Лазерная обработка металлов: оборудование, технология, достоинства и недостатки

Высокая экономичность и эффективность лазерной обработки металлов привели к тому, что этот способ используется достаточно широко. Многие промышленные предприятия предпочитают именно этот способ. Существует несколько разных видов лазерной резки. Именно эта операция и является обработкой металлических изделий.

Технология резки

Во время применения лазерной обработки металла изделие подвергается таким воздействиям, как отражение и поглощение лазерного излучения. Как и любой другой производственный процесс, этот протекает по определенному плану.

Первый этап - это воздействие лазерного излучения на металл в конкретной точке. Второй этап заключается в том, что металл сначала нагревается под воздействием этого луча, а после прохождения определенного температурного порога начинается плавиться. Третий этап знаменуется тем, что на границах плавления металла появляются углубления. Последний этап заключается в том, что энергия, излучаемая лазером, приводит ко второй стадии процедуры - кипению и дальнейшему испарению металлического вещества.

Однако стоит отметить, что на практике, по технологии лазерной обработки металла, испарение происходит лишь в том случае, если заготовка сделана из достаточно тонкого металла. Если необходимо обработать материал с достаточно большой плотностью, необходимо использовать вспомогательное оборудование. Плавление осуществляется при помощи газа, который выступает второстепенным агрегатом и помогает избавляться от остатков металла. Такой метод называется газолазерной резкой.

Вырезание деталей при помощи лазера

Конструкция лазера

Основы технологии лазерной резки металла также сильно зависят от того, из чего состоит оборудование. Чаще всего сам по себе лазер конструктивно состоит из трех основных частей. Первая его часть - это особый источник энергии или системы накачки. Вторая часть - это рабочее тело, которое обладает нужным эффектом вынужденного излучения. Последняя часть - это оптический резонатор, который представлен набором из нескольких оптических стекол.

Разновидности оборудования для резки

Технология лазерной резки металла, а точнее, принадлежность того или иного способа обработки к какому-либо виду, определяется по виду рабочего элемента, то есть лазера, а также исходя из его мощности. В настоящее время имеется три разновидности лазера:

  • Твердотельными считаются установки, мощность которых не более 6 кВт.
  • Газовые установки обладают мощность до 20 кВт.
  • Наиболее мощные агрегаты - это газодинамические устройство, мощность которых начинается от 100 кВт.
Станок для обработки металла

Применение аппаратов

На промышленных предприятиях чаще всего прибегают к использованию твердотельной лазерной обработки металла. Резка таким устройством, а точнее, излучение от лазера при данном режиме работы может проходить как импульсами, так и непрерывно. Основным рабочим телом в таких устройствах является рубин, стекло с примесью неодима или же такого элемента, как CaF2, то есть флюорит кальция. Наибольшее преимущество данной установки заключается в том, что она способна создать очень мощный лазерный импульс за долю секунды.

Что касается применения газовых лазеров, то они чаще всего применяются не на промышленных объектах, а в научных или же технических целях. При обработке металла лазерными станками такого типа используется смесь газообразных веществ в качестве рабочего тела. Применяется тут азот, углекислый газ и гелий. Атомы данных веществ возбуждаются под воздействием электрического разряда. Это обеспечивает такие положительные качества, как монохроматичность, а также направленность. Эти свойства выступают основными преимуществами газового лазера.

Детали после лазерной резки

Наибольшая мощность заключается в газодинамических лазерах. Основным рабочим веществом выступает углекислый газ. Процесс протекает следующим образом. Сначала газ нагревается до определенной температуры. После этого он подается в узкий канал, в котором осуществляется расширение структуры, а также охлаждение газа. При проведении данной процедуры и возникает нужная энергия, которая используется для проведения процедуры резки лазером.

Из чего состоит оборудование для работы

Лазерные установки, использующиеся для работы, состоят из следующих четырех ключевых элементов:

  • Специальный излучатель, в роли которого выступает твердотельный газовый лазер. Здесь важно отметить, что он должен обладать подходящими оптическими и энергетическими параметрами для выбранного режима работы.
  • Далее обязательно наличие системы перемещение и формирования луча и газа. Эти элементы отвечают за передачу излучения от лазера к заготовке, которую нужно обработать, а также отвечает за изменение параметров газа, подающегося для работы.
  • Третий важный элемент - это система перемещения. Отвечает она не только за передвижение лазера, но и за движение металлической заготовки. Дополнительными деталями в этой системе выступают привод, двигатель и исполнительный механизм.
  • Естественно, что такое высокоточное и небезопасное оборудование имеет автоматизированную систему оборудования - АСУ. Именно эта система контролирует работу лазера, а также управляет другими системами станка. Для осуществления своей работы она дополнительно комплектуется различными датчиками или необходимыми подсистемами.
Лазерный станок для обработки

Работа с тонким металлом

В настоящее время лазерная обработка металла гораздо чаще используется для работы с листовым типом металлического проката. Необработанные детали с большой толщиной практически не обрабатываются таким методом. Работа же с листовым металлом позволяет также экономить часть электроэнергии.

