4.4.1. Лазерная резка

Этот метод лазерной обработки по широте применения значительно опережают другие, что обусловлено широким распространением листовых материалов почти во всех отраслях машиностроительного производства, высоким спросом на них, а следовательно, и на высокопроизводительное оборудование для раскроя.

В промышленности используют разные механические методы разделения металлов, в первую очередь резку ножовочными полотнами, ленточными пилами, фрезами и др. Для этого служат разнообразные станки общего и специального назначения. При многих достоинствах упомянутых методов существуют значительные недостатки, связанные с низкой производительностью, высокой стоимостью отрезного инструмента, трудностью или невозможностью раскроя материалов по сложному криволинейному контуру.

Традиционно для вырезки заготовок со сложным контуром из листового материала используют вырубные штампы. Однако изготовление штампов — дело трудоемкое и дорогое, экономически оправдано только при больших объемах выпуска деталей.

Если необходим один или несколько экземпляров детали, идеальным выходом может считаться лазерная резка, обеспечивающая небольшие затраты, сжатые сроки, высокое качество изготовления и не требующая дополнительной обработки и длительного подготовительного процесса. Высокая мобильность производства идеально подходит для условий мелкосерийного и опытного производства.

Сфокусированное лазерное излучение, обеспечивая высокую концентрацию шергии, позволяет разделять практически любые металлы и сплавы независимо от их теплофизических свойств. Можно получить узкие резы с минимальной юной термического влияния. При лазерной резке отсутствует механическое воздействие на обрабатываемый материал и наблюдаются минимальные его деформации. Вследствие этого можно с высокой точностью осуществлять лазерную резку легкодеформируемых и нежестких заготовок. Сравнительно простое управление лазерным излучением позволяет осуществлять лазерную резку плоских и объемных деталей и заготовок по сложному контуру.

Разделение материала лазером выполняют тремя основными способами:

• при полном удалении материала по линии разреза (резка);

• при частичном удалении материала, например с образованием системы отверстий малого диаметра по линии разделения и последующим разломом. Этот способ называют скрайбированием, он используется для разделения керамик, которые из-за низкой теплопроводности склонны к перегреву и разрушению вследствие высоких термических напряжений, возникающих при непрерывной резке;

• способ термораскалывания, используется для разделения хрупких материалов; при движении луча по поверхности нагрев вызывает напряжения, приводящие к образованию локальных трещин; разделение материала производится разломом по линии действия источника теплоты.

Основными преимуществами лазерной резки являются:

• высокая скорость обработки;

• малая зона термического влияния;

• высокая точность;

• низкий уровень шума;

• малый расход вспомогательных газов;

• возможность резки различных материалов;

• резка, получение отверстий и маркировка на одном и том же оборудовании;

• возможность выполнения V- и Y-образных резов для подготовки кромок заготовок под сварку;

• быстрая переналаживаемость на выпуск других изделий.

Лазерная резка характеризуется следующими параметрами:

• почти полным отсутствием окалины;

• конусностью менее 1°;

• шириной реза 0,2.. .0,375 мм;

• незначительностью прижогов;

• зоной термического влияния до 0,05 мм.

При высокой плотности потока образование начального отверстия и последующего реза при перемещении луча возможно по механизму выброса и испарения материала, однако практическое использование его требует высоких энергозатрат, обусловленных теплопроводностью и необходимостью поддержания температуры металла на уровне кипения. Существенное снижение энергозатрат достигается использованием вспомогательного газа, подаваемого под давлением через сопло в зону резки. При подаче газа реализуются следующие эффекты:

• дополнительное выделение теплоты за счет экзотермических реакций, например горения металла в струе кислорода или воздуха;

• удаление продуктов разрушения путем выдувания жидкого и испаренного металла;

• интенсификация охлаждения боковых поверхностей реза, уменьшающего размер зоны термического влияния;

• защита зоны реза от окисления.

Н число газов, используемых при лазерной резке, входят гелий, азот, углекислый газ, кислород (при резке углеродистой стали) или азот (при резке корро-IIЮ1 мю-стойкой стали и алюминия).

Давление в канале реза, от которого зависит эффективность удаления расплавленного металла, резко падает при удалении сопла от поверхности, поэтому срез последнего располагают как можно ближе к поверхности обрабатываемого материала. Обычно газ подается в зону реза через сопло диаметром 0,8___1 мм, а расстояние от среза сопла до поверхности заготовки поддерживается равным его диаметру.

Схема лазерной резки приведена на рис. 4.79, а на рис. 4.80 показаны физические процессы, сопровождающие формирование реза.

