Лазерная резка и гравировка алюминия
Алюминий — это цветной, ковкий материал с высокой теплопроводностью, из которого можно легко отливать различные сложные формы. Будучи легким материалом с хорошей прочностью, алюминий является популярным материалом в обрабатывающей промышленности. Несмотря на то, что это относительно мягкий металл с пластичной природой, лазерная резка алюминия может быть довольно сложной задачей. Однако при наличии подходящего оборудования и глубоких знаний, гравировка или травление алюминия могут выполняться весьма эффективно.
Для резки тонких листов алюминия лазерная резка имеет ряд преимуществ по сравнению с другими методами, такими как фрезерование алюминия, где необходим сильный зажим.
В этой статье обсуждаются различные аспекты лазерной резки и гравировки алюминия, включая важные практические ноу-хау для их успешного выполнения.
Лазерная резка алюминия
Процесс лазерной резки алюминия очень сложен, но с правильным лазером и правильными параметрами вы можете добиться очень точной резки.
Способность лазерного резака резать/гравировать алюминий зависит от следующих факторов:
Тип лазера для резки алюминия
Лучи в пределах длины волны СО 2 -лазера (9,5-10,6 мкм) сильно отражаются алюминием, что очень затрудняет лазерную обработку алюминия СО 2 -лазером.
При обработке алюминия CO 2 -лазером большая часть излучения отражается от отражающего алюминия.
В результате поглощается лишь малая часть энергии, которой недостаточно для плавления и испарения алюминия.
Эта проблема может быть решена с помощью мощного CO 2 -лазера с высокой частотой, который может поражать алюминиевую поверхность достаточно быстро, чтобы компенсировать потерю мощности при отражении.
Еще лучшим решением является использование волоконного лазера.
Волоконный лазер или Nd YAG-лазер с длиной волны 1,06 мкм лучше всего подходят для приложений, связанных с лазерной резкой листового металла, поскольку эти длины волн легко поглощаются металлами.
Волоконный лазер может обеспечить почти в 3 раза более быструю обработку алюминия по сравнению с CO 2 -лазером той же мощности.
Мощность лазера
Мощность лазера является одним из наиболее важных параметров, влияющих на способность лазерной резки обрабатывать алюминий.
Мощность лазера определяет максимальную толщину материала, который он может прорезать, чем выше мощность, тем толще алюминий, который он может прорезать.
Как правило, для резки алюминия толщиной 1/8 дюйма (3 мм) рекомендуется использовать волоконный лазер с номинальной мощностью 500 Вт или выше.
Импульсный CO 2 -лазер мощностью 500 Вт на частоте 6 кГц или выше также может дать аналогичные результаты, но с гораздо меньшей скоростью резки.
Использование многопроходной техники резки с более низкой выходной мощностью лазера улучшает качество резки за счет времени резки.
Скорость лазерной резки алюминия
Скорость резки процесса является еще одним важным параметром, который определяет гладкость кромки и общую чистоту поверхности резки.
При лазерной резке алюминия рекомендуется высокая скорость резки, и по этой причине обычно предпочтительнее использовать мощный лазерный модуль.
В то время как очень высокая скорость резания может привести к образованию заусенцев вдоль режущей кромки, слишком низкая скорость резания обычно вызывает трещины в алюминиевой заготовке.
Поэтому выбор подходящей скорости резки наряду с хорошим управлением процессом очень важен. Если увеличить скорость резки при неизменной мощности лазера, гладкость краев улучшится. Однако ширина пропила увеличивается, что приводит к увеличению потерь материала.
Приведенная ниже таблица толщины и скорости лазерной резки поможет вам лучше понять разницу между CO 2 -лазером и волоконным лазером для резки алюминия с использованием азота в качестве вспомогательного газа.
| Толщина (дюймы) | Лазер CO 2 4 кВт Скорость резки (дюйм/мин) | Волоконный лазер 4 кВт Скорость резки (дюйм/мин) |
|---|---|---|
| 0,040 | 420 | 2126 |
| 0,080 | 260 | 756 |
| 0,120 | 170 | 402 |
| 0,180 | 60 | 170 |
| 0,250 | 40 | 100 |
| 0,375 | 10 | 45 |
| 0,500 | Не может быть разрезан | 21 |
Вспомогательный газ
Вспомогательный газ, используемый для подачи воздуха, также играет важную роль при лазерной резке алюминия. Это предотвратит перегрев режущей головки, а также выбор правильного газа улучшит качество резки.
Есть много газов, которые можно использовать для вспомогательного воздуха, например, кислород, азот, аргон и воздух. Использование кислорода может повысить скорость резки, но приведет к окислению алюминия по краям разреза.
В то время как использование воздуха в качестве вспомогательного газа может дать лучшие результаты с хорошей скоростью резки и с меньшей вероятностью вызовет окисление алюминия.
