Лазерная обработка

Технологические процессы лазерной обработки материалов

Лазерной обработкой удается реализовать широкий круг технологических процессов и методов обработки материалов - резка, сварка, микро-сверление, наплавка, маркировка, закалка, и др.

Применяются следующие виды обработки лазером: резание листового материала по сложному контуру, прошивание отверстий, сварка, разметка, маркировка, поверхностная термообработка (закалка, отпуск) и др. С помощью луча лазера наиболее часто обрабатывают тонколистовые труднообрабатываемые сплавы железа, титана, никеля, керамику, а также пластмассу, дерево, ткани, различные композиционные соединения.

При лазерной резке отсутствует механическое воздействие на обрабатываемый материал и возникают минимальные деформации, что позволяет осуществлять обработку с высокой точностью, в том числе нежестких заготовок. Благодаря большой плотности мощности лазерного излучения обеспечивается высокая производительность процесса обработки в сочетании и высоким качеством поверхностей. Легкое и сравнительно простое управление лазерным лучом позволяет осуществлять обработку по сложному контуру плоских и объемных заготовок с высокой степенью автоматизации процесса.

Лазерная резка металла основана на принципе концентрации лазерного луча на поверхности обрабатываемой детали. Луч лазера концентрируется на поверхности детали на площади, исчисляемой квадратными микронами, и создает область повышенной температуры. В результате воздействия луча поверхность детали разогревается, расплавляется и испаряется. Сфокусированное лазерное излучение позволяет резать практически любые металлы и сплавы, независимо от их теплофизических свойств. При лазерной резке отсутствует механическое воздействие на обрабатываемый материал и возникают незначительные деформации. Вследствие этого можно осуществлять лазерную резку с высокой точностью, в том числе и легкодеформируемых и нежестких деталей. Благодаря большой мощности лазерного излучения обеспечивается высокая производительность процесса реза. При этом достигается такое высокое качество реза, что в полученных отверстиях можно нарезать резьбу.

Лазерная резка металлов применяется для точной обработки фасонных деталей, деталей, которые невозможно обработать другим способом по причине их хрупкости, низкой жесткости, высокой твердости, либо слишком сложных для обработки другими способами. Этим способом целесообразно изготавливать штучные сложные детали - размер партии одновременно обрабатываемых деталей мало влияет на себестоимость единицы продукции.

Обрабатываемые материалы. Для лазерной резки доступны такие материалы как углеродистая, конструкционная, трансформаторная и нержавеющая стали; алюминиевые сплавы, титан, медь, керамика, графит, дерево, фанера, плотный картон, наждачная бумага, резина, стекло, различные виды пластиков (в том числе оргстекло), кожа и другие материалы.

Точность обработки. Одним из преимуществ лазерной резки над другими видами обработки листового материала является точность резки. Так, например, точность позиционирования при гидроабразивной резке составляет +/–0,2мм, точность резки +/–0,15мм. При лазерной резке точность позиционирования ± 0,03мм, а точность (повторяемость) резки ±0,005мм – что является определяющим фактором при необходимости выбора способа резки для технологической операции, после которой дополнительная обработка с целью «подгонки» размера экономически нецелесообразна. В дополнение к этому, качество поверхности кромки после порезки лазером достигает Ra <=3,2 – 12,5мкм (при толщине стального листа от 0,5 до 12мм) – при этом следует отметить прямоугольность кромок после порезки – что для конкурирующих способов обработки (гидроабразив, плазма) недоступно. При гидроабразивной резке качество поверхности составляет Rz 20-60мкм. В отличие от газоплазменной резки, механические свойства металла в зоне резания лазером практически не изменяются, а окалинообразование сведено к минимуму.

Производительность. Производительность лазерной резки определяется скоростью резки и степенью автоматизации оборудования. В общем случае скорость лазерной резки составляет 1-9 м/мин (при толщине обрабатываемого металла 26-0,5мм соответственно). Максимальная скорость резки и максимальная толщина разрезаемого материала, как правило, пропорциональны выходной мощности лазера.

