Лазерная резка металлов

В настоящее время, широкое применения находят различные методы разделения металлов. В основном используют механическую обработку - резку ножовочными полотнами, ленточными пилами, фрезами и др. В производстве также используются разнообразные станки общего и специального назначения для раскроя листовых, профильных и других заготовок из различных металлов и сплавов. При многих достоинствах этого процесса следует отметить и недостатки, главным образом, связанные с низкой производительностью и малой стойкостью отрезного инструмента, а также трудностью и невозможностью, в большинстве случаев, раскроя материалов по сложному криволинейному контуру.
В промышленности получили распространения и ряд процессов разделения материалов, основанных на электрохимическом, электрофизическом и физико-механическом воздействиях. Ацетиленокислородная резка, плазменная резка проникающей дугой и другие физико-химические методы разделения обеспечивают повышение производительности по сравнению с механическими методами, но не обеспечивают высокой точности и чистоты поверхностей реза и требуют в большинстве случаев последующей механической обработки. Электроэрозионная резка позволяет осуществлять процесс разделения материалов с малой шириной и высоким качеством резка, но одновременно с этим характеризуется низкой производительностью.
Сфокусированное лазерное излучение, обеспечивая высокую концентрацию энергии, позволяет разделять практические любые металлы и сплавы независимо от их теплофизических свойств. При этом можно получать узкие разрезы с минимальной зоной термического влияния. При лазерной резке отсутствуют механическое воздействие на обрабатываемый металл и возникают минимальные деформации, как временные в процессе резки, так и остаточные после полного остывания. Вследствие этого можно осуществлять лазерную резку с высокой степенью точности, в том числе и легкодеформируемых и нежёстких заготовок или деталей. Благодаря большой плотности мощности лазерного излучения обеспечивается высокая производительность в сочетании с высоким качеством поверхностей реза. Лёгкое и сравнительно простое управление лазерным пучком позволяет осуществить лазерную резку по сложному контуру плоских и даже объёмных деталей и заготовок с высокой степенью автоматизации процесса. Кратко рассмотренные особенности лазерной резки наглядно демонстрируют несомненные преимущества процесса в сравнении с традиционными методами обработки. Преимущества лазерной резки становятся неоспоримыми в условиях снижения серийности производства и быстрого изменения требований к изделию, т.е. тогда, когда возникает реальная потребность ориентации на гибкие автоматизированные производства. Именно гибкость в производстве делает лазерную резку чрезвычайно удобной и выгодной.
Для резки металлов в России и за рубежом применяются технологические установки на основе твёрдотельных и газовых СО₂ работающих как в непрерывном, так и в импульсно-периодическом режимах излучения. Следует отметить, что в сопоставлении со многими из применяемых на производстве установок стоимость лазерного оборудования для резки достаточно высока. Но благодаря массовости, производительности, точности, лёгкости перестраивания резки под ту или иную заготовку, возможности использования в тех областях, в которых традиционные подходы приводят к значительным трудностям - лазерная резка является одно из перспективных и конкурентоспособных производств.
Основные параметры и показатели процесса газолазерной резки (ГЛР)

Для процесса ГЛР металлов можно выделить основные факторы, определяющие производительность и качественные показатели процесса. Среди них основными являются плотность мощности и мощность лазерного излучения, скорость резки, давление и состав поддуваемого газа, размеры и конфигурация сопла для подачи газа, расстояние от среза сопла до поверхности материала, поглощательная способность поверхности материала, вид, состав и свойства разрезаемых материалов. Плотность подводимой в зону обработки мощности зависит, в свою очередь, от мощности лазерного излучения, его модового состава, поляризации и условий фокусирования (фокусного расстояния линз, величины и направления расфокусировки).
При ГЛР металлов на поверхности реза образуются углубления (бороздки), располагающиеся равномерно одно за другим. Бороздки характеризуются тремя показателями: глубиной, частотой и формой (искривлением или так называемым отставанием линии реза), которые в своей совокупности определяют микрогеометрию (шероховатость) поверхности реза.
Для конкретного металла шероховатость зависит от тепловых характеристик источника теплоты, параметров струи режущего газа и от погрешности координатного устройства.
По топографии поверхности резов, характеру разрушения в зоне обработки различные металлы по их разрезаемости лазерным лучом можно разделить на несколько основных групп:

-мало-, среднеуглеродистые и низколегированные стали;
-высокоуглеродистые, высоколегированные (в том числе нержавеющие) стали;
- цветные металлы (алюминий, медь и др.)
В общем случае для всех групп металлов можно выделить три основные зоны на поверхности реза, отличающиеся друг от друга различным наклоном борозд по отношению к направлению обработки и шероховатостью. Наличие I-й зоны на поверхности характеризует разрушение, периодически протекающее от верхней кромки в глубь металла. Наличие II-й зоны, которая формируется непрерывно, но также имеет бороздчатую структуру (однако менее выраженною) вследствие периодического удаления продуктов разрушения под действием струи газа из I-й зоны.

Расположенная ниже III-я зона указывает на продолжение процесса резки, но без участия лазерной энергии, а только за счёт струи газа и выдуваемого ею из зоны обработки перегретого расплавленного металла и его сплавов. При этом скорость прорезания металла резко снижается и соответственно понижается качество кромки реза.