Лазерная резка листового металла
Лазерная резка — отличный вариант для вырезания сложных форм или конструкций из листового металла. Точность, повторяемость, скорость и бесконтактный процесс резки лазерных резаков дают большое преимущество при обработке металлических листов. Но как работает лазерная резка листового металла? Существует ли специальный лазер для обработки листового металла?
Стоит ли переходить на лазерную резку для обработки листового металла?
В этой статье обсуждается лазерная резка листового металла, включая методы резки, а также различные листовые металлы, используемые при лазерной резке.
Я также расскажу о преимуществах и проблемах лазерной резки листового металла.
Как работает лазерная резка листового металла?
Лазерная резка листового металла работает за счет фокусировки лазерного луча в узком месте. Локализованное тепло, генерируемое высокоинтенсивным лазерным лучом, испаряет металл с помощью вспомогательного газа или без него, в то время как компьютерная система направляет движение лазерной головки, производя желаемый разрез.
Лазерная резка листового металла — процесс
Этап CAD/CAM
Программное обеспечение САПР используется для подготовки проекта и экспорта файла в векторные форматы, такие как AI, EPS, SVG, EPS, DXF и т. д., которые поддерживаются большинством программного обеспечения для управления лазером.
Вы также можете использовать программное обеспечение для раскроя, чтобы оптимизировать конструкцию и максимизировать использование листового металла.
Программное обеспечение для раскроя переупорядочивает формы в дизайне таким образом, чтобы для максимальной производительности использовалось минимальное количество листового металла.
Фаза контроля
Большинство программ управления, используемых с лазерными резаками, могут импортировать и использовать файлы дизайна непосредственно из программного обеспечения САПР.
Кроме того, он генерирует траекторию движения инструмента из импортированного проекта, интегрируя функциональные возможности программного обеспечения CAM.
Программное обеспечение управления — это то, что управляет движениями машины. С их помощью вы можете регулировать скорость резки, мощность лазера и другие параметры лазера.
Лазер включен. Делаем разрез
Процессы резки включают удаление материала, а лазерный резак удаляет материал, нагревая металл и плавя его или испаряя. Однако способность лазерного резака удалять материал зависит от определенных свойств материала.
Более темные материалы поглощают больше энергии лазера, а материалы более светлых тонов склонны отражать лазерный свет. Поэтому нержавеющую сталь с черным покрытием легче резать лазером, чем обычную нержавеющую сталь.
Кроме того, материалы, которые являются хорошими проводниками тепла, такие как металлы, будут медленно рассеивать тепло, сообщаемое лазерным лучом, и для их резки потребуется более высокая энергия лазера.
В зависимости от типа разрезаемого металла для получения эффективных разрезов используются различные методы лазерной резки.
Техника лазерной резки пламенем
Лазерная резка пламенем также известна как реактивная лазерная резка. Он использует окисление, вызванное струей газообразного кислорода, для резки листового металла.
Это похоже на резку кислородной горелкой, с той лишь разницей, что в качестве источника нагрева используется лазер, а не кислородное пламя.
Этот метод в основном используется для резки стали толщиной 0,04 дюйма, углеродистой стали и титановых листов из-за повышенной скорости резки.
Сначала на металл воздействуют химически активным газом, а затем воздействуют на него лазерным лучом. Тепло, создаваемое лазером, вызывает химическую реакцию между газом и металлом.
Реакция вызывает расплавление металла, и поток газа под высоким давлением выдувает расплавленный металл.
Этот процесс значительно повышает скорость резки и позволяет резать сталь толщиной до 1,25 дюйма.
Техника плавления и выдувания
Техника плавления и выдувания также называется резкой плавлением. Этот метод лазерной резки в основном используется для резки сплавов алюминия и нержавеющей стали.
Здесь металлический лист расплавляется лазером, а затем следует продувка технологическими газами, такими как аргон или азот.
В отличие от пламенной лазерной резки вспомогательный газ, используемый в этом процессе, не способствует горению и плавлению металла.
Продувка газом используется для ограничения влияния окисления на поверхность реза. Дает ровный край реза, который в большинстве случаев не требует дальнейшей обработки.
