Лазерная резка металлических пластин: подробное руководство по основам

Новая эра точного производства

В современной промышленности первостепенное значение имеет способность быстро и точно преобразовывать сырье в сложные функциональные детали. В основе этой способности лежит категория технологий, известная как субтрактивное производство, где материал выборочно удаляется из более крупной детали для придания ей окончательной формы. От традиционного фрезерования и токарной обработки до передовых процессов с компьютерным управлением – субтрактивные методы сформировали наш мир.

Среди этих технологий лазерная резка листового металла стала краеугольным камнем промышленного производства. Она представляет собой значительный шаг вперёд, предлагая непревзойдённую точность, скорость и свободу дизайна. Этот процесс использует высококонцентрированный луч света для резки, гравировки или маркировки листового металла, преобразуя цифровые чертежи в физические компоненты с микроскопической точностью. Её промышленное значение невозможно переоценить; она является движущей силой производства деталей в аэрокосмической, автомобильной, строительной, электронной и многих других отраслях.

В этой статье представлен всесторонний анализ лазерной резки листового металла, от её фундаментальных принципов и истории развития до практических аспектов проектирования и взгляда на будущее. Независимо от того, являетесь ли вы инженером, дизайнером, владельцем бизнеса или просто интересуетесь современным производством, это руководство осветит основные принципы этой революционной технологии.

Что такое лазерная резка листового металла ?

Изготовление листового металла — это процесс создания деталей и конструкций из плоских металлических листов. Этот процесс включает в себя ряд технологий, таких как гибка, фальцовка, сварка и, что наиболее важно, резка исходного плоского шаблона. Связь между изготовлением листового металла и лазерной резкой носит симбиотический характер: лазерная резка — идеальный метод для создания точных и сложных двумерных профилей, которые затем преобразуются в трёхмерные конструкции.

Принцип работы: свет как режущий инструмент

Суть лазерной резки заключается в направлении излучения мощного лазера, чаще всего через оптику, на разрезаемый материал. Процесс представляет собой последовательность контролируемых действий:

1. Генерация лазерного луча: лазерный резонатор (источник) генерирует мощный, монохроматический и когерентный луч света.
2. Фокусировка: ряд зеркал и фокусирующая линза концентрируют луч в крошечной точке на поверхности металлической пластины. Такая концентрация значительно увеличивает плотность энергии.
3. Удаление материала: Интенсивная тепловая энергия в фокусе нагревает металл так быстро, что он плавится, горит или испаряется.
4. Вспомогательная газовая струя: одновременно в зону резки направляется коаксиальная струя вспомогательного газа (например, кислорода, азота или аргона). Эта газовая струя выполняет две основные функции: выдувает расплавленный или испаренный материал из зоны реза (так называемого «реза»), а в некоторых случаях участвует в химической реакции, способствуя процессу резки.

Преимущество ЧПУ: от цифрового к физическому

Лазерная резка превращается из простого инструмента в мощный инструмент современного производства благодаря интеграции с числовым программным управлением (ЧПУ). Система ЧПУ служит «мозгом» лазерного резака. Она интерпретирует цифровой файл проекта, обычно это чертеж САПР (системы автоматизированного проектирования), и преобразует его в серию точных инструкций для системы управления движением станка. Это позволяет режущей головке двигаться по сложным траекториям с исключительной точностью и повторяемостью, позволяя создавать тысячи идентичных деталей с допусками, измеряемыми долями миллиметра.

История лазерной резки листового металла

История лазерной резки — это история научного открытия, отвечающего потребностям промышленности.

