ПЛАЗМЕННАЯ РЕЗКА

Лазерная резка

Оптические квантовые генераторы (т. е. лазеры) генерируют моно­хроматическое излучение в весьма широком диапазоне длин волн — от ультрафиолетовой до инфракрасной области спектра,— и этот диапазон постоянно расширяется [3].

Излучение оптическими квантовыми генераторами (ОК. Г) характери­зуется рядом уникальных свойств: большой интенсивностью (мощностью) потока электромагнитной энергии, высокой монохроматичностью, значи­тельной степенью временной и пространственной когерентности. Вслед­ствие этого лазерное излучение отличается от излучения других источни­ков электромагнитной энергии очень высокой направленностью своего распространения и возможностью фокусирования на площадях малых раз­меров, т. е. высокой концентрацией энергии.

В зависимости от используемой активной среды лазеры подразделяются на твердотельные, жидкостные и газовые [3]. В связи с тем что луч лазера является монохроматическим излучением в оптическом диапазоне длин волн, возможность обработки различных материалов зависит, главным образом, от их способности поглощать излучение с определенной длиной волны.

Излучение с энергетическими параметрами, достаточными при исполь­зовании лазеров для технологических целей, имеет диапазон длин волн от 0,4 до 10,6 мкм; причем резка различных материалов наилучшим обра