При резке металлов непрерывным излучением лазера различают стационарный, нестационарный и автогенный характер разрушения материала, определяемый режимами резки и видом обрабатываемого материала.

Рис. 4.79. Схема лазерной резки с подачей газовой струи в зону воздействия лазерного луча:

1 — лазер; 2 — зеркало; 3 — заслонка; 4 — линза; 5 — сопло; 6 — изделие; 7 — точка фокуса

Нестационарные условия резки возникают в том случае, если она производится при малой плотности излучения или плохой фокусировке и низком давлении газовой струи, удаляющей материал. При нестационарных условиях разрушение протекает периодически как удаление из канала реза очередной массы жидкого расплава.

Рез при этом получается неровным со значительным количеством грата.

Стационарный механизм разрушения материала устанавливается при оптимальных условиях резки с постоянным удалением из реза испаренного и расплавленного металла. Разрушение материала происходит в непрерывном режиме, а температурное поле вокруг движущегося лазерного источника постоянно.

Сильный нагрев материала в условиях, если и качестве рабочего газа используется кислород или воздух, может привести к неуправляемой автогенной резке, когда металл начинает гореть по всей поверхности контакта с газовой струей за счет экзотермической реакции окисления. Рез в этом случае получается сильно увеличенным но ширине, а боковые стенки неровными и сильно окисленными.

Энергетический баланс при лазерной резке качественно описывается следующим выражением:

где Р — суммарная мощность поглощенного лазерного излучения и экзотермической реакции окисления; h и b — ширина и глубина реза; v — скорость перемещения луча относительно обрабатываемой поверхности; η = α_эфη_т— эффективность процесса лазерной резки (η_т— термический КПД, показывающий отношение энергии, затраченной на проплавление образца, к полной энергии, поглощенной расплавом, α_эф, — коэффициент, учитывающий потери энергии на протекание процессов, сопровождающих резку); Н_пл — скрытая теплота плавления.

Рис. 4.80. Физические явления, сопровождающие процесс лазерной резки

Производительность и качество лазерной резки определяются следующими основными факторами:

• плотностью мощности лазерного излучения;

• скоростью резки;

• давлением и составом поддуваемого газа;

• поглощательной способностью поверхности обрабатываемого материала;

• физическими и химическими свойствами разрезаемого материала;

• параметрами оптической системы лазера.

Плотность подводимой в зону обработки мощности зависит, в свою очередь, oт мощности лазерного излучения, длины волны, поляризации и условий фокусировки (фокусного расстояния линз, значения и направления расфокусировки).

В силу ряда причин области режимов, обеспечивающих высокие качество кромки реза и скорость резки, зачастую не совпадают.

Наибольшее влияние на размерные характеристики реза оказывают энергетические параметры, т. е. мощность и плотность мощности. В результате увеличения мощности эффективность процесса возрастает в меньшей степени, чем при увеличении плотности мощности (т. е. уменьшении диаметра пятна нагрева).

Следует отметить, что глубина прорезания при постоянной скорости возрастает с увеличением плотности мощности, однако увеличение мощности источника не гарантирует повышения качества получаемого реза.

На рис. 4.81 приведены зависимости, связывающие скорость резки с толщиной обрабатываемого материала при разных значениях мощности и диаметра фокального пятна.

Рис. 4.81. Взаимосвязь скорости резки с толщиной обрабатываемого листа коррозионно-стойкой стали (а) и изменение максимально достижимой глубины качественно выполненного реза в зависимости от скорости обработки при разных диаметрах фокусирования луча (б):

1 - Р = 625 Вт; 2 — Р = 1250Вт; 3 — d_f = 0,65 мм; 4 — d_f = 0,40 мм; 5 — d_f = 0.20 мм

Рис. 4.82. Максимальная толщина материала, разрезаемого на СO₂-лазерах фирмы TRUMPF разной мощности

Диаграмма, приведенная на рис. 4.82, иллюстрирует влияние мощности лазера на максимальную толщину реза при обработке разных материалов.

К параметрам оптической системы, существенным для резки, относят диаметр луча на выходе из резонатора лазера, расходимость луча, форму распределения плотности мощности по сечению пучка, фокусное расстояние линзы, размер пятна фокусировки, угол схождения лучей после фокусирующей системы, перетяжку, смещение фокуса относительно поверхности материала.

Оптические параметры установки и фокусирующей системы во многом взаимосвязаны, так как ими определяется диаметр пятна фокусировки, в свою очередь влияющий совместно с мощностью на плотность мощности излучения.