• 1960: История начинается с Теодора Меймана из Исследовательских лабораторий Хьюза, который разработал первый функциональный лазер на синтетическом кристалле рубина. Первоначально его называли «решением, ищущим проблему», но потенциал был очевиден не сразу.
• 1965: Первое практическое применение этого «решения» было продемонстрировано в Исследовательском центре Западной электротехники. Лазер использовался для сверления отверстий в алмазных волоках – задача, которая, как известно, была чрезвычайно сложной и трудоёмкой при использовании традиционных методов. Это доказало способность лазера работать с чрезвычайно твёрдыми материалами.
• 1967: В Великобритании впервые была применена технология газовой лазерной резки стальных листов толщиной 1 мм с использованием CO2-лазера с кислородной струей. Это ознаменовало начало промышленной резки металла.
• 1970-е: На рынок вышли первые готовые к производству лазерные станки с ЧПУ. Эти ранние системы работали преимущественно на CO2-лазерах и, несмотря на свою громоздкость и дороговизну, произвели революцию в отраслях, где требовалась сложная резка листового металла, например, в аэрокосмической отрасли.
• 1990–2000-е годы: технология CO2-лазеров развивалась, становясь стандартом более высокой мощности и лучшего качества луча. В этот период твердотельные кристаллические лазеры, такие как Nd:YAG, также нашли свою нишу, особенно для мощных импульсных приложений.
• Революция волоконных лазеров (с середины 2000-х годов по настоящее время): Наиболее значительным событием последнего времени стала коммерциализация и быстрое внедрение волоконных лазеров. Их высокая энергоэффективность, минимальные требования к обслуживанию и исключительная скорость резки тонких и средних металлов позволили им превзойти CO2-лазеры во многих областях применения, что привело к снижению затрат и дальнейшему повышению доступности технологии лазерной резки.

Типы лазеров, используемых для резки металлических пластин

Лазер в лазерном резаке не является универсальным компонентом. Тип лазерного источника, или резонатора, определяет возможности, эффективность и оптимальные области применения станка. Для резки металла используются три основных типа лазеров: волоконный, CO2- и кристаллический.

1. Волоконные лазеры

• Принцип работы: Волоконные лазеры — это разновидность твердотельных лазеров. Процесс начинается с диодов накачки, которые генерируют свет, который затем направляется в гибкое оптическое волокно. Это волокно легировано редкоземельным элементом, обычно иттербием. Само волокно служит лазерной средой, усиливая свет для создания мощного лазерного луча. Луч полностью локализован и доставляется внутри волокна, что устраняет необходимость в сложных зеркальных системах.
• Область применения: Они являются доминирующей технологией резки металлов тонкой и средней толщины (до ~25 мм или 1 дюйма). Они отлично подходят для обработки отражающих металлов, таких как алюминий, латунь и медь, которые могут повредить оптику CO2-лазера.
• Плюсы:
  • Высокая эффективность: непревзойденная эффективность при подключении к розетке (часто >30%), что приводит к снижению потребления электроэнергии и эксплуатационных расходов.
  • Низкие эксплуатационные расходы: отсутствие подвижных частей и зеркал на пути луча означает отсутствие необходимости в юстировке. Диоды накачки имеют чрезвычайно долгий срок службы.
  • Высокая скорость: более короткая длина волны волоконных лазеров легче поглощается металлами, что обеспечивает значительно более высокую скорость резки более тонких материалов.
  • Компактность: отсутствие большого корпуса газового резонатора делает машины более компактными.
• Минусы:
  • Несмотря на то, что мощные CO2-лазеры способны резать толстые листы, они часто обеспечивают более гладкую и качественную отделку кромок даже на очень толстых материалах (>20 мм).
  • Первоначальные инвестиционные затраты могут быть выше, хотя цены постоянно снижаются.