Азот, с другой стороны, лучше всего подходит для лазерной резки алюминия, поскольку он обеспечивает гораздо более высокую скорость резки с гладкими краями и отсутствием эффекта окисления.
Для достижения наилучших результатов рекомендуются высокое давление и высокая скорость потока (40-50 м 3 /ч) газообразного азота.
| Толщина алюминия (дюймы) | Скорость резки (дюйм/мин) (воздух) | Скорость резки (дюйм/мин) (азот) |
|---|---|---|
| 0,040 | 460 | 420 |
| 0,060 | 300 | 320 |
| 0,080 | 210 | 260 |
Детектор отражения
Лазерный свет, отражаемый алюминием, не только мешает процессу резки, но и может повредить лазерный модуль. Если большое количество отраженного лазера попадет в лазерную головку, это может привести к повреждению лазерного модуля.
Риск повреждения выше в лазерах на CO 2 и Nd:YAG, поскольку в этих лазерах используется ряд зеркал, направляющих лазер от лазерной трубки к заготовке. Эти зеркала будут еще больше усиливать отраженный луч и наносить серьезный ущерб лазерному оборудованию.
Чтобы защитить оборудование от этого повреждения, большинство современных лазерных станков для резки металла имеют функцию безопасности, которая определяет количество лазерного излучения, отражаемого обратно в лазерную головку.
Если слишком много лазерного излучения отражается обратно через лазерную головку, эта функция безопасности немедленно выключит лазер и, таким образом, защитит оборудование от серьезного повреждения.
Таким образом, необходимо иметь эту функцию безопасности в лазерном резаке, используемом для обработки алюминия.
Лазерная гравировка алюминия
Лазерная гравировка или травление алюминия могут давать высокодетализированные результаты с различными уровнями серого (от светло-серого до черного).
Благодаря хорошему контрасту серого и белого, он используется для различных приложений, таких как печать штрих-кодов, этикеток, QR-кодов и т. д.
Хотя мощный CO2-лазер может прорезать алюминий, его нельзя использовать для гравировки или маркировки на алюминии.
Для лазерной гравировки алюминия рекомендуется волоконный лазер мощностью около 30 Вт с частотой 25–50 кГц и скоростью резки 4,3 дюйма/сек (210 мм/сек).
Как правило, гравировка на алюминии имеет светло-серый цвет, менее контрастный по отношению к фактическому цвету металла.
Однако вы можете использовать волоконный лазер MOPA для получения цветной гравировки на алюминии в различных оттенках черного и серого.
Более дешевой альтернативой лазеру MOPA является напыление на алюминий черных чернил для лазерной маркировки перед гравировкой.
Это улучшит контраст и приведет к получению темно-серой или черной гравировки.
Качество и контрастность гравировки также зависят от типа или сорта используемого алюминия.
Особый тип алюминия, дающий отличные результаты при гравировке даже CO 2 -лазером, называется «анодированный алюминий».
Анодированный алюминий
Анодированный алюминий создается с помощью электрохимического процесса, при котором слой оксида алюминия наносится поверх основного алюминия.
Это универсальный материал с хорошей коррозионной стойкостью, обеспечивающий высокую контрастность для лазерной гравировки.
Доступность анодированного алюминия различных цветов с матовой или глянцевой поверхностью делает его еще более подходящим для процессов лазерной гравировки.
При лазерной гравировке анодированного алюминия снимается верхний слой краски и выявляется белый слой оксида алюминия под ним.
Это дает превосходный контраст гравировке и делает его идеальным материалом для различных применений гравировки.
Проблемы лазерной резки алюминия
Лазерная резка алюминия может вызвать некоторые проблемы, с которыми вам нужно справиться. Вы также должны знать о рисках, опасностях и мерах безопасности при работе с лазерным оборудованием.
Высокоотражающая природа
Алюминий обладает высокой отражающей способностью, особенно при использовании CO 2 -лазеров, так как он будет отражать лазерный луч, что может быть опасно.
Отраженный лазерный луч может даже попасть в лазерную головку и значительно повредить лазерный модуль.
Это отражение происходит частично от поверхности металла и в основном от расплавленной ванны с высокой отражательной способностью, образовавшейся во время лазерной резки.
По этой причине покрытие поверхности краской или малярным скотчем не решит проблему полностью.
Обходным путем является добавление легирующих элементов, таких как магний, цинк, кремний и т. д., которые значительно снижают отражающие свойства алюминия.
Хорошая теплопроводность
Алюминий является отличным проводником тепла и легко рассеивает тепло.
Из-за этого поверхность быстро остывает, что затрудняет достижение лазером достаточно высокой температуры для расплавления и испарения поверхности.
Решение этой проблемы заключается в использовании высокоскоростного лазера с очень высокой частотой импульсов.
Этот высокоскоростной пульсирующий лазер поражает алюминий достаточно быстро, чтобы расплавить поверхность, прежде чем он рассеет тепло в окружающую среду.