Стоит также выделить несколько преимуществ, которыми обладает данная операция по резке листового металла:

  • обеспечение высокой точности подачи материала, а также самой работы лазера;
  • на поверхности детали остается минимум загрязненного пространства после работы;
  • довольно низкая вероятность того, что под воздействием лазера будет нанесен какой-либо ненужный вред заготовке;
  • есть возможность создавать достаточно сложные и объемные детали с большой скоростью.
Обработка металлической заготовки лазером

Сферы использования лазерной обработки

В настоящее время использование достаточно высокоточного оборудования для лазерной резки нужно для того, чтобы создавать следующие конструкции:

  • создание разнообразных деталей для машиностроительной техники;
  • создание всевозможных полок, стеллажей и прочих конструкций, применяющихся в торговой промышленности;
  • некоторые элементы дымохода, печей и котлов создаются при помощи лазерной резки;
  • кованные ограждения и некоторые детали для ворот и дверей;

Если принять во внимание все преимущества лазерной обработки металлов, становится понятно, почему многие предприятия переходят именно на этот способ работы с тонким листовым металлопрокатом.

Лазерная обработка металла от ржавчины

Принцип удаления ржавчины с использованием лазерного оборудования базируется на известных физических свойствах, которые возникают при взаимодействии металла и яркого светового излучения, такого как лазер. В соответствии с этими законами чистые металлы будут отражать световое излучение, а вот наличие каких-либо химических примесей, будет, наоборот, поглощать световое излучение. К числу химических веществ принадлежит не только ржавчина. Пленки гидридов и другие загрязнения также могут удаляться таким образом.

Удаление ржавчины

Во время поглощения лазерного излучения поверхностью металла происходит один из трех вариантов развития событий:

  • Нагрев проходит без фазовых превращений. В таком случае слой химического загрязнения, на который воздействуют направленные фотонные пучки, будет их поглощать и отшелушиваться.
  • Возможен нагрев с последующим расплавлением вещества.
  • Возможно, что нагрев будет сопровождаться дальнейшим испарением вещества с поверхности.

Технология лазерной очистки от ржавчины

Учитывая возможные варианты развития, можно сказать, что есть два пути, по которым может протекать процесс очистки от ржавчины. В первом случае технология использования лазера является "мягкой", то есть поверхностный слой будет отделяться от металлической основы в виде чешуек. Второй случай называется "жестким". Он отличается тем, что ржавчина, имеющаяся на поверхности металла, при воздействии лазера будет просто испаряться.

В зависимости от химического состава ржавчины, температура ее плавления составляет от 1580 до 1640 градусов по Цельсию. Другими словами, необходимо развить температуру, которая будет превышать даже показатель, требующийся для плавления стали. Для того чтобы достичь нужного показателя, необходимо, чтобы мощность лазера в зоне действия достигала 106 Вт/см2. При этом диаметр ионно-фотонного пучка, должен быть минимум 100 мм. При таких показателях появляется возможность эффективно удалять оксидную пленку с толщиной от 50 до 75 микрон. Этого вполне хватит для снятия ржавчины с поверхности металла.

Снятие ржавчины при помощи лазера

Устройство для удаления ржавчины

Естественно, что использовать то же самое оборудование для удаления ржавчины, что и для резки, нельзя. Стоит также отметить, что цена лазерной обработки металла от ржавчины достаточно высока. Стоимость колеблется, однако минимальная сумма находится в пределах 10 тысяч рублей, а также зависит от площади металлической заготовки, которую нужно обработать.

В настоящее время наиболее востребованным вариантом оборудования является портативный станок. Он состоит из двух отдельных модулей. Первый модуль - это ранец с источником питания, а второй модуль - это лазерная головка со шламоприемником. Оба модуля соединение между собой при помощи оптоволоконного кабеля. Кроме того, в комплект такого оборудования входит также видеосистема, которая позволяет следить за ходом процесса удаления ржавчины.

Виды лазера для резки металла своими руками

В качестве разновидностей используются те же установки, что и на промышленных предприятиях. Однако некоторые из них слишком мощные и сложные, чтобы можно было изготовить их самостоятельно. По этой причине популярностью пользуется лишь наиболее простой и наиболее маломощный - твердотельный лазер. Хотя здесь будет справедливо отметить, что мощность твердотельного самодельного лазера не сравнится с мощность аналогичного типа, но производственного варианта. Однако для применения в быту такая установка вполне подойдет, к тому же она значительно дешевле.

Статья закончилась. Вопросы остались?
Комментарии 0
Подписаться
Я хочу получать
Правила публикации
Редактирование комментария возможно в течении пяти минут после его создания, либо до момента появления ответа на данный комментарий.