Лазерная резка металла

Главными отличиями лазерного луча от обычного луча света является направленность, монохромотичность и когерантность. Направленность энергии лазерного луча — это концентрация луча света на малом участке поверхности. Когерентность — это распространение фотонов в одном направлении, имеющих одну частоту колебаний (энергию). Монохроматичность — это свойство лазеров излучать в узком диапазоне длин волн, за счет этого происходит фокусировка оптическими линзами. Совокупность этих свойств позволяет лазерному лучу фокусироваться на поверхности малых размеров и создавать на ней высокую плотность энергии. За счет этого происходит нагревание и разрушение материала.

Схема лазерной резки металла.

Сфокусированное лазерное излучение позволяет разрезать почти любые материалы независимо от их теплофизических свойств. При этом можно получать качественные и узкие резы (шириной 0,1–1 мм) со сравнительной небольшой зоной термического влияния. При лазерной резке возникают минимальные деформации, как временные в процессе обработки заготовки, так и остаточные после ее полного остывания. В результате возможна резка с высокой степенью точности, в том числе нежестких и легкодеформируемых изделий. Благодаря относительно несложному управлению лазерным пучком можно выполнять автоматическую обработку плоских и объемных деталей по сложному контуру.

Лазерная резка особенно эффективна для стали толщиной до 6 мм, обеспечивая высокие качество и точность при сравнительно большой скорости разрезания. Однако для металла толщиной 20–40 мм она применяется значительно реже кислородной или плазменной резки, а для металла толщиной свыше 40 мм – практически не используется.

За счет воздействия лазерного луча на металла происходит плавление (за счет высокой температуры) первых слоев поверхности. На следующем этапе луч проникает в глубь металла расплавляя его, этот процесс называется — смещение фазовой границы плавления. За счет воздействия большого количества тепловой энергии достигается вторая температура разрушения — кипение и металл начинает активное испарение.

Таким образом, возможны два механизма лазерной резки – плавлением и испарением. Испарение требует большого количества тепловой энергии и за частую применяется для тонких металлических поверхностей. Поэтому на практике резку выполняют плавлением. Чтобы сократить энергозатраты и увеличить толщину металлических поверхностей, применяется вспомогательный газ. Он вдувается в зону резки и удаляет продукты разрушения металла. На роль вспомогательного газа хорошо подходит азот, кислород и инертный газ.

1. Твердотельные. Серийные твердотельные лазеры имеют сравнительно небольшую мощность, как правило, не превышающую 1–6 кВт. Длина волны – около 1 мкм (рубинового лазера – около 694 нм). Режим излучения может быть как непрерывным, так и импульсным.
2. Газовые – с продольной либо поперечной прокачкой газа, щелевые, а также газодинамические. В газовых лазерах в качестве активного тела применяется смесь газов, обычно углекислого газа, азота и гелия. В лазерах с продольной прокачкой газа смесь газов, поступающих из баллонов, прокачивается с помощью насоса через газоразрядную трубку. Электрический разряд между электродами, подключенными к источнику питания, используется для энергетического возбуждения газа. По торцам трубки размещены отражающее и полупрозрачное зеркала.
   Более компактными и мощными являются лазеры с поперечной прокачкой газа. Их общая мощность может достигать 20 кВт и выше.