2. Лазеры на CO2 (углекислом газе)

• Принцип работы: CO2-лазеры генерируют луч, пропуская электрический ток через газонаполненную трубку. Газовая смесь обычно состоит из углекислого газа, гелия и азота. Возбуждённые молекулы CO2 испускают инфракрасное излучение, которое затем отражается между зеркалами на обоих концах трубки и усиливается, превращаясь в когерентный лазерный луч.
• Область применения: CO2-лазеры — поистине универсальные устройства. Они отлично подходят для резки толстолистовой стали (>25 мм) и обеспечивают превосходное качество кромок с гладкой, сатинированной поверхностью. Они также являются основной технологией для резки неметаллических материалов, таких как дерево, акрил, кожа и пластик.
• Плюсы:
  • Исключительное качество кромок: особенно на толстых материалах они обеспечивают очень гладкую резку без заусенцев.
  • Универсальность: Возможность обработки широкого спектра металлических и неметаллических материалов.
• Минусы:
  • Низкая эффективность: КПД розетки обычно составляет около 10%, что приводит к более высоким расходам на электроэнергию.
  • Высокие эксплуатационные расходы: требуется регулярная дозаправка газом и повышенное энергопотребление.
  • Тяжелое техническое обслуживание: траектория луча зависит от зеркал, которые должны содержаться в идеальной чистоте и быть выровненными, что требует регулярного обслуживания квалифицированными специалистами.
  • Большая занимаемая площадь: Газовый резонатор и связанное с ним оборудование требуют больше площади.

3. Кристаллические лазеры (Nd:YAG и Nd:YVO)

• Принцип действия: Это также твердотельные лазеры, но вместо легированного волокна в них в качестве лазерной среды используется твёрдый кристалл (иттрий-алюминиевый гранат, легированный неодимом, или ортованадат иттрия, легированный неодимом). Этот кристалл возбуждается («накачивается») лампами высокой интенсивности или лазерными диодами для получения луча.
• Область применения: Традиционно используются для резки и сварки очень толстых или отражающих материалов. Они способны обеспечивать очень высокую пиковую мощность в импульсном режиме.
• Плюсы:
  • Высокая энергия импульса делает их пригодными для специальных задач сверления и сварки.
• Минусы:
  • Крайне неэффективны: имеют самую низкую эффективность среди сетевых розеток (часто 2–3%).
  • Высокая потребность в обслуживании: лампы насоса имеют очень короткий срок службы и требуют частой и дорогостоящей замены.
  • Для большинства задач по резке листового металла они были практически полностью вытеснены более эффективной и надежной технологией волоконного лазера.

Три процесса лазерной резки листового металла

Помимо типа лазера, сам процесс резки можно классифицировать по способу удаления материала. Это в первую очередь определяется типом используемого вспомогательного газа.

1. Резка лазерным лучом (плавление и выдувание)

• Процесс: При резке плавлением энергия лазерного луча используется исключительно для расплавления металла в точке фокусировки. Затем струя инертного газа под высоким давлением, обычно азота или аргона, принудительно выталкивает расплавленный материал из реза.
• Характеристики: Поскольку газ инертен, он не вступает в химическую реакцию с режущей кромкой. Это обеспечивает чистую, свободную от оксидов и часто блестящую кромку реза, которая сразу готова к сварке или покраске без какой-либо дополнительной обработки. Это предпочтительный метод для достижения наивысшего качества отделки.
• Применимые сценарии: Незаменим при резке нержавеющей стали, алюминия и их сплавов, где критически важно предотвратить окисление и сохранить чистоту материала.

2. Лазерная резка (кислородная резка)

• Процесс: В этом процессе в качестве вспомогательного газа используется кислород. Лазерный луч сначала нагревает материал (обычно мягкую сталь) до температуры возгорания (около 1000 °C). Затем струя чистого кислорода инициирует экзотермическую (выделяющую тепло) химическую реакцию с железом, эффективно сжигая его. Основная роль лазера — инициировать и направлять этот контролируемый процесс горения.
• Характеристики: Дополнительная энергия экзотермической реакции позволяет значительно увеличить скорость резки, особенно при работе с толстой углеродистой сталью. Резьба покрывается тонкой тёмной оксидной плёнкой, которую может потребоваться удалить перед последующей сваркой или нанесением покрытия.
• Применимые сценарии: Основной процесс резки мягкой стали и низколегированной углеродистой стали, где скорость и экономическая эффективность важнее, чем идеально чистая кромка без окислов.