Гладкость реза зависит от толщины, типа металла, давления газа, мощности лазера, скорости подачи и пятна фокусировки.
Используя метод плавления и выдувания, вы можете получить чистый рез большинства металлов, включая алюминий, кобальт, медь, молибден, никель, титан и вольфрам.
Роль технологических газов в лазерной резке листового металла
При лазерной резке металлов необходимо использовать технологические газы. Двумя наиболее часто используемыми газами являются кислород и азот.
Кислород в основном используется при резке стали, поскольку он способствует процессу горения и снижает мощность, необходимую для резки лазером.
Однако образующийся на поверхности реза окисленный слой не годится для сварки или порошковой окраски.
Хотя использование кислорода в процессе резки значительно снижает эксплуатационные расходы, так как требуется всего в 10-15 раз меньше газа, чем азота.
Азот используется, когда качество поверхности реза является решающим фактором или требуется инертная среда.
Однако, поскольку азот инертен, он не способствует реакционному процессу для облегчения горения.
Какие лазеры могут резать листовой металл?
и волоконного лазера
Лазерные лучи могут быть получены различными способами. Мощность лазерного луча и его длина волны определяют, какой материал он может разрезать.
СО2 лазер
Лазерный резак CO 2 производит лазерный луч, стимулируя атомы CO 2 в заполненной газом трубке. Газовая смесь обычно состоит из углекислого газа, азота, водорода и гелия.
Генерируемый лазерный луч находится в диапазоне инфракрасного спектра с длиной волны 9 300, 10 200 или 10 600 нм.
Затем лазерный луч направляется к режущей головке с помощью серии высокоотражающих зеркал и фокусирующих линз.
Длина волны СО 2 -лазеров плохо поглощается металлами, поэтому требуется мощный СО 2 -лазер, что увеличивает стоимость лазерной резки.
СО 2 -лазеры, работающие в киловаттном диапазоне, являются лучшим вариантом для резки металлов. Например, лазер CO 2 мощностью 4 кВт может резать углеродистую сталь толщиной 0,8 дюйма, нержавеющую сталь толщиной 0,4 дюйма и алюминиевый лист толщиной 0,3 дюйма.
Используя ту же мощность лазера 4 кВт, вы можете резать алюминиевый лист толщиной 0,25 дюйма со скоростью 40 кадров в минуту, а мягкую сталь толщиной 0,2 дюйма можно резать со скоростью 150 кадров в минуту.
Однако длина волны CO 2 -лазеров неэффективна при резке отражающих металлов, таких как латунь и медь.
Волоконный лазер
Волоконные лазеры работают на более короткой длине волны, где-то между 780 нм и 2200 нм. Они лучше всего подходят для маркировки металлов, гравировки и резки.
На этой длине волны металлы имеют более высокую скорость поглощения, благодаря чему даже отражающие металлы поглощают и эффективно используют энергию волоконного лазера.
Это делает их лучшим вариантом для резки материалов с высокой отражающей способностью, таких как алюминий, медь и латунь.
Волоконные лазеры идеально подходят для работы с тонкими металлическими листами толщиной до 5 мм.
Кроме того, они могут резать металлические листы с более высокой скоростью (почти в три раза быстрее, чем C02) из-за небольшого пятна фокусировки.
Однако при использовании на более толстых материалах маленькое фокусное пятно образует заусенцы на кромке реза.
Вы можете исправить это, отрегулировав фокусную высоту лазера в процессе резки, чтобы он находился ниже поверхности материала.
Несмотря на то, что волоконные лазеры являются твердотельными лазерами, они отличаются от диодных лазеров, поскольку их работа и возможности существенно различаются.
Прямой диодный лазер (DDL)
Прямой диодный лазер (DDL) представляет собой кристаллический лазер, который объединяет лазерные лучи от нескольких диодных лазерных источников в один коллимированный когерентный лазерный луч высокой мощности.
Как следует из названия, эти лазеры накачиваются с помощью лазерных диодов. Затем лазер из диода выбрасывается в кристалл.
Легирование кристалла усиливает пучок и мощность до уровней, подходящих для резки.
