Виды лазерной резки: технологии, режимы и области применения

Лазерная резка — высокотехнологичный метод раскроя материалов с помощью сфокусированного светового луча. Существует четыре основных режима лазерной резки, каждый из которых оптимален для определённых материалов и задач. Разбираемся в технологиях, преимуществах и выборе оптимального метода.

Преимущества лазерной резки

Высокая скорость обработки— автоматизация процесса обеспечивает производительность в 3-5 раз выше механических методов. Скорость резки стали 3 мм достигает 3-5 м/мин против 0,5-1 м/мин у плазмы.

Точность позиционирования— отклонение от заданного контура не превышает ±0,05-0,1 мм против ±0,3-0,5 мм у механической резки. Критично для деталей со сложной геометрией и мелкими элементами.

Минимальная ширина реза— 0,2-0,5 мм против 1-3 мм у механических методов и 3-5 мм у плазмы. Экономия материала достигает 10-15% за счёт плотного размещения деталей.

Бесконтактная обработка— отсутствие механического давления исключает деформацию тонких листов, сколы хрупких материалов, необходимость жёсткой фиксации заготовки.

Универсальность по геометрии— резка любых контуров без смены инструмента. Сложные криволинейные формы, острые углы, мелкие отверстия выполняются с одинаковой лёгкостью.

Возможность гравировки— одно оборудование выполняет резку и нанесение рисунков, надписей, маркировки без переналадки.

Малые серии без оснастки— изготовление единичных деталей и малых партий экономически выгодно без затрат на штампы, пресс-формы, специальную оснастку.

Недостатки лазерной резки

Высокое энергопотребление— лазер мощностью 3 кВт потребляет 10-15 кВт электроэнергии из-за низкого КПД преобразования (20-30% для волоконных лазеров, 10-15% для CO2).

Требовательность к настройке— малейшее отклонение фокусного расстояния на 1-2 мм ухудшает качество реза. Требуется точная юстировка оптики и калибровка системы.

Риск повреждения материала— неправильные параметры приводят к прожогам, оплавлению кромки, обесцвечиванию поверхности вокруг реза.

Ограничения по материалам— высокоотражающие металлы (медь, латунь, алюминий) сложны для обработки CO2-лазерами. Требуются мощные волоконные лазеры.

Требования безопасности— излучение класса 4 опасно для зрения и кожи. Необходимы защитные ограждения, блокировки, средства индивидуальной защиты.

Виды лазерной резки по технологии процесса

Испарительная (сублимационная) резка

Материал в зоне воздействия луча мгновенно нагревается до температуры испарения (3000-4000°C) и переходит из твёрдого состояния в газообразное, минуя жидкую фазу. Пары материала удаляются из зоны реза потоком вспомогательного газа.

Параметры процесса

Требуется максимальная мощность лазера и импульсный режим работы для достижения высокой плотности энергии. Диаметр луча должен быть минимальным — 0,1-0,2 мм для концентрации энергии. Скорость обработки низкая — 5-20 мм/сек в зависимости от материала.

Толщина обрабатываемого материала ограничена диаметром луча — обычно не более 1-2 мм. При большей толщине пары конденсируются на стенках реза, ухудшая качество кромки.

Применение

Резка очень тонких материалов толщиной 0,1-1 мм — металлические фольги, тонкие пластики, бумага, картон, ткани. Высокоточная обработка — изготовление трафаретов, шаблонов, декоративных элементов с мелкими деталями.

Материалы, не имеющие жидкой фазы — некоторые керамики, композиты. Прецизионная микрообработка — вырезание отверстий диаметром 0,2-0,5 мм, создание микроканавок.

Особенности

Минимальная ширина реза 0,1-0,2 мм. Идеально чистые кромки без наплавов и окалины. Высокая точность контура ±0,02-0,05 мм. Низкая производительность из-за малой скорости обработки. Высокое энергопотребление — требуется в 10-20 раз больше мощности, чем для резки плавлением.

Резка плавлением

Материал в зоне воздействия нагревается до температуры плавления (1500-2000°C для большинства металлов). Расплав выдувается из зоны реза струёй инертного газа под давлением 10-25 бар. Лазерный луч взаимодействует только с передней стенкой реза, не затрачивая энергию на испарение.

Параметры процесса

Мощность лазера в 5-10 раз ниже, чем для испарительной резки. Используется непрерывный режим генерации для стабильного плавления. Вспомогательный газ — азот или аргон под давлением 10-25 бар для выдувания расплава и защиты от окисления.