3. Лазерная сублимационная резка (резка испарением)

• Процесс: Сублимационная резка использует лазерный луч очень высокой плотности энергии для нагрева материала настолько быстро, что он испаряется из твёрдого состояния в газообразное, практически без жидкой (расплавленной) фазы. Образующийся пар затем сдувается вспомогательным газом.
• Характеристики: Этот процесс обеспечивает исключительно высокое качество кромки без заусенцев и минимальную зону термического влияния (ЗТВ). Однако он гораздо медленнее и требует значительно больше энергии, чем плавление или газопламенная резка, поскольку испарение материала требует больше энергии, чем простое плавление.
• Области применения: Реже применяется для общего производства листового металла. Используется для специализированных применений, требующих исключительной точности и минимальной термической нагрузки на тонкие материалы, например, для резки пластика, некоторых композитных материалов, древесины, а также при производстве медицинских стентов и электронных компонентов.

Преимущества лазерной резки листового металла

Широкое распространение лазерной резки обусловлено рядом ее неоспоримых преимуществ по сравнению с традиционными методами.

• Высокая точность и сложность: лазеры позволяют достигать допусков вплоть до ±0,1 мм (0,004 дюйма), что позволяет создавать сложнейшие геометрические формы и тонкие элементы, которые невозможно создать другими методами.
• Высокая эффективность использования материала: лазерный луч создаёт очень узкий пропил (ширину реза). Это позволяет размещать детали очень плотно друг к другу на одном листе металла, минимизируя количество отходов и снижая затраты.
• Универсальность: один лазерный станок может обрабатывать широкий спектр металлов (сталь, нержавеющая сталь, алюминий, латунь, медь) различной толщины. Он также может выполнять несколько операций, таких как резка, маркировка и травление, за один установ.
• Низкое энергопотребление: это особенно актуально для современных волоконных лазеров, которые чрезвычайно энергоэффективны, что обеспечивает снижение эксплуатационных расходов и уменьшение воздействия на окружающую среду по сравнению со старыми лазерными технологиями или другим оборудованием.
• Минимальное повреждение материала: лазерная резка — бесконтактный процесс. Тепло распределяется очень локально, что обеспечивает очень малую зону термического влияния (ЗТВ). Это сводит к минимуму тепловые деформации и коробления, что особенно важно для тонких или хрупких деталей.

Недостатки лазерной резки листового металла

Несмотря на многочисленные преимущества, лазерная резка не лишена ограничений.

• Требуются квалифицированные операторы: эксплуатация и обслуживание промышленного лазерного резака требуют специальной подготовки. Для настройки параметров, обслуживания и устранения неполадок требуется квалифицированный специалист, который обеспечит оптимальную производительность и безопасность.
• Ограничения по толщине металла: хотя мощные лазеры могут резать очень толстые листы (более 50 мм или 2 дюймов), существует практический предел. Для очень толстых металлов другие методы, такие как плазменная или гидроабразивная резка, могут быть более эффективными или экономичными.
• Вредные пары и газы: В процессе резки металл испаряется, образуя пары и твердые частицы, опасные для вдыхания. Надёжная система вентиляции и фильтрации является обязательным требованием безопасности.
• Высокие первоначальные инвестиции: капитальные затраты на приобретение системы лазерной резки промышленного класса значительны и представляют собой крупную инвестицию для любого бизнеса.

Советы по проектированию деталей, вырезанных лазером

Чтобы максимально эффективно использовать технологию лазерной резки и обеспечить технологичность и экономическую эффективность ваших деталей, следуйте этим рекомендациям по проектированию.