Ограничения толщины обрабатываемых материалов во многом зависят от условий фокусировки лазерного луча.

Диаметр фокусного пятна пропорционален мощности лазерного излучения.

При резке толстых листов металла получение узких резов, определяемых малым диаметром фокального пятна, сопряжено с ухудшением условий удаления расплава из зоны обработки, что снижает качество реза и может привести к его заплавлению. Рекомендуется при росте толщины разрезаемого листа с 2,5 до 7,5 мм увеличивать диаметр лазерного луча с 0,1 до 0,2 мм.

Существенную роль при резке металлов больших толщин играет угол схождения лучей. Предпочтение отдается минимально возможному углу.

Для инженерных расчетов скорости лазерной резки рекомендуется использовать эмпирическое соотношение

где Р — мощность лазерного излучения, падающего на поверхность, Вт; S_ф — площадь фокального пятна, мм²; Е — энергия разрушения материала, Вт/мм³; K — константа, зависящая от свойств обрабатываемого материала и особенностей его взаимодействия с лазерным излучением.

Рис. 4.83. Влияние скорости резания на ширину реза (а) и ширину зоны термического влияния (б):

1 — верх реза; 2 — низ реза

Качество реза характеризуется точностью, шероховатостью поверхности реза, неперпендикулярностью реза к поверхности листа, размером зоны термического влияния, количеством грата (остатков расплавленного металла, закристаллизовавшегося на нижней кромке реза в виде подтеков) и толщиной разрезанного материала.

От скорости в значительной степени зависит ширина реза и протяженность ширины термического влияния (рис. 4.83), которые с увеличением скорости снижаются. Кроме того, скорость резки в сочетании с другими параметрами влияет I шероховатость реза. Однако прямой зависимости между скоростью и шероховатостью реза не существует.

Скорость резки, толщина материала, ширина прорезей и зоны термического воздействия изменяются в большом диапазоне в зависимости от мощности черного луча, степени фокусировки и свойств материала. Средняя скорость резки металлов составляет 1...8 м/мин. Материалы толщиной 0,5...3 мм режутся со скоростью до 25 м/мин. Средняя ширина реза составляет 0,2...0,5 мм, но для толстых материалов она достигает 1... 1,5 мм.

Шероховатость возникает в результате образования бороздок (рис. 4.84).

Качество резки во многом зависит от формы и параметров струи газа, которые задаются и формируются соплами, входящими в состав газолазерного резака.

Существенное влияние на качество и производительность резки металлов оказывает выбор рода газа. При резке углеродистых и коррозионно-стойких ста-й и зону обработки в качестве поддуваемого газа целесообразно подавать кислород, так как при использовании инертных газов либо сжатого воздуха толщина разрезаемых листов при прочих равных условиях значительно снижается.

При резке же титана использование кислорода при высокой плотности мощности дает отрицательный результат. Теплоты, выделяющейся при горении титана в струе кислорода, достаточно для возникновения неуправляемого процесса резки. Для устойчивого процесса резки титана необходимо использовать инертные газы.

Рис. 4.84. Борозды на поверхности реза (а) и изменение шероховатости в зависимости от скорости (б) в разных зонах реза

При резке металлических материалов характерно образование грата. Он значительно снижает качество лазерной резки, а в некоторых случаях делает ее неприемлемой.

Одним из путей борьбы с гратом является правильный подбор режима резки.

При резке углеродистых сталей в режиме с высокой производительностью наблюдается образование наибольшего количества грата. Снижение скорости резки приводит к уменьшению его образования. Область режимов обработки без образования грата с уменьшением мощности излучения сужается и перемещается к области более низких скоростей.

Количество грата существенно зависит от свойств рабочего газа и ширины реза. Применение кислорода и кислородсодержащих смесей позволяет резко уменьшить образование грата и повысить его отделяемость.

Существуют специальные методы, препятствующие образованию грата. Одним из таких методов является подача в зону резки совместно с рабочим газом струи охлаждающей жидкости, например воды. Жидкость охлаждает текущий по поверхности жидкий металл и его оксиды, что способствует их свертыванию в капли, частичному затвердеванию и тем самым предотвращает образование грата.

При лазерной резке на тонколистовом материале не остается грата и окалины. Кромки реза у листов толщиной 6 мм и меньше остаются гладкими и прямолинейными, а у листов большей толщины имеют отклонения со скосом примерно 0,5°.