Необходимость вторичной обработки
Даже если вам удастся выполнить лазерную резку алюминия, острая кромка и заусенцы вдоль реза делают процесс неэффективным.
Иногда требуется вторичный процесс обработки для получения гладкой кромки с чистой отделкой.
Использование газообразного азота под высоким давлением поможет вытолкнуть расплавленный металл из реза и добиться более высокой скорости реза с гладкими краями.
Высокая стоимость обработки
Алюминий требует от вас соблюдения определенных подходов для качественной лазерной резки, и в зависимости от лазера и параметров резки может также потребоваться некоторая постобработка для получения гладкой поверхности.
Кроме того, потребность в мощном CO 2 -лазере или волоконном лазере увеличивает первоначальную стоимость лазерной резки/гравировки.
Это означает увеличение общей стоимости процесса, что делает его менее эффективным, чем процесс резки алюминия на фрезерном станке с ЧПУ.
Преимущества лазерной резки алюминия
Несмотря на проблемы, лазерная резка алюминия также имеет различные преимущества, которые делают его достойным процессом резки алюминия.
Качество
Лазерная резка алюминия производит разрезы с очень узкой шириной разреза.
При правильных параметрах и хорошем лазерном резаке можно добиться чистых резов с гладкой поверхностью, не требующей вторичной обработки.
Скорость и точность
Лазерные резаки обеспечивают высокую скорость резки с точностью ± 0,004 дюйма (0,1 мм) и индексом повторяемости около ± 0,002 дюйма (0,05 мм).
Высокая скорость резания обеспечивает короткое время цикла, а высокая точность обеспечивает идеальные резы с жесткими допусками.
Эта точность, аккуратность и повторяемость позволяют точно расположить режущую конструкцию на заготовке, тем самым повышая эффективность процесса за счет экономии 20–30 % материала.
Бесконтактная резка
Лазерная резка алюминия — это бесконтактный процесс, не требующий физического контакта между заготовкой и режущим инструментом.
Это исключает возможность возникновения каких-либо механических напряжений, которые могут привести к скруглению или механическому вырубанию материала.
Последние мысли
Лазерная резка алюминия — сложная задача, для безопасного и успешного выполнения которой требуется мощный промышленный лазер с высоким уровнем знаний в области лазерной резки.
Несмотря на безопасную и успешную лазерную резку алюминия, некоторая часть отраженного лазера все же попадает в лазерное оборудование и вызывает повреждения, которые могут сократить срок службы оборудования.
Отраженный лазер также может быть опасен для оператора, поэтому очень важно использовать надлежащее защитное снаряжение, такое как защитный кожух и защитные очки.
По этим причинам начинающим и самодельщикам не рекомендуется резать алюминий лазером.
Лазерная резка и гравировка других материалов
Ознакомьтесь с этими руководствами по лазерной резке некоторых популярных материалов.
| Материал | Ссылка на руководство |
|---|---|
| Акрил | Лазерная резка и гравировка акрила |
| Кожа | Лазерная резка и гравировка кожи |
| Пластик | Лазерная резка и гравировка пластика |
Часто задаваемые вопросы (FAQ)
Что такое импульсный лазер?
Импульсный лазер — это тип лазера, который не работает как непрерывная волна, вместо этого он производит короткие импульсы высокоэнергетического лазерного излучения на очень высокой частоте. Этот метод позволяет маленькому низкоэнергетическому CO 2 -лазеру генерировать импульсы высокой энергии и достигать лучшего режущего эффекта. Импульсный CO 2 -лазер мощностью 450 Вт может дать вам возможность работать на уровне энергии до 2 кВт.
Можно ли использовать диодный лазер для лазерной обработки алюминия?
Да, вы можете использовать диодные лазеры для обработки алюминия, они работают в диапазоне длин волн, который может подойти для лазерной обработки алюминия.
Однако они доступны только в сравнительно более низких диапазонах мощности, которые подходят только для лазерной гравировки анодированного алюминия и выполнения удовлетворительной резки очень тонких листов анодированного алюминия за несколько проходов.
Какая альтернатива может быть использована для лазерной резки алюминия?
Существует два основных альтернативных метода резки, с помощью которых можно обрабатывать алюминий: пробивной пресс с ЧПУ и гидроабразивная резка. Но эти методы уступают лазерной резке ни по качеству, ни по времени цикла.
Штамповочный пресс с ЧПУ — это более традиционный способ резки алюминия, но он может привести к механическому вырезанию края реза. Он сравнительно менее универсален и подвержен дефектам, требующим вторичной обработки. Принимая во внимание, что гидроабразивная обработка является высокоточным методом резки алюминия, но имеет очень медленное время цикла по сравнению с процессом лазерной резки.
Как правило, рекомендуется использовать штамповочный пресс с ЧПУ для алюминиевых листов толщиной до 0,24 дюйма (6 мм) и гидроабразивную резку алюминиевых листов толщиной более 0,24 дюйма (6 мм).
