Лазерная резка

В основе лазерной обработки лежит простой научный факт: лазерный луч можно сконцентрировать на поверхности материала в пятно диаметром в десятые доли миллиметра. Если при этом лазер обладает достаточной мощностью, то происходит расплавление, испарение, разрушение, изменение структуры материала. Для превращения лазерного луча в инструмент на его пути на расстоянии нескольких сантиметров от поверхности обрабатываемого материала ставится фокусирующая линза. Процесс напоминает детское развлечение в солнечный день с выжигательным стеклом. Только вместо солнечного луча луч лазера. Если теперь начать двигать материал с помощью двухкоординатного привода, управляемого от компьютера, то получится простейший станок для лазерной обработки материалов. Обычно в реальных станках перемещается лазерный резак над неподвижным материалом, так называемый координатный стол с «летающей оптикой».

В основном для обработки материалов используются два класса лазеров: так называемые твердотельные и газовые. Наиболее распространенные твердотельные лазеры на неодимовом стекле и иттрий-алюминиевом гранате с длиной волны около 1 микрона, что немножко длиннее видимого красного излучения, и газовые лазеры на углекислом газе с длиной волны около 10 микрон (дальняя инфракрасная область, невидимая глазом. Примерно такую длину волны излучает кипящий чайник). Есть еще всякая экзотика типа зеленых лазеров на парах меди, красных на рубине, цветных на жидких красителях, полупроводниковых и т.д. Все они имеют ограниченную область применения и редко используются для обработки материалов в утилитарном смысле этого слова.

1. Лазерная резка

Лазерная резка является наиболее распространенной операцией СЛО (40% всех операций СЛО). Возможно разделение любых металлов и сплавов.

Мощность светового луча

N = n ∙ h ∙ ω

где n – скорость образования активных атомов (м^-3с^-1)

h – постоянная Планка (h=6,625∙10^-34Дж∙с)

ω – частота кванта

Предельная глубина резки при N=5кВт:

Ti – 10мм;

нерж.сталь – 6мм;

низкоуглеродистая сталь – 10мм.

При помощи газового лазера (СО₂) мощностью 100Вт и толщине заготовки 1мм скорость газовой лучевой резки составляет:

1,6м/мин – низкоуглеродистая сталь

0,94м/мин – нерж.сталь

0,5м/мин – кварц

Стоимость погонного метра реза, выполненного лазером при толщине материала 1 – 10мм, в 2-3 раза ниже, чем при механической резке.

В промышленности для лазерной резки в основном используются газовые лазеры (СО₂) и твердотельные (рубин).

Эффективность лазерной резки существенно повышается при введении в зону резания кислорода. Реакция между металлом и кислородом увеличивает локальное энерговыделение (такую резку называют газолазерной). Установки для газолазерной резки оснащены специальными устройствами для подачи кислорода или воздуха в зону резания.

Кислород проявляет себя следующим образом:

1. За счет реакции окисления обеспечивает выделение основной части энергии, необходимой для резки

2. Значительно увеличивает поглощающую способность материала за счет создания на его поверхности оксидов, имеющих меньший коэффициент отражения

3. Охлаждает кромки разрезаемого материала

2. Размерная обработка

Лазерную размерную обработку применяют для прошивания глухих и сквозных отверстий, вырезания заготовок из листовых материалов.

Для этого чаще всего применяют импульсные твердотельные ОКГ.

Основными преимуществами лазерного прошивания по сравнению с механической обработкой являются:

• Возможность обрабатывать любые материалы, независимо от их механических свойств

• Возможность получать отверстия малых диаметров (менее 0,1мм) с большим отношением глубины к диаметру, в этом случае применяется многоимпульсный режим обработки

• Отсутствие усилий обработки

Следует обратить внимание на следующий факт – металлы, образующие тугоплавкие оксиды с большой вязкостью, плохо поддаются газолазерной резке, т.к. затруднено удаление оксидов из зоны реза. Такими материалами являются алюминий и его сплавы, магний, латунь, хром и др. Их выгоднее резать плазменной резкой.

Производительность достигается при получении отверстий за один импульс с большой энергией (до 30Дж). При этом основная масса материала удаляется из отверстия в расплавленном состоянии под давлением пара, образовавшегося в результате испарения относительно небольшой части вещества. НО! Точность обработки одноимпульсным методом невысокая (10-20% диаметра). Максимальная точность (1-5%) достигается при воздействии на материал серии импульсов (многоимпульсный метод) с относительно небольшой энергией (0,1-0,3Дж) и малой длительностью (≤0,1мс). Возможно получение различных форм поперечного сечения (круглые, треугольные и т.д.) и продольного сечения (цилиндрические, конические).

Освоено получение отверстий Ø0,003÷1мм. Шероховатость стенок отверстия Ra=0,4-0,1мкм. Глубина структурно измененного слоя h=1-100мкм

Производительность лазерных установок 60-240 отв/мин. Наиболее эффективно применение лазера для труднообрабатываемых другими методами материалов (алмаз, рубин, керамика), получения отверстий диаметром менее 100мкм, или под углом к поверхности.