Технологія лазерного різання: комплексний аналіз принципів, процесів і застосувань

Лазерне різання – це вдосконалена виробнича технологія, яка використовує лазерні промені високої-потужності-в поєднанні з обладнанням з ЧПК для виконання-безконтактної обробки матеріалів. Ця технологія бере свій початок у 1965 році, коли перший верстат для лазерного різання було застосовано для свердління алмазним штампом, а у 1967 році у Сполученому Королівстві було створено перше лазерне-різання металів за допомогою кисню. Протягом 1970-х років технологія лазерного різання почала проникати в аерокосмічний сектор, а після широкого впровадження CO₂-лазерів у 1980-х роках вона поступово розвивалася. витіснив звичайні процеси плазмового різання.

Будучи методом термічного різання, лазерне різання вирізняється чудовою якістю різання, високою ефективністю та винятковою гнучкістю, що дає змогу виготовляти від індивідуальних-замовлень на замовлення до велико-серійного виробництва.

1.1 Генерація лазера та характеристики променя

Лазер (підсилення світла стимульованим випромінюванням) створює висококогерентний монохроматичний промінь через стимульоване випромінювання. Лазерна система складається з трьох основних компонентів: активного середовища (твердого тіла, рідини або газу), джерела енергії (механізму накачування) і оптичного резонатора. Коли активне середовище знаходиться під напругою, воно випромінює фотони; резонатор відбиває ці фотони туди-сюди крізь середовище, підсилюючи та вирівнюючи світлові хвилі, щоб зрештою генерувати лазерний промінь високої-енергії-.

Лазерні промені відрізняються від звичайного світла кількома критичними аспектами: висока інтенсивність, надзвичайно вузький діапазон частот (монохроматичність), чітка колімація та висока когерентність.

1.2 Фізичний механізм різання
Процес лазерного різання включає дві одночасні операції:

Нагрівання матеріалу та фазова трансформація: сфокусований лазерний промінь-високої{1}}потужності опромінює поверхню заготовки, спричиняючи швидке підвищення температури опроміненої області, швидке плавлення, випаровування, видалення або запалювання матеріалу.

Викид розплаву: допоміжний газ із високою-швидкістю, коаксіальний із променем, видуває розплавлений матеріал із розрізу, досягаючи розділення матеріалу. Цей газовий потік одночасно захищає фокусуючу оптику від забруднення парами та бризками.

1.3 Точність і параметри процесу
Лазерне різання забезпечує точність розмірів ±0,05 мм, ширину пропилу 0,10–0,20 мм і шорсткість поверхні порядку десятків мікрон. Основні параметри, що впливають на якість різання, включають:

Лазерна потужність і щільність потужності: визначте досяжну товщину матеріалу та швидкість різання

Фокусне положення променя: впливає на ширину пропилу та вертикальність

Тип і тиск допоміжного газу: визначає ефективність викиду розплаву

Діаметр сопла: зазвичай коливається від 0,8 мм до 3 мм, вибирається на основі матеріалу та товщини

Варто зазначити, що матеріали з високою відбивною здатністю, такі як мідь і алюміній, демонструють надзвичайно низькі показники поглинання для певних довжин хвиль лазера, що створює значні проблеми при обробці.

Процеси лазерного різання поділяються на чотири основні типи на основі механізмів видалення матеріалу:

2.1 Лазерне випаровування
Лазерний промінь високої-енергетики-нагріває заготовку, швидко досягаючи точки кипіння матеріалу та спричиняючи пряме випаровування. Висока-викид пари одночасно утворює проріз.

Power density requirement: Typically >10⁸ Вт/см²

Застосовні матеріали: надзвичайно тонкі метали та не-металеві матеріали (папір, тканина, дерево, пластик, гума тощо)

Характеристики: висока енергоємність; підходить для застосувань, що вимагають уникнення розплавлених залишків

2.2 Лазерне різання плавленням
Лазерне нагрівання плавить матеріал, а не{0}}допоміжний газ (Ar, He, N₂ тощо) виштовхує розплавлений метал під високим тиском, утворюючи проріз.

Енергоефективність: вимагає лише 1/10 енергії пароподібного різання

Застосовні матеріали: нержавіюча сталь, титан, алюміній та їхні сплави-матеріали, стійкі до окислення або реактивних металів

Перевага процесу: забезпечує краї без{0}}оксиду з високою якістю

2.3 Лазерне кисневе різання (полум'яне різання)
Подібно до ацетиленового різання, цей процес використовує лазер як джерело тепла для попереднього нагріву та кисень як ріжучий газ. Кисень екзотермічно реагує з металом, водночас видуваючи розплавлені оксиди.

Енергоефективність: вимагає лише 1/2 енергії різання плавленням; швидкість різання значно перевищує як пароутворення, так і різання плавленням

Застосовні матеріали: вуглецева сталь, титанова сталь і термічно-оброблені сталі-метали, схильні до окислення

Обмеження процесу: ширший розпил, більша зона термічного-впливу, сприйнятливість до горіння кутів і відносно нижча якість країв

2.4 Лазерне скрайбування та контрольоване руйнування
Лазерне скрайбування використовує лазер із високою-енергією-для сканування поверхні крихких матеріалів, випаровуючи неглибоку канавку шляхом термічного випаровування, а потім механічну силу, щоб руйнувати матеріал уздовж канавки. Контрольоване руйнування використовує крутий температурний градієнт, створений лазерним нарізанням канавок, для створення локалізованого термічного напруження в крихкому матеріалі, викликаючи відрив уздовж канавки.

Застосовні матеріали: кераміка, напівпровідники та інші крихкі матеріали

Типові лазери: лазери з модуляцією Q-, CO₂-лазери

Технологія лазерного різання пронизала кілька важливих галузей промисловості:

Автомобільна промисловість: рами кузова, компоненти подушок безпеки, внутрішні панелі

Аерокосмічна промисловість: компоненти двигуна, повітроводи з титанового сплаву, ребра жорсткості обшивки фюзеляжу

Виробництво електроніки: прецизійні мікро-компоненти, друковані плати, роз’єми

Медичні прилади: коронарні стенти, хірургічні інструменти, мікрофлюїдні пристрої

Виготовлення листового металу: стало домінуючим процесом, витісняючи звичайні методи

Будучи основною технологією виробництва, лазерне різання продовжує стимулювати промислову трансформацію завдяки сукупним перевагам високої точності, високої ефективності та виняткової гнучкості. Від пароподібного різання до кисневого-різання та від CO₂-лазерів до волоконних лазерів безперервний технологічний розвиток розширив межі застосування лазерного різання, забезпечивши високо-якісну й ефективну обробку ширшого діапазону матеріалів і товщини.

Зв'язатися зараз