Диодные лазеры обычно работают на низкочастотной длине волны 1064 нм. Однако более низкая длина волны означает более высокую интенсивность и мощность, что делает их подходящими для операций с металлом.
Эта конкретная длина волны также обеспечивает поглощение большего количества энергии при использовании на таких металлах, как алюминий и медь.
Он может резать большинство металлов почти на 10–20 % быстрее, чем волоконные лазеры, и примерно на 80 % быстрее в случае алюминия.
Лазерная резка DDL еще не стала основной для обработки листового металла. Крупномасштабные исследования и разработки в области этой технологии лазерной резки продолжаются.
Лишь несколько производителей производят лазерные резаки с технологией DDL. Наиболее популярными производителями DDL являются Mazako Photonics и Hamamatsu.
Лазерная резка листового металла. Нюансы обработки разных материалов
Углеродистая сталь
Углеродистая сталь имеет высокую концентрацию углерода, что повышает прочность металла и затрудняет его резку.
Поскольку материал по своей природе сложный и прочный, для его резки лучше всего подходит метод реактивной резки с кислородной поддержкой.
Мягкая сталь
Мягкая сталь дает более быстрые результаты при резке реактивным процессом с использованием кислорода, что ускоряет процесс горения.
Использование кислорода в качестве вспомогательного газа приводит к окислению режущей кромки, обеспечивая оптимальную поверхность для будущих процессов сварки или порошкового покрытия.
В то время как газообразный азот обеспечивает более чистые пропилы с лучшим качеством поверхности и идеально подходит для резки низкоуглеродистой стали толщиной до 4 мм.
Нержавеющая сталь
Нержавеющая сталь имеет небольшое количество добавленного хрома, что улучшает ее способность противостоять коррозии.
Хотя она не имеет такого же эффекта, как углерод, хром снижает пластичность и затрудняет резку металла.
Нержавеющая сталь обычно требует большей мощности лазера, чем мягкая сталь, потому что она имеет тенденцию отражать лазерный луч. Использование волоконного или DDL-лазера поможет уменьшить эффект отражения.
Алюминий
Алюминий — это металл с высокой отражательной способностью и отличной теплопроводностью. Он мягче, пластичнее и легче нержавеющей стали.
Волоконные лазеры, такие как Kern FiberCell, являются отличным выбором для лазерной резки алюминия.
Использование кислорода для лазерной резки алюминия дает грубую режущую кромку.
В то время как азотная добавка идеальна для лазерной резки алюминия, поскольку она обеспечивает гладкий рез с хорошим качеством поверхности.
Титан
Титан известен своей долговечностью, коррозионной стойкостью, химической активностью, прочностью и легким весом.
Эти свойства делают его идеальным материалом для изготовления самолетов, медицинских имплантатов и ювелирных изделий.
При этом титан по праву считается одни из сложно обрабатываемым материалом как для механической резки так и резки лазером. Он немного тверже нержавеющей стали, поэтому вы не сможете резать титан такой же толщины, как нержавеющая сталь. Интересно, что титан почти на 40% легче нержавеющей стали.
Лазерная резка титана почти аналогична резке нержавеющей стали. Они оба работают на одинаковых лазерах и используют одни и те же вспомогательные газы.
Лазер CO 2 с азотом или аргоном лучше всего подходит для получения гладкой кромки на титановых листах.
Медь и латунь
Низкая скорость поглощения лазерных лучей с длинами волн в инфракрасной (ИК) области электромагнитного спектра затрудняет резку меди и латуни.
Блестящая поверхность меди и латуни имеет высокую склонность отражать инфракрасный лазерный свет. Например, чистая медь в твердом состоянии отражает около 95% инфракрасного излучения.
Однако их способность отражать лазер уменьшается с повышением температуры, и поэтому расплавленный металл обычно поглощает больше лазерной энергии по сравнению с его твердым состоянием.
Отраженный лазерный луч может быть опасен при попадании в глаза.