Лазерная технология обеспечивает высокую производительность и точность. Лазерная резка в зависимости от интенсивности излучения в зоне реза, вида материала, состава и давления режущего газа разделяются на несколько видов:

- Лазерно - кислородная резка

- Кислородная резка с поддержкой лазерным лучом (LASOX)

- Лазерная резка в инертном газе

- Лазерное термораскалывание

- Лазерная испарительная (сублимационная) резка

Лазерно – кислородная резка. Режущим газом при осуществлении данной услуги (лазерная резка) является кислород. Такая лазерная технология предполагает взаимодействие кислорода с раскаленным металлом, приводящее к экзотермической реакции окисления. Так в случае железа, выделившегося тепла обычно в 3-5 раз больше, чем подводимой мощности лазера. Образующиеся окислы выдуваются этой же струей кислорода.

Эта лазерная технология имеет следующие характерные особенности:

-Диаметр сфокусированного луча меньше, чем диаметр кислородной струи. Диаметр струи обычно 1-2 мм

-Ширина реза определяется диаметром сфокусированного луча и скоростью реза. Чем меньше толщина листа и чем выше скорость обработки, тем уже рез. Ширина реза может быть меньше 100 мкм

-Давление в струе от 3-4 атм при резке тонкого листа до 0.3 атм при резке листа, толщиной 30 мм, причем оно тем меньше, чем больше толщина разрезаемого металла

- такая технология лазерной резки осуществляется расширяющимся лучом, т.е. точка фокуса расположена выше поверхности металла

-Зазор между срезом сопла, формирующим струю, составляет от 0.5 мм для тонкого листа до 3 мм для листа толщиной 30мм

-Чем толще металл, тем меньше скорость реза. Минимальная скорость реза 0.5-0.6 м/мин. Именно этот факт определяет максимальную толщину разрезаемого стального листа. В настоящее время такая лазерная технология обеспечивает 30 мм при мощности лазера – 6 кВт.

-При скорости резания меньше, чем 0,5 м/мин лазерная резка качество оказываемой услуги (лазерной резки) значительно падает. На поверхности реза появляются характерные дефекты – вырывы, ширина реза возрастает, процесс переходит в автогенный.

Кислородная резка с поддержкой лазерным лучом. Для лазерной резки толстолистовой стали в последнее время все шире применяется следующая лазерная технология - лазерный луч лишь нагревает поверхность металла до температуры около 1000 градусов перед тем, как на эту поверхность попадает сверхзвуковая струя кислорода.

Данная лазерная технология стабилизирует процесс кислородной резки, несмотря на экспоненциальную зависимость скорости окисления металла от температуры. При этой лазерной технологии стенки реза гладкие. Глубина резания значительно возрастает по сравнению с использованием традиционной услуги – лазерной резки кислородом.

Характерные особенности лазерной резки кислородом с поддержкой лазерным лучом:

-Давление кислорода, необходимое для формирования сверхзвуковой струи большое (6-10 атм.);

-Диаметр пятна на поверхности металла существенно больше, чем диаметр струи;

-Ширина реза равна диаметру кислородной струи и, как правило, больше 3мм;

-Данная лазерная технология обеспечивает расстояние между срезом сопла и металлом 6-8 мм;

-Лазерная технология имеет преимущество - скорость реза около 0,2 м/мин, что существенно ниже скорости услуги – лазерной резки кислородом

-Толщина разрезаемого металла-до 50 мм при мощности лазерного луча 3 кВт и до 100 мм при мощности лазера 6 кВт.

Лазерная резка в инертном газе. Эта лазерная технология применяется в тех случаях, когда нежелательно окисление кромок металла, например при оказании услуги – лазерная резка нержавеющей стали, титана, алюминиевых сплавов. Эффективность лазерной резки в инертном газе ниже, чем при лазерно-кислородной резке за счет отсутствия дополнительного источника нагрева.

Характерные особенности:

- Данная лазерная технология предполагает использование азота (при резке титана-аргон) - наиболее распространенного инертного режущего газа;

- Давление режущего газа большое: до 10 атм и больше, поэтому такая лазерная технология требует фокусирующих линз повышенной толщины;

- Формируется сверхзвуковая струя режущего газа, выдувающая капли расплавленного металла из зоны реза;

- Излучение фокусируют на нижнюю поверхность листа;

- Эта лазерная технология обеспечивает минимальное расстояние между срезом сопла и поверхностью металла: 0.5-1мм;

- При лазерной резке толстого металла - диаметр сопла достаточно большой, доходит до 3 мм, поэтому расход инертного газа большой, он часто определяет стоимость резки.