Скорость резки 50-300 мм/сек в зависимости от толщины и материала. Толщина обработки до 20-25 мм для стали, до 15-20 мм для алюминия при мощности лазера 3-6 кВт.

Применение

Резка нержавеющей стали, алюминия, меди, латуни — материалов, где недопустимо окисление кромки. Детали под сварку — чистая кромка без окалины обеспечивает качественное соединение без предварительной зачистки.

Изделия с высокими визуальными требованиями — декоративные панели, рекламные конструкции, фасадные элементы. Светлая кромка без потемнения готова к финишной отделке. Пищевое оборудование — нержавеющая сталь с неокисленной кромкой соответствует санитарным требованиям.

Особенности

Чистая светлая кромка без окисления. Ширина реза 0,3-0,5 мм. Возможно образование заусенцев на нижней кромке при неоптимальных параметрах. Высокий расход вспомогательного газа — 40-120 м³/час азота. Требуется мощная система газоснабжения с давлением 15-30 бар.

Кислородная резка (реактивная плавящая резка)

Материал нагревается лазером до температуры воспламенения (800-1000°C для стали), затем начинается экзотермическая реакция окисления металла в среде чистого кислорода. Реакция выделяет дополнительное тепло, ускоряющее процесс. Расплавленные оксиды выдуваются из зоны реза струёй кислорода.

Параметры процесса

Требуемая мощность лазера в 10-20 раз ниже, чем для резки плавлением. Лазер только инициирует реакцию, основное тепло выделяется при окислении металла. Вспомогательный газ — технически чистый кислород (99,5-99,95%) под давлением 2-6 бар.

Скорость резки максимальная среди всех методов — до 200-500 мм/сек для тонких листов 1-3 мм. Возможна резка очень толстых материалов — до 100 мм при мощности лазера 6-12 кВт.

Применение

Резка углеродистой стали толщиной от 1 до 100 мм — основное применение кислородной резки. Конструкционные стали — детали металлоконструкций, машиностроения, судостроения. Высокоскоростная резка тонких листов — при толщине 1-3 мм скорость достигает 10-15 м/мин.

Толстый металл — при толщине 30-50 мм кислородная резка экономичнее плавления в 5-10 раз по энергозатратам. Черновая заготовительная резка — где допустима окисленная кромка и требуется максимальная производительность.

Особенности

Максимальная скорость резки среди всех методов. Минимальное энергопотребление — лазер только инициирует процесс. Низкий расход вспомогательного газа — 10-20 м³/час кислорода. Окисленная кромка тёмного цвета требует зачистки перед сваркой или покраской. Увеличенная ширина реза 0,5-1 мм из-за экзотермической реакции. Термически изменённая зона до 1-2 мм от кромки.

Резка с контролируемым разрушением

Лазерный луч создаёт локальный нагрев хрупкого материала, вызывающий термические напряжения и контролируемое растрескивание вдоль заданной линии. Материал не плавится и не испаряется, а разделяется по трещине от термического шока.

Параметры процесса

Требуется точный контроль градиента температур для направления трещины. Луч движется с постоянной скоростью 100-500 мм/сек, создавая зону нагрева перед фронтом трещины. Мощность лазера низкая — 50-200 Вт, достаточная для нагрева на 100-200°C выше температуры окружающей среды.

Охлаждение зоны за лучом водой или воздухом усиливает термический градиент и ускоряет распространение трещины. Толщина обрабатываемого материала 0,5-5 мм в зависимости от его хрупкости.

Применение

Резка стекла — оконное, техническое, закалённое стекло толщиной 1-10 мм. Керамика и керамические композиты — электротехническая, конструкционная керамика. Кремниевые пластины — в полупроводниковой промышленности для разделения заготовок.

Сапфировые стекла — защитные стёкла смартфонов, приборов, оптики. Материалы дисплеев — разделение панелей LCD, OLED без повреждения электронных слоёв.

Особенности

Отсутствие расплава и загрязнений — края абсолютно чистые. Минимальные механические напряжения в материале. Высокая скорость обработки хрупких материалов. Требуется точный контроль параметров — отклонения приводят к неконтролируемому растрескиванию. Неровная кромка реза требует последующей шлифовки для ответственных изделий.

