• В файле должна быть прописана полная информация о чертеже. Разбивка на несколько файлов не допускается.
• Информация о раскладке деталей необязательна.

Размер заготовки для резки изделия должна быть больше его внешнего контура на 5–10 мм.

Перевод контура букв в кривые происходит с помощью шрифтов Corel, они обводят каждую букву два раза или более. Участки эскиза с кривыми линиями разделяются на небольшие точечные отрезки. Все указанные выше требования необходимо точно соблюдать для получения качественной резки.