- Скорость резки в инертном газе относительно низка.

Лазерное термораскалывание стекла. Такая лазерная технология осуществляется за счет неоднородного нагрева хрупкого материала, такого как стекло, лазерным лучом и его охлаждения струей инертного газа. В результате происходит формирование трещины. Перемещение источника нагрева по поверхности стекла позволяет управлять направлением распространения трещины и получать гладкую грань раздела.

Лазерная испарительная (сублимационная резка). Данная лазерная технология применяется при очень больших интенсивностях лазерного излучения, которое реализуется в режиме очень коротких лазерных импульсов наносекундной и пикосекундной длительности.

Характерные особенности:

- применяется в микротехнологии;

- минимальное термическое воздействие на материал подложки;

- данная лазерная технология имеет минимальный кпд;

- длина волны излучения лазера, как правило, короче 1 мкм (твердотельные и эксимерные лазеры, лазеры на парах металлов).

Существует четыре концепции резонатора:

1. Стержневой лазер

Стержневой лазер был первым твердотельным лазером, который широко использовался в промышленности. Генерация лазерного луча происходит в кристаллическом стержне цилиндрической формы. Активную среду возбуждают две разрядные лампы, расположенные справа и слева от стержня. В качестве альтернативы для накачки также использовались и диодные лазеры. Они обеспечивают лучшее качество луча при высокой мощности.

2. Диодный лазер

Диодные лазеры генерируют лазерное излучение непосредственно из электротока. Благодаря этому их КПД превышает КПД дисковых и волоконных лазеров. Для достижения высокой выходной мощности отдельные излучатели обычно соединяются и образуют полоски, планки и стопки с большим количеством диодов для излучения лазерного луча необходимой мощности. Из-за качества луча диодные лазеры пока непригодны для резки, и используются при сварке и пайке.

3. Волоконные лазеры

В волоконных лазерах в качестве активной лазерной среды используются тонкие кварцевые волокна. Для накачки здесь также используются лазерные диоды. Свет накачки преобразуется в лазерное излучение непосредственно в волокне и затем передается для обработки материала. Волоконный лазер, как и дисковый и стержневой лазеры, является твердотельным. В нем также лазерное излучение гибко передается с помощью оптических волноводов.

4. Дисковые лазеры

В дисковых лазерах используются тончайшие кристаллические диски. Излучаемая диодными лазерами энергия накачки концентрируется всего лишь на нескольких миллиметрах, затем энергия накачки направляется в диск, в котором формируется выходное лазерное излучение. Обладая выходной мощностью до 16 кВт и длиной волны один микрон, дисковые лазеры максимально эффективны для резки и сварки тонколистового металла.

Чаще всего лазеры классифицируют по агрегатному состоянию вещества, разделяя на газовые, твердотельные, жидкостные и лазеры на свободных электронах.

С0₂-лазер зарекомендовал себя в металлообработке как надежный и стабильный источник излучения, используется для лазерной резки и лазерной сварки. Длина волны луча С0₂-лазера λ =10,6 мкм. Форма луча на выходе после преобразующей оптической системы и плотность распределения мощности в зоне фокусировки остаются постоянными и не зависят от режимов работы, импульсного или непрерывного, поэтому обра­ботка металлов С0₂-лазером обеспечивает высокое и стабильное качество. Диапазон их выходной мощности 700-20000 Вт. Обладая компактной и прочной конструкцией, а также интерфейсом с открытой архитектурой, лазеры легко встраиваются в уже готовую установку для металлообработки (рис.126, б). Газ внутри резонатора не циркулирует, а остается неподвижным, что при маленьком объеме с большой площадью поверхности позволяет эффективно отводить тепло. Сам резонатор состоит из двух алюминиевых труб, вставленных одна в другую. Они выполняют роль двух электродов. Лазерный луч генерируется между трубами, а его отражение происходит на зеркалах, расположенных в торце. Благодаря такой конструкции лазерный луч при многократных отражениях остается параллельным даже при тепловой деформации труб, появляющейся из-за нагревания.

Твердотельные лазеры, если их сравнивать с С0₂, широко используются в промышленности недавно. Одна из главных причин, сдерживающих их применение - это низкий КПД.

Технология волоконных лазеров имеет луч с выходной мощностью 200, 300, 400 Вт и высочайшим качеством, применяют в задачах, где необходимым техническим решением является сфокусированное пятно диаметром от 10 до 50 мкм. Это сварка в изделиях электроники, изготовление медицинского оборудования, прецизионная обработка материалов. Корпус в 19-дюймовом исполнении содержит все необходимые для работы источника компоненты: лазерный генератор, блок питания, блок управления и т.д., что позволяет легко интегрировать источник в стандартные стойки.

Увеличение длины и уменьшение диаметра - технология волоконного лазера, а увеличение диаметра и уменьшение длины - технология дисковых лазеров. Качество луча волоконных лазеров определяется волноводными свойствами волокна, разностью показателей преломления между жилой и покрытием, а также внутренним диаметром.

Особенность технологии волоконных лазеров, выделяемых в отдельную группу и являющихся твердотельными, заключается в том, что накачка происходит в оптоволокне диаметром несколько сотен микрон. Однако существует предел плотности мощности, за границами которого могут возникать нелинейные оптические эффекты, затемнение волокна, и в конечном счете, его старение.

Дисковый лазер, так же как и волоконный, характеризуется большим отношением площади охлаждаемой поверхности к коэффициенту усиления лазера. Качество луча дискового лазера, с другой стороны, зависит от конструкции резонатора.

Дисковые лазеры (рис.126) в силу своей конструкции нечувствительны к обратному отражению. Их семейство представляет собой источники с λ=1030 нм, работающие в непрерывном режиме генерации с выходной мощностью излучения от 1 до 16 кВт. Рабочий кристалл выполнен из плоского кристалла диаметром несколько миллиметров и толщиной в несколько сот микрометров. Это исключает появление тепловой линзы и позволяет получить высокую выходную мощность в сочетании с высоким качеством луча. В качестве накачки используют линейку диодных лазеров. КПД такого источника составляет 25% на обрабатываемой поверхности с учетом потерь эффективности на всех электрических и оптических компонентах, включая охладитель, блок управления, оптическую разводку, оптоволоконный кабель и рабочую оптику. Отметим, что общая занимаемая площадь, например, 4 кВт источника составляет всего около 1,5 м².

Конструкция дискового лазера применяют в качестве инструмента для лазерной резки или сварки тонкого листа, глубокой сварки для машиностроения, гибридной лазерной сварки или сварки при помощи сканирующей оптической головки.

В производстве и ремонте инструмента и пресс-форм лазерная сварка завоевала высокое признание в силу того, что термическая нагрузка на обрабатываемую поверхность настолько мала, что позволяет избежать образования дефектов. Поэтому необходимость предварительного нагрева возникает редко. Для решения этих задач используют лазеры, работающих в импульсном режиме с регулированием добротности. Средний показатель мощности таких лазеров от 40 до 550 Вт при максимальной мощности импульса вплоть до 10 кВт.

Для обработки металлов применяются установки на основе твердотельных и газовых СО₂-лазеров, работающих в непрерывном и в импульсно-периодическом режимах излучения. Для интенсификации процесса в зону обработки подается под давлением струя газа. Скорость резки зависит от параметров газа - состава, расхода и давления.

Для лазерной резки выделяют основные факторы, определяющие производительность и качественные показатели процесса:

- мощность лазерного излучения;

- плотность мощности зависящей от мощности и площади пучка на поверхности обрабатываемой заготовки;

- фокусное расстояние;

- скорость реза;

- состав, свойства и толщина обрабатываемого металла;

- диаметр, конфигурация сопла для подачи газа и расстояние от среза сопла до поверхности материала, определяющие параметры и динамику струи газа;

- давление и состав газа.

Качество резки определяется показателями (рис.127) - отклонение от заданной линии реза, шероховатость поверхности реза, ширина реза, отклонение ширины реза, радиус оплавления верхней кромки R, протяженность зоны термического влияния В, количество грата (наплывы на нижней кромке металла). Размерная точность определяется погрешностями несущей системы станка, исполнительных органов, системы управления.

Получение готовых деталей с помощью лазерной резки осуществляется на лазерных технологических комплексах, позволяющих в зависимости от назначения и состава входящих в него устройств обрабатывать изделия сложной плоской и объемной формы.