Выбор метода резки в зависимости от задачи

По толщине материала

0,1-1 мм— испарительная резка для максимальной точности или кислородная для максимальной скорости (для стали).

1-6 мм— кислородная резка для стали (максимальная скорость), резка плавлением для нержавейки и цветных металлов (чистая кромка).

6-20 мм— кислородная резка для стали, резка плавлением для нержавейки и алюминия при наличии мощного лазера (4-6 кВт).

20-100 мм— только кислородная резка для углеродистой стали при мощности лазера 6-12 кВт. Другие материалы экономически нецелесообразны.

По типу материала

Углеродистая сталь— кислородная резка для максимальной производительности и экономичности.

Нержавеющая сталь— резка плавлением на азоте для чистой неокисленной кромки.

Алюминий и сплавы— резка плавлением на азоте, требуется волоконный лазер повышенной мощности.

Медь, латунь— резка плавлением на азоте мощным волоконным лазером (CO2-лазеры неэффективны из-за высокой отражательной способности).

Титан— кислородная резка при толщине до 10 мм, резка плавлением на аргоне для предотвращения окисления при высокой температуре.

Стекло, керамика— резка с контролируемым разрушением для хрупких материалов без жидкой фазы.

По требованиям к качеству кромки

Кромка под сварку— резка плавлением на азоте обеспечивает чистую неокисленную поверхность.

Декоративные изделия— резка плавлением на азоте для светлой кромки без дополнительной обработки.

Конструкционные детали— кислородная резка для стали с последующей зачисткой кромки.

Высокоточные детали— испарительная резка для минимальной ширины реза и максимальной точности.

Современное оборудование для лазерной резки

Многокоординатные станки с ЧПУ обеспечивают точность позиционирования ±0,05 мм и автоматизацию всего процесса. Чертежи загружаются в программное обеспечение, которое автоматически управляет лазером, рабочим столом, системами подачи газа.

Система автофокусировки— автоматически поддерживает оптимальное расстояние от линзы до материала с точностью ±0,1 мм, компенсируя неровности листа и изменение толщины.

Система охлаждения— теплообменники с чиллерами поддерживают температуру лазера и оптики с точностью ±1°C для стабильности параметров излучения.

Газовая система— клапаны и регуляторы автоматически переключают типы газов и поддерживают заданное давление для каждого участка программы.

Контроль процесса— датчики отслеживают мощность излучения, расход газа, температуру, давление. Оператор получает данные о состоянии оборудования в реальном времени.

Системы безопасности— световые барьеры, блокировки дверей, датчики задымления обеспечивают безопасную эксплуатацию.

Области применения различных методов

Машиностроение— кислородная резка для заготовительных операций, резка плавлением для точных деталей под сварку.

Приборостроение— испарительная резка тонких материалов, резка плавлением для корпусных деталей.

Электроника— испарительная резка фольги и тонких пластин, резка с контролируемым разрушением для керамических подложек.

Рекламное производство— резка плавлением нержавейки для вывесок, испарительная резка акрила для объёмных букв.

Мебельная промышленность— кислородная резка стальных профилей, резка плавлением нержавейки для декоративных элементов.

Судостроение— кислородная резка толстых листов стали для корпусных конструкций.

Выбор оборудования для вашего производства

Определите основные материалы и их толщины. Для углеродистой стали до 25 мм оптимален волоконный лазер 3-6 кВт с кислородной резкой. Для нержавейки и алюминия до 12 мм — волоконный лазер 3-4 кВт с азотной резкой. Для тонких материалов и высокой точности — CO2-лазер 150-300 Вт с испарительной резкой.

Оцените требования к качеству кромки. Детали под сварку требуют резки плавлением на азоте. Конструкционные детали допускают кислородную резку с зачисткой. Декоративные изделия требуют резки плавлением для чистой кромки.

Рассчитайте необходимую производительность. Кислородная резка даёт максимальную скорость для стали. Резка плавлением медленнее, но универсальнее по материалам. Испарительная резка самая медленная, но наиболее точная.

Заказать оборудование для лазерной резки

Требуется помощь в выборе станка лазерной резки?Лазерторподберёт оптимальное оборудование под ваши материалы, толщины и объёмы производства.

Свяжитесь с нами:
Сайт: https://lasertor.ru/
Получите консультацию специалиста, расчёт производительности и окупаемости оборудования.

Лазерная резка отЛазертор— передовые технологии для вашего производства.