Общие рекомендации по качественной лазерной резке металлов можно сформулировать следующим образом:

• с ростом давления поддуваемого газа увеличивается глубина резки как для коррозионно-стойких сталей, так и для титановых сплавов, причем при малых скоростях резки влияние давления сказывается в большей степени;

• глубина резки с низким качеством практически на всех металлах возрастает с увеличением мощности лазерного излучения, давления поддуваемого газа и уменьшением скорости резки;

• для обеспечения минимальных значений ширины реза, зоны термического влияния на его кромках и шероховатости поверхности реза обработку следует проводить на максимальной (для деталей данной толщины) скорости при установленных мощности излучения и давлении поддуваемого газа;

• давление поддуваемого газа в целях повышения качества обработки при резке углеродистых сталей должно быть невысоким (0,05...0,15 МПа), а при речке коррозионно-стойких сталей и титановых сплавов его следует повышать до 0,2...0,3 МПа.

В табл. 4.13 приведены значения скорости резки в зависимости от используемого материала и толщины листа.

Таблица 4.13

Толщина, мм	Скорость резания, м/мин		Толщина, мм	Скорость резания, м/мин
Коррозионно-стойкая сталь			Алюминий
0,9	10		0,9	8,75
1,5	7,5		1,5	6,25
3,4	3,75		3,4	2,4
4,7	2,25		4,7	1,4
6,25	1,4		6,25	0,9
9,4	0,5		9,4	0,45
12,7	0,25		12,7	-

Технология и оборудование для лазерной резки непрерывно совершенствуются в направлении увеличения толщины разрезаемого материала, скорости и точности обработки. Новейшие и самые крупные установки для лазерной резки оснащают теперь лазерами мощностью до 6 кВт. Мощность лазеров типовых установок обычно не превышает 2,3...3 кВт, но и это дает возможность стабильно резать стальные листы толщиной до 25 мм. Увеличиваются и скорости резки. I ели на типовых лазерных установках оцинкованную листовую низкоуглеродистую сталь толщиной 1,63 мм резали со скоростью 12,7 м/мин, то на новых установках — свыше 20 м/мин.

В последние годы существенно увеличилась толщина разрезаемых лазерами материалов. Имеется опыт резки стальных листов толщиной более 50 мм (Alabama Laser), а в перспективе лазеры мощностью 6 кВт планируется использовать для речки материалов толщиной -100 мм.

Для резки металлов применяют технологические установки на основе твердотельных и газовых СО₂-лазеров, работающих как в непрерывном, так и в импульсно-периодическом режимах излучения.

Полный комплект оборудования включает не только лазер, но еще и ряд оптических и электронных систем (табл. 4.14).

Таблица 4.14

Подсистема	Назначение
Лазерная го­ловка	Излучающий блок лазера (содержит рабочий элемент и оптический резонатор)
Блок питания	Обеспечивает электропитание и управление лазером. В современ­ных лазерах осуществляется полное управление по каналу RS232 или RS485
Блок охлажде­ния	Обеспечивает съем лишней теплоты от оптического элемента. КПД современных лазеров находится в интервале 3...8 %, так что систе­ма охлаждения отводит большую часть теплоты. Обычно интегри­руется с блоком питания лазера
Контур охлаж­дения	Второй внешний контур водяного охлаждения. Используется, если качество технической воды в цеху неудовлетворительное и может привести к загрязнению внутреннего контура лазера
Оптический коллиматор	Увеличивает пучок излучения лазера в диаметре (с 3.. .6 до 10... 15 мм) для передачи к режущей головке. Уменьшает расходимость излуче­ния и позволяет передавать его на большие расстояния. Необходим в тех случаях, когда оптический путь от лазера до режущей головки значителен
Блоки поворо­та излучения	Используются при построении оптической системы передачи излу­чения, например если лазер установлен на портале. Представляют собой систему поворотных зеркал. Применяют, когда лазер невоз­можно разместить на подвижной каретке
Юстировочный лазер	Лазер видимого диапазона и устройство для ввода излучения этого лазера в трассу пучка. Используется при необходимости подсвечи­вать трассу и точку фокусировки лазерного пучка
Режущая го­ловка	Устройство, размещенное на каретке и непосредственно выпол­няющее резку материала. Содержит фокусирующую оптику (линзо­вую или зеркальную) и сопло для подачи в область фокуса газа под давлением. Установка может снабжаться несколькими режущими головками с разным фокусным расстоянием для резки разных мате­риалов и толщин
Датчик поло­жения	Используется для точного измерения и автоматического поддержа­ния расстояния от режущей головки до поверхности детали. Для лазерной резки часто используют емкостные датчики
Затвор-переключатель	По сигналу от системы управления обеспечивает отвод мощного пучка в поглотитель и одновременно подачу в трассу видимого ла­зерного излучения

Лазерные установки выполняют в настоящее время, как правило, с подвижным порталом. Они содержат стол, на котором помещают листовые заготовки, подвижный портал с режущей головкой и УЧПУ для управления перемещением этой головки по заготовке. Некоторые установки оснащают двумя головками, что рационально для резки сравнительно небольших деталей.

