Раскрой металлопроката лазером: как это работает

Принцип работы станка лазерной резки довольно прост: для бесконтактного раскроя проката используется сфокусированный световой луч высокой плотности. Концентрация энергии в маленьком пятне фокусировки позволяет минимизировать тепловое воздействие на материал и обеспечивает малую ширину реза.

Обработка заготовок с помощью лазерных установок состоит из следующих этапов:

• металл в зоне действия луча нагревается с последующим локальным плавлением или испарением;
• поток вспомогательного газа выдувает продукты расплава из области реза, формируя чистый срез без заусенцев;
• ЧПУ обеспечивает точное следование заданной траектории с минимальной погрешностью.

Сравнение лазерных, плазменных и гидроабразивных станков

В металлообрабатывающей промышленности применяют три ключевые технологии для раскроя проката – лазерная, плазменная и гидроабразивная резка.

Станок лазерной резки металла подходит для серийного производства деталей с жесткими допусками и высокой чистотой кромки, не требующей финишной обработки. С помощью лазерной установки можно изготавливать геометрически сложные детали с высокой точностью и повторяемостью. Недостаток технологии – возможность обработки проката малой и средней толщины.

Плазменную резку используют при обработке толстолистового проката, где точность не является критическим параметром. Основным недостатком метода является выраженная конусность кромки и значительное термическое воздействие на структуру металла, поэтому требуется доработка кромки после реза.

Гидроабразивные резаки способны работать с заготовками практически любой толщины и обеспечивают получение ровных гладких кромок. Однако метод характеризуется низкой скоростью перемещения головки и высокой стоимостью расходных материалов.

Основные конструктивные узлы и системы лазерного станка

Итак, мы рассмотрели, как работает лазерный станок по металлу и в чем преимущества технологии резки лазером. Чтобы понять, как правильно выбрать оборудование, необходимо разобраться в конструктивном устройстве лазерного станка.

Основные узлы лазерной установки раскроя металла – это:

• станина, на которой монтируются все элементы;
• источник лазерного излучения – генерирует световой луч требуемой мощности;
• режущая головка – концентрирует и фокусирует световой поток в пятно малого диаметра;
• портальная система – несущая рама с линейными направляющими, серводвигателями и редукторами для перемещения по осям X, Y, Z;
• система ЧПУ – управляет траекторией, скоростью и мощностью луча;
• система охлаждения – отводит избыток тепловой энергии;
• система подачи газа – подает газ через сопло для удаления расплава.

Типы лазерных источников

Принята следующая классификация лазерных станков по типу генератора светового излучения:

• волоконные;
• CO2 (газовые);
• Nd:YAG.

Волоконные лазеры в качестве активной усиливающей среды используют оптоволокно, легированное редкоземельным металлом. Установка генерирует мощное световое излучение, которое передается по оптоволоконному кабелю. С помощью оптоволоконной лазерной установки можно выполнять раскрой металлопроката различной толщины, включая зеркальную нержавейку, медь и алюминий.

Волоконные лазеры для резки металла характеризуются высоким КПД и не требуют сложного обслуживания. Они занимают доминирующее положение на рынке благодаря оптимальному балансу цены, производительности и энергоэффективности. Ресурс волоконного лазера в несколько раз больше, чем у CO₂-установок.

Газовые лазеры реже используются для раскроя металлических заготовок. В качестве активной рабочей среды в таких установках применяется специальная смесь газов. Через газовую смесь проходит электрический разряд, который возбуждает молекулы газовой смеси и вызывает интенсивное излучение. Световой луч усиливается с помощью зеркал и фокусируется линзой.

СО2 лазерный станок может выполнять следующие функции: резка тонких листов, маркировка, неглубокая гравировка. Газовые лазеры менее эффективны, потребляют больше энергии, требуют частой настройки системы зеркал. Они хуже работают с алюминием, медью и другими отражающими металлами.

В твердотельных установках Nd:YAG используется кристаллический иттриево-алюминиевый гранат, активированный неодимом. Эти типы лазеров для резки способны резать толстые стальные листы, выполнять глубокую гравировку. Однако в современной металлообработке Nd:YAG аппараты активно заменяются более экономичными и производительными волоконными установками.