• Размер детали в зависимости от толщины материала: важнейшее практическое правило заключается в том, что минимальный размер любого вырезаемого элемента (например, отверстия или паза) должен быть не меньше толщины материала. Например, в стальной пластине толщиной 3 мм минимальный диаметр отверстия, которое следует проектировать, составляет 3 мм. Попытка вырезать более мелкие детали может привести к прорывам или неполному резу.
• Компенсация пропила: лазерный луч удаляет небольшое количество материала, создавая ширину реза, называемую пропилом. Несмотря на то, что ширина реза узкая, это необходимо учитывать при проектировании с жёсткими допусками, например, при изготовлении деталей с замковыми соединениями или узлов с прессовой посадкой. Ваш партнёр по производству может предоставить информацию о конкретной величине пропила для своего станка.
• Выбор материала: выбирайте материалы, хорошо подходящие для лазерной резки. Стандартные марки мягкой стали, нержавеющей стали и алюминия режут чисто и предсказуемо. Имейте в виду, что материалы с высокой отражающей способностью, такие как полированный алюминий или медь, могут быть сложными для резки и могут потребовать более мощного волоконного лазера.
• Расстояние и вложение: оставляйте достаточно места между деталями на листе. Общее правило — соблюдать расстояние между контурами отдельных компонентов не менее толщины материала. Это предотвращает тепловые деформации и обеспечивает устойчивость листа во время резки.
• Текст и гравировка: Для сквозного прорезанного текста используйте «трафаретный» шрифт. В таких шрифтах есть небольшие перемычки, которые предотвращают выпадение внутренних частей букв (например, «О», «А», «Б»). Для гравированного текста используйте простые, жирные шрифты без засечек для лучшей чёткости.
• Советы по снижению производственных затрат:
  • Упростите: избегайте ненужных сложностей. Каждое сокращение увеличивает время и стоимость.
  • Добавьте радиусы скругления: острые внутренние углы являются точками напряжения. Добавление небольшого радиуса (скругления) делает деталь прочнее и позволяет лазеру резать более плавно и быстро.
  • Используйте стандартные размеры: проектируйте с использованием материалов стандартной толщины, чтобы избежать затрат на материалы специального заказа.
  • Объединение деталей: если возможно, спроектируйте одну, более сложную деталь, которую можно согнуть, придав ей нужную форму, а не несколько простых деталей, которые нужно сваривать вместе.

Рекомендуемый онлайн-сервис лазерной резки: Hymson Laser

При выборе поставщика услуг или производителя оборудования крайне важно сотрудничество с признанным лидером. Компания Hymson Laser , основанная в 2008 году, внесла значительный вклад в развитие лазерной техники и автоматизации. Сегодня она является ведущим мировым поставщиком комплексных решений в области лазерного и автоматизированного оборудования и высокотехнологичным предприятием национального уровня.

Компания Hymson, ориентированная на применение листового металла в различных отраслях промышленности, предлагает своим клиентам профессиональный и высококачественный ассортимент продукции и услуг. Компания предлагает широкий спектр решений для лазерной автоматизации, включая лазерные резаки пластин, лазерные резаки труб, лазерные сварочные аппараты и программное обеспечение для лазерной автоматизации. Эти решения широко используются в таких требовательных отраслях, как машиностроение, строительная техника, сельскохозяйственная техника, нефтяное оборудование, электротехника, автомобилестроение и аэрокосмическая промышленность. Будучи ведущим производителем оборудования для лазерной резки металла , компания обладает экспертными знаниями как в отношении самого оборудования, так и в области его применения.

Почему стоит выбрать лазер Hymson?

Технологии Hymson разработаны с учетом эффективности, надежности и интеллекта, обеспечивая ощутимые преимущества своим пользователям.

● Интеллектуальная система пылеудаления: эта усовершенствованная система направляет всасывание только в зону активной резки. Это не только усиливает вентиляцию, обеспечивая более безопасную рабочую среду, но и экономит энергию, поскольку не вентилирует всю зону резки.

● Интеллектуальная система управления газом: Расход газа является существенной статьей эксплуатационных расходов. Интеллектуальная система Hymson оптимизирует расход газа в зависимости от материала и скорости резки, что позволяет экономить до 50% газа по сравнению с традиционными системами.

● Автофокусировка: режущая головка точная, быстрая и интеллектуальная. Она автоматически настраивает фокус под различные типы и толщины материалов, устраняя необходимость в ручной настройке и гарантируя идеальную резку каждый раз.