Поэтому необходимо выполнять лазерную резку латуни только в защитных очках блокирующих излучение с длинной волны вашего лазера вашего лазера
Преимущества и ограничения лазерной резки листового металла
Лазерная резка листового металла. Основные преимущества
Минимальные потери материала
В целом, пропил при лазерной резке очень узкий по сравнению с другими методами резки. Резка пропила относится к ширине разреза.
Поскольку лазеры делают узкие разрезы, они максимально используют заготовку и очень экономичны.
Постобработка необязательна
Лазерная кромка, полученная на листовом металле, очень чистая и гладкая. Это зависит от мощности лазера, скорости подачи и технологического газа.
Поскольку процесс лазерной резки оставляет после себя гладкий разрез без заусенцев на листовом металле, в большинстве случаев вам не потребуется дополнительная обработка для полировки кромки реза.
Гибкость
Операции маркировки, гравировки и резки могут выполняться на одних и тех же станках для лазерной резки, поскольку у вас есть возможность регулировать мощность, скорость и разрешение.
Бесконтактный характер лазерной резки
Лазерная резка является бесконтактным процессом, так как нет физического контакта между режущим инструментом и заготовкой. Это означает, что износ инструмента, шум и вибрация минимальны.
Кроме того, его бесконтактный характер устраняет риск развития нежелательных механических напряжений в материале, обычно возникающих из-за трения между инструментом и заготовкой.
Точность
Лазерные резаки управляются компьютером, поэтому их работа отличается высокой точностью.
Его приводные механизмы и их автоматизированное движение обеспечивают повышенную точность по сравнению с другими методами ручной резки.
Лазерная резка листового металла. Основные недостатки
Брызги жидкого металла
«Прокалывание» металлического листа является проблематичным этапом лазерной резки, поскольку это может привести к обратному разбрызгиванию, повреждающему фокусирующую оптику.
Однако выполнение операций прожига в импульсном режиме уменьшает разбрызгивание, а использование газовой подпитки высокого давления выдувает расплавленный металл из фокусирующей линзы, тем самым предотвращая ее повреждение.
Требуются мощные лазеры
Высокая отражательная способность и теплопроводность металлов означают, что лазерный луч должен быть достаточно мощным, чтобы без труда пробить и разрезать материал.
Как правило, для этого требуется высокий уровень входной мощности, от 1 кВт до 6 кВт.
Высокая начальная и эксплуатационная стоимость
Системы лазерной резки, используемые для резки металла, имеют высокие первоначальные затраты. Они также имеют высокое потребление вспомогательного газа и энергии в зависимости от используемого лазера. Это еще больше увеличивает их эксплуатационные расходы.
Лазерная безопасность
Опасности работы с лазерами требуют соблюдения строгих правил безопасности при работе с лазерами. Операторы должны быть хорошо обучены и иметь навыки работы с аппаратным и программным обеспечением.
Ношение лазерных защитных очков является важной мерой предосторожности.
Лазерные лучи, работающие на длинах волн за пределами видимого спектра, невидимы для ваших глаз, поэтому всегда надевайте защитное стекло перед включением лазерной установки.
Листовой металл может отражать падающий лазерный луч в любом произвольном направлении. Работать с такими материалами без защитных очков опасно.
Часто задаваемые вопросы (FAQ)
Можно ли диодным лазером резать металлические листы?
Да, диодный лазер может резать металлические листы. Тем не менее, он должен иметь установку, аналогичную прямым диодным лазерам, которая объединяет несколько источников диодного лазера для генерации одного мощного лазерного луча. Обычные портативные диодные лазеры, которые обычно маломощны, могут гравировать только на окрашенных металлах или металлах с покрытием.
Какие металлы можно резать лазерным резаком?
Лазерный резак может резать большинство металлов общего назначения, таких как углеродистая сталь, нержавеющая сталь, мягкая сталь, алюминий, медь, латунь и т. д. Возможности резки металла лазером зависят от толщины металла, мощности и типа (CO 2, волокно, диод) лазера.
Что лучше для резки листового металла, фрезерный станок с ЧПУ или лазер?
При сравнении фрезерных станков с ЧПУ и лазерных резаков лазерный резак является лучшим вариантом для резки листового металла. Мощный лазерный луч может легко прорезать листовой металл, поскольку он обычно тонкий.
