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.

 

Наименование	Характеристика лазерной резки по отношению к
	кислородной	плазменной	гидроабразивной
Типичная ширина реза (мм)	меньше в разы и десятки раз
Качество	сильно превосходит	превосходит	уступает
Зона термического влияния	меньше	меньше	больше
Ограничение по максимальной толщине металла	очень сильно уступает	значительно уступает по цветным металлам, уступает по остальным металлам	значительно уступает
Производительность резки тонкой стали (до 6 мм, без пакетной резки)	превосходит	сопоставимая	сильно превосходит
Стоимость оборудования	гораздо выше	выше	сопоставимая
Стоимость обслуживания	выше	сопоставимая	сопоставимая

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.