Рис. 4.85. Схема установки с «летающей» оптикой:

1 — лазер; 2, 3,4 — управляемые зеркала; 5 — фокусирующая линза; 6 — заготовка; 7 — портал; 8 — основание

Если технически лазер нельзя разместить на подвижной каретке (из-за массогабаритных характеристик или невозможности избежать угловых вибраций лазера при координатных перемещениях), то его размещают вдоль оси портала. В этом случае следует использовать блоки поворота излучения для его транспортировки к подвижной режущей головке. Большинство лазерных установок для раскроя листового материала выполнено именно по такой схеме (рис. 4.85). В них лазер размещен неподвижно, а перемещается оптическая система управляемых зеркал, элементы которой размещены на портале и каретке режущей головки. Сам лазер располагают непосредственно на раме установки либо рядом с ней (в этом случае система подачи луча направляет его по осям ХиУ в режущую головку). Лазерное излучение переносит мощность сравнительно широкими пучками и для произведения полезного технологического эффекта должно быть сфокусировано. «Летающая» оптика имеет малые массу и габариты, однако при ее использовании, вследствие значительных расстояний передачи лазерного излучения, сложно обеспечить постоянство положения фокуса и размера пучка в нем. Отсюда — снижение точности и качества поверхности реза.

По условиям охраны труда трасса лазерного луча должна быть закрыта для исключения его выхода или травмирования наладчиков. Это могут быть разного типа конструктивные решения в виде экранирующих плоскостей или телескопических систем. Кроме того, при использовании в запыленных условиях необходимо обеспечить минимизацию осаждения пыли на поверхности оптических зеркал, для этого блоки поворота изготавливают в корпусе с подачей избыточного давления воздуха через фильтр.

Рис. 4.86. Компоновки 5-координатных станков для лазерной резки фирм HUFFMAN (а) и LASERDYNE^© (б)

Установки с летающей оптикой применяют для обработки заготовок размером от 1,2 х 2,4 до 3 х 7,8 м. Они оснащены двумя спутниками, причем каждый из них расположен на своем рабочем столе.

К другому классу относят установки, в которых лазер размещается на портале и движется вместе с ним. Преимуществом такой компоновки является относительное постоянство расстояния между лазерной головкой и обрабатываемым материалом, а недостатком то, что значительные масса и габариты лазера, размещенного на подвижной части лазерного комплекса, ужесточают соответствующие требования к несущей способности портала, его массе, габаритам, энергопотреблению и ограничивают диапазон допустимых скоростей.

В настоящее время наблюдается увеличение спроса на лазерную резку трехмерных конструкций из листовых материалов, в особенности на обработку труб, профилей, кольцевых деталей из листовых материалов. Подобные детали обрабатывают на многокоординатных станках лазерной резки (рис. 4.86, 4.87).

Существует тенденция к повышению уровня автоматизации лазерных установок для обеспечения заданных параметров обработки, улучшения стабильности процесса резки и производительности, использования встроенных датчиков и систем контроля, а также новых концепций оборудования, в частности применения линейных двигателей и многопозиционных режущих головок. Многие установки оснащают устройствами загрузки крупногабаритных листов, загрузочно-разгрузочными системами, а также башенными накопителями, в которых заготовки сортируют по толщине и типу материала.

На рис. 4.88 показаны кольцевые детали авиационного двигателя, полученные лазерной резкой.

Рис. 4.87. Установки для лазерной резки фирмы LASERDYNE®:

а — одностоечный: б — портальный

Рис. 4.88. Кольцевые детали авиационного двигателя, полученные лазерной резкой

Промышленное применение лазерной резки с каждым годом увеличивается, однако этот процесс не может полностью заменить традиционные способы разделения металлов. В сравнении с применяемым на производстве оборудованием стоимость лазерных установок для резки еще достаточно высока (стоимость установки для лазерной резки с двумя столами, оснащенной лазером мощностью 3 кВт, достигает 475...525 тыс. долл.). В связи с этим процесс лазерной резки становится эффективным только при условии обоснованного и разумного выбора области применения.