Лазерная резка

Теги

Лазерная технология позволила создать новые промышленные процессы, которые ранее было невозможно осуществить с помощью обычных механических операций. Использование лазерного излучения для резки материалов является на сегодня одним из наиболее широко используемых промышленных применений лазеров.

Технология лазерной резки сегодня хорошо известна и широко используется в промышленности для резки черных и цветных металлов, а также неметаллов, таких как полимеры, керамика, стекло, дерево и ткань. Например, при использовании С02 - лазера мощностью 1500 Вт можно резать мягкую сталь толщиной 2.5 мм со скоростью 7.5 м/мин или 5-мм акриловый лист со скоростью 12 м/мин.

Лазерная резка металла и пластмасс Волгоград

Существует целый ряд различных методов, которые используют в зависимости от обрабатываемого материала. Обычно используется следующие способы для лазерной резки:
  • резка с удалением расплава струей газа
  • резка в режиме испарения или кипения
  • химическое разложение или горение
  • резка в режиме окисления
  • термораскалывание
  • скрайбирование.
Отсутствие контакта инструмента с заготовкой при лазерной резке уменьшает загрязнение материала, а малый размер пятна лазерного излучения создает очень чистый срез, который практически не требуют дополнительной обработки после резки.

Мощное лазерное излучение импульсно-периодического или непрерывного лазера фокусируют в предполагаемом месте резки, на поверхности обрабатываемой детали, с помощью фокусирующей оптики. Диаметр сфокусированного пятна обычно составляет 25-100 мм для резки тонких деталей и 100-300 мм для резки толстых деталей.

Энергия лазера преобразуется в тепловую энергию, которая локально расплавляет материал по всей глубине. Диаметр локализованного расплава, как правило, меньше 0.5 мм. Расплавленный материал удаляют из области реза с помощью газовой струи, которую подают в зону обработки под давлением.

В случае резки с удалением расплава струей газа, сфокусированный лазерный луч нагревает материал до температуры плавления. Затем газовая струя высокого давления удаляет расплавленный материал из зоны резки. При обдуве материала газовой струей, температура материала фактически не поднимается выше требуемых для процесса значений. Это определяет качество поверхности реза.

Качество реза определяется шероховатостью его поверхности. Она отличается для различных зон по толщине металла. Лучшее качество характерно для верхних слоев разрезанного металла, наихудшее - для нижних слоев. Нижний край разреза, кроме того, может иметь остаток повторно затвердевшего расплава (шлака), поскольку не весь расплав сдувается из зоны резки. Это наблюдается при больших толщинах материалов.

В случае резки в режиме испарения или кипения, сфокусированный лазерный луч нагревает поверхность материала до точки кипения и создает узкий канал реза. Образовавшиеся пары металла и кипящий металл сдуваются из зоны резки с помощью газовой струи.

В процессе удаления часть паров оседает на срезанных краях. Если скорость газовой струи меньше некоторого максимального значения, пары металла затвердевают, оставляя глянцевые края реза. При более высокой скорости обдува застывший слой становится матовым. Этот метод используют для резки плексигласа и акрила.

Методика резки, основанная на химическом разложении или горении, наиболее применима для резки термореактивных пластмасс, таких как эпоксидные и фенольные смолы, кевлара и изделий из натурального каучука.

Метод резки в режиме окисления, известный также как газовая или реактивная резка, представляет собой сочетание двух рассмотренных выше способов - сдува расплава и химического разложения в струе кислорода. Оборудованием для резки является газовая горелка с лазером в качестве источника воспламенения. Эта техника часто употребляется для резки мягких и углеродистых сталей.

Применение этого метода позволяет разрезать толстые листы стали с высокой скоростью и получать высококачественные кромки реза без образования окалины. Скорость резки С02-лазером мощностью 1500 Вт может достигать 1 м/мин при резке листа из низкоуглеродистой стали толщиной 10 мм. Кислород в газовой струе реагирует с железом, содержащимся в стали, что приводит к образованию оксида железа. Химическая реакция выделяет тепло, что ускоряет процесс резки.

Окисленный расплав имеет более низкую температуру плавления, чем сталь. Он не прилипает к стенкам канала резки, и поэтому сдувается кислородной струей. Это препятствует образованию окалины на кромках реза.

Термораскалывание (раскалывание под действием термических напряжений) в первую очередь подходит для хрупких материалов, которые особенно чувствительны к тепловой деформации. Сфокусированный лазерный луч вызывает локализованный нагрев поверхности, создавая тепловое расширение. Это приводит к образованию трещины, направление образования которой управляется при перемещении лазерного луча вдоль поверхности. С помощью этого метода разрезают стекло по сложному контуру.

Скрайбирование обычно используется для резки кремниевых пластин на чипы и резки тонких листов керамики, используемых в производстве подложек для микроэлектронных устройств. Скрайбирование представляет собой сверление цепочки мелких глухих отверстий. Для этой цели обычно используется импульсный Nd: YAG - лазер. Просверленные вдоль линии реза отверстия, позволяют отламывать заготовки вдоль линий. Скорости скрайбирования на порядок выше скорости сквозной резки и может достигать 20 м/мин.

В случае резки некоторых металлов, когда требуется, чтобы передний край оставался не окисленным и с минимальным образованием окалины, используют инертный газ высокого давления. Перемещение лазерного луча осуществляют либо путем его сканирования относительно неподвижной обрабатываемой заготовки, либо перемещением заготовки относительно неподвижного лазерного луча.