● Полностью автоматическая система смазки: эта система автоматически смазывает зубчатые передачи и реечные механизмы с заданной периодичностью. Она практически не требует обслуживания , что сокращает время простоя и продлевает срок службы критически важных компонентов.

● Глобальная поддержка: инвестиции в оборудование Hymson подкрепляются установкой, обучением и постоянной поддержкой со стороны инженеров по всему миру, прошедших обучение на заводах-изготовителях, что гарантирует вам максимальную отдачу от ваших инвестиций.

Заключение

Лазерная резка листового металла превратилась из узкоспециализированной технологии в неотъемлемую часть современного производства. С первых дней появления CO2-лазеров до современной революции высокоэффективных волоконных лазеров эта технология непрерывно расширяла границы точности, скорости и эффективности. Она предоставила конструкторам и инженерам беспрецедентную свободу превращать сложные цифровые концепции в точные физические компоненты.

Краткое описание технологии: Волоконные лазеры в настоящее время доминируют при резке тонких и средних металлов благодаря своей высокой эффективности и неприхотливости в обслуживании, в то время как CO2-лазеры сохраняют уникальное преимущество при резке очень толстых листов и неметаллических материалов. Понимание различных процессов — резки плавлением, газопламенной и сублимационной — крайне важно для выбора правильного подхода к резке конкретного материала и требованиям к качеству.

Рекомендации по обслуживанию: Для компаний, желающих передать оборудование на аутсорсинг или инвестировать в новое оборудование, такие лидеры отрасли, как Hymson Laser, предлагают передовые технологические решения и глобальную поддержку, гарантируя, что пользователи смогут в полной мере использовать потенциал лазерных технологий.

Совет читателю: независимо от того, планируете ли вы покупку своего первого станка или хотите создать прототип с помощью аутсорсинга, понимание фундаментальных принципов, преимуществ и ограничений проектирования лазерной резки — ключ к успеху. Следуя передовым методам проектирования и выбирая правильных партнёров, вы сможете превратить эту мощную технологию в своё конкурентное преимущество.

Вопросы и ответы

1. Металл какой толщины можно резать лазером?

Это зависит от мощности и типа лазера. Мощный (например, 12 кВт+) волоконный или CO2-лазер может резать сталь толщиной более 50 мм (2 дюйма). Однако для большинства коммерческих применений лазерная резка наиболее экономична для металлов толщиной до 30 мм.

2. Является ли лазерная резка дорогой?

Первоначальные инвестиции в оборудование высоки. Однако при аутсорсинге стоимость одной детали зависит от нескольких факторов: типа материала, толщины, сложности резки и объёма заказа. При крупносерийном производстве лазерная резка становится очень конкурентоспособной благодаря высокой скорости и эффективности использования материала.

3. Какой лазер выбрать: волоконный или CO2-лазер?

Это зависит от вашего основного применения:

• Волоконный лазер: Если вы в основном режете металлы толщиной до 30 мм (особенно сталь, нержавеющую сталь, алюминий, латунь и медь), волоконный лазер станет лучшим выбором благодаря своей скорости, эффективности и неприхотливости в обслуживании.
• CO2-лазер: если вам необходимо разрезать очень толстую стальную пластину (>30 мм) с максимально возможным качеством кромки или если вам необходимо разрезать различные неметаллические материалы (например, дерево и акрил), CO2-лазер является более универсальным вариантом.

4. Что такое зона термического влияния (ЗТВ) и насколько она важна?

Зона термического влияния (ЗТВ) — это небольшая область вдоль кромки реза, где микроструктура и механические свойства материала изменяются под воздействием тепла. Лазерная резка создаёт очень небольшую ЗТВ, но для некоторых термочувствительных сплавов или применений, требующих последующей прецизионной обработки, эта зона может влиять на твёрдость или коррозионную стойкость. В таких случаях предпочтительным может оказаться метод без нагрева, например, гидроабразивная резка.