О лазерной резке металлов

Раскрой металлических заготовок лазерным лучом встречается куда реже, чем аппараты для плазменной резки металла – по вполне объективным причинам технической сложности и высокой стоимости лазерных установок. Между тем, если проанализировать применение лазеров в промышленности, наибольшая доля придется именно на резку материалов, причем не только металлических изделий, но и кожи, пластика, керамики, стекла, дерева и пр. Имеется определенная недосказанность в самом термине «лазерная резка металлических изделий», так как по «умолчанию» он воспринимается недостоверно с технической точки зрения. 

На обрабатываемое изделие воздействует не только и даже не столько поляризованное сфокусированное излучение. Лазерный луч (даже самый мощный!), при работе в автономном режиме не прорежет и тонкий алюминий. Он способен размягчить и расплавить металл, но не удалить продукты расплава из рабочей зоны. Точнее, вытекание расплава будет столь непредсказуемо-хаотичным, что о производительности, точности и глубине разреза останется только мечтать. Поэтому все без исключения промышленные лазерные установки являются комбинированными устройствами. Сфокусированный и мощный луч с минимально возможного расстояния проплавляет металлическую деталь, т.к потеря мощности пропорциональна квадрату расстояния до разрезаемого объекта. Синхронизированный с «лучевым блоком» механизм подачи газовой выдувает жидкие продукты расплава из ЗТВ. Поэтому точнее именовать промышленные установки лазерной резки металлов газолазерным оборудованием.

При резке металлов лазером ширина разреза является наиболее узкой среди всех прочих способов металлообработки, даже лучшие аппараты для плазменной резки  металла здесь с газолазерными установками несравнимы. Эффективный диаметр сфокусированного и мощного нагрева составляет у промышленных лазеров 0.15…0.2 миллиметра, у новейших образцов оборудования – меньше 0.1 мм! Разрезание металлов плазменной струей характеризуется шириной разреза 0.3…0.5 миллиметров, да и то в самых оптимальных случаях, кислородная резка обладает еще меньшей точностью.

Высокая плотность излучения, узость зоны термического влияния придает лазерной резке металлических изделий ряд характерных особенностей. Прежде всего, в верхних слоях обрабатываемой заготовки происходит испарение различной интенсивности. Тугоплавкость сплава на качественную картину испарения сильно не влияет – под мощным воздействием узкого луча вольфрам будет испаряться аналогично обычной стали, хоть и в меньших количествах. Ни один другой вид профильного оборудования, от плазменных резаков Multiplaz до сварочного оборудования EWM или Kemppi, на высокоскоростную резку с сопутствующим испарением металла заготовки не способны. И узость лазерной зоны термического воздействия вкупе с объективными особенностями метода приводит к паразитным потерям мощности.

Оптическое излучение не может взаимодействовать с изделием только «по фронту». В любом случае неизбежно поглощение света и его отражение от кромок, рассеивание на аморфном расплаве, взаимодействие с поверхностными структурно измененными слоями и испаряемыми самим излучением атомами. Настройка оборудования для лазерной резки достаточно сложна. К примеру, только поглощение энергии светового луча зависит от таких факторов, как:

1. Исходной длины волны когерентного излучения;
2. Угла его падения на материал;
3. Фронтовому углу наклона разреза, который в свою очередь зависит от скорости процесса;
4. Наличию легкоплавких примесей, особенно способных выделяться в летучем виде;
5. Окислительной склонности обрабатываемого сплава;
6. Соотношение энергетического «вклада» от собственно лазерного луча и вспомогательного источника подачи газа.

Производительность лазерной резки, гладкость кромок и узость разреза достижимы именно при вспомогательной роли газовой подачи, при использовании ее для выдува продуктов расплава. Если энергетический вклад газовой струи значителен, то происходит экзотермическое окисление расплава, что в физическом смысле аналогично разрезанию металлических изделий кислородной струей. Производительность и точность кислородной резки заметно уступает газолазерному методу, так что экзотермическое окисление попросту неэффективно – не забиваем же мы гвозди фотоаппаратами, хотя вес некоторых моделей подобное использование допускает…

Качество (гладкость и перпендикулярность) получаемых кромок – очевидное преимущество разрезания металлических заготовок посредством газолазерной аппаратуры. Ни один другой способ термической или механической резки такой чистотой кромок не обладает. При этом удельная стоимость метра разреза является достаточно высокой. Поэтому для стандартных работ, пусть и посредством премиального сварочного оборудования EWM или Linkoln, технологический этап с обработкой заготовок лазером будет неоправданно затратен. Только при ответственных и сложных производственных задачах, когда требуется непревзойденная точность самих заготовок и их кромок, применение лазерной резки бывает финансово оправдано.

Типичные технические характеристики при газолазерной обработке металлов имеющимися промышленными установками таковы:

• Сталь и железо прорезаются на глубину 12-14 миллиметров, цветные металлы – в зависимости от композитного состава, до 20 мм;
• Скорость разреза сильно зависит от траектории. Если прямолинейные участки тонкого металла «проходятся» стремительно, до 20-25 см/сек, то сложные криволинейные виражи «выписываются» на скоростях менее 1 см/сек;
• Ширина реза эмпирически зависит от толщины заготовки и не превышает 0.3 мм для самых солидных листов и полос. Для стальных листов < 3 миллиметровой толщины она составляет порядка 0.1 мм.
• Шероховатость обработанной поверхности – 10 микрон (!) в оптимальном случае (простой химический состав, тонкий металл, прямой рез) и не более 40 микрон при самой неблагоприятной производственной специфике;
• Отклонение размерных значений – не более 0.2 миллиметра от заданных, обычно 0.05…0.1 мм;
• Неперпендикулярность кромок – менее 4-5 % от максимальной толщины объекта. С ростом твердости обрабатываемого металла отклонение от перпендикулярности уменьшается.

При подготовке изделий и заготовок к лазерной резке достаточно ограничиться удалением смазочно-жировых отложений, которые могут помешать однородному прогреву деталей. Недостатки метода газолазерной металлообработки – значительная стоимость установок, сложность в обслуживании и настройке и «привязка» к стационарным цеховым условиям.

Информация предоставлена интернет-гипермаркетом сварочного оборудования Тиберис - tiberis.ru