Оптическая система: передача и фокусировка луча

Устройство лазерных установок подразумевает наличие оптической системы, которая обеспечивает передачу светового пучка от источника и фокусировку луча с минимальными потерями энергии. Разные виды лазерных установок используют различные технологии доставки излучения от источника к режущей головке.

В газовых лазерах для отражения луча от резонатора на фокусирующую линзу используются два-три зеркала. Луч передается по воздуху, что приводит к значительным потерям энергии. Первое зеркало зафиксировано неподвижно, а второе и третье – закреплены на подвижных осях портала. Чтобы луч всегда попадал в центр линзы при любом положении портала, требуется регулярная прецизионная настройка углов наклона каждого зеркала.

В волоконных лазерах излучение передается по оптоволокну непосредственно в режущую головку. Он попадает на коллиматор, который расширяет луч, а затем поступает на фокусирующую линзу. Отсутствие зеркал исключает необходимость сложной юстировки, что упрощает и удешевляет обслуживание.

В обеих системах конечной точкой передачи является фокусирующая линза, которая сжимает световой пучок в пятно малого диаметра. В газовых лазерах применяют линзы из селенида цинка, устойчивые к тепловым нагрузкам. Однако такие линзы требуют аккуратного обращения из-за хрупкости, нуждаются в регулярной чистке от загрязнений.

В волоконных лазерах используют линзы из плавленого кварцевого песка. Они характеризуются высокой термостойкостью и превосходят линзы из селенида цинка по способности работать с лучами высокой мощности.

Система числового программного управления (ЧПУ)

Система ЧПУ координирует работу всех узлов станка, преобразуя программный код в последовательность команд для приводов и лазерного генератора. Это «мозг» лазерной установки, который управляет всеми этапами процесса раскроя металлических заготовок без участия человека.

На начальном этапе оператор создает программу в CAD/CAM-софте, где задает траекторию и скорость реза, мощность лазера, параметры подачи газа. Контроллер ЧПУ интерпретирует код и выполняет следующие функции:

• передает команды серводвигателям портала (оси X, Y) для обеспечения заданного контура и скорости резки;
• поддерживает оптимальное фокусное расстояние между линзой и поверхностью металлической заготовки;
• динамически изменяет мощность излучения в зависимости от скорости;
• корректирует параметры работы станка в реальном времени на основании информации от многочисленных датчиков.

Система подачи газа

В технологии лазерного раскроя газ используется для удаления продуктов расплава из рабочей зоны и защиты фокусирующей линзы от брызг металла. Он подается под давлением вместе с лучом лазера через сопло режущей головки.

• Кислород – используется для углеродистых и низколегированных сталей. Он ускоряет резку за счет экзотермической окислительной реакции, но оставляет оксидный слой на кромке.
• Азот – применяется для работы с нержавейкой, алюминием, латунью. Азот не реагирует с металлом, что предотвращает окисление и обеспечивает получение чистой кромки без нагара.
• Сжатый воздух – экономичный вариант для тонколистовых черных металлов (до 3 мм). Он имеет низкую себестоимость, но качество кромки при его применении ниже.
• Инертные газы (аргон, гелий) – применяются для раскроя титана и сплавов. Они обеспечивают самый чистый результат, но стоят дорого.

Варианты перемещения режущей головки и заготовки

В лазерных станках по металлу перемещение лазерной головки может осуществляться следующими способами:

• портальная система;
• консольная система;
• фиксированная головка.

Наибольшее распространение в современной металлообработке получила портальная система. Режущая головка движется по осям X и Y, а заготовка остается неподвижной. Портальные станки способны работать с крупноформатным листовым прокатом.

В консольной системе головка перемещается по оси Х, а стол с заготовкой – по оси Y. Такая схема используется в небольших лазерных станках (в основном – настольного формата), которые предназначены для работы с небольшими тонколистовыми заготовками.

В схеме с фиксированной головкой используется движущийся стол. Головка остается неподвижной, а стол перемещается по осям X и Y. Такой вариант обычно применяется для резки труб и профилей.

Система охлаждения

Система охлаждения лазерного станка по металлу предотвращает перегрев оборудования и обеспечивает его длительную стабильную работу. Для удаления излишков тепла используются водяные охладители (чиллеры), оснащенные датчиками и контроллером для автоматического поддержания заданной температуры охлаждающей жидкости.

В волоконных лазерах используются чиллеры с раздельными контурами охлаждения для лазерного генератора и режущей головки. Такая схема обеспечивает эффективный отвод тепла без необходимости установки двух охладителей, что экономит место и снижает стоимость оборудования.

В качестве охлаждающей жидкости используется дистиллированная или деионизированная вода, антифриз (водный раствор этиленгликоля). Обычную водопроводную воду применять не рекомендуется из-за наличия примесей и микроорганизмов.

В маломощных лазерных резаках используются системы воздушного охлаждения с вентиляторами и радиаторами. Они характеризуются невысокой эффективностью, чаще всего их можно встретить в небольших СО2 лазерах.

Система дымоудаления

В процессе работы лазерной установки по раскрою металла в воздух попадает мелкодисперсные частицы металла и токсичные испарения. Система дымоудаления с многоступенчатой фильтрацией эффективно удаляет металлическую пыль и вредные вещества, защищая органы дыхания операторов и предотвращая оседание загрязнений на оптических элементах.

Лазеры по металлу комплектуются встроенными вытяжками, однако для качественной очистки воздуха рекомендуется установить дополнительную систему вентиляции. Ее производительность подбирается в зависимости от мощности лазерной установки и характеристик рабочих процессов.

Классификация лазерных металлорежущих станков и критерии выбора оборудования

В зависимости от назначения, лазерные металлорежущие станки классифицируются на три основных типа: для резки листа, для резки труб и комбинированные модели.

Лазерные станки для резки листового металла – наиболее распространенные в производственной сфере. Они предназначены для обработки плоских металлических листов различной толщины и размеров. Основное внимание при выборе таких станков уделяется размеру рабочего поля, который определяет максимальные габариты обрабатываемого материала. Скорость перемещения головки является ключевым параметром, влияющим на скорость резки и качество конечного продукта. Чем выше скорость перемещения, тем быстрее можно завершить работу без потери точности.

Станки для резки труб специализированы на обработке цилиндрических металлических изделий. При выборе трубореза важнейшими параметрами являются максимальный диаметр и длина трубы, которую можно разрезать на данном оборудовании. Эти характеристики определяют возможности станка в отношении обрабатываемых материалов. Как и в случае с листовыми материалами, скорость перемещения головки играет важную роль: она влияет не только на время выполнения операции, но и на качество реза, особенно при работе с толстыми стенками труб.

Комбинированные модели – универсальные решения, способные работать как с листовыми материалами, так и с трубами, что позволяет экономить средства на приобретении нескольких отдельных машин. При выборе комбинированных моделей следует учитывать все вышеперечисленные параметры: размер рабочего поля для листов, максимальный диаметр и длину труб для труборезов, а также скорость перемещения головки.

Другие параметры

Вопрос «как выбрать лазерный станок с ЧПУ» – это также вопрос о выборе типа излучателя. Оптимальным вариантом для раскроя металлопроката является волоконный лазер. Это оборудование универсального назначения, которое может обрабатывать практически все виды металлов с минимальной погрешностью реза (современные лазерные станки способны обеспечить точность резки в пределах 0,1 мм).

При выборе технических характеристик оборудования необходимо правильно подобрать мощность лазера, от этого параметра зависит максимальная толщина обрабатываемых заготовок. Чем выше мощность излучателя, тем более толстый металл может резать станок. Также учитывайте тип материала и объемы производства.

Таблица зависимости скорости и толщины резания от выходной мощности волоконного лазера и вида материала

Следующий важный критерий выбора – размеры рабочего поля. Его подбирают в соответствии с размерами заготовок, которые планируется обрабатывать. Модели с большим рабочим полем выгоднее для крупносерийного производства: за один проход режущей головки можно вырезать больше деталей. Однако крупногабаритные установки занимают больше места, дороже с точки зрения покупки, обслуживания и энергопотребления из-за высокой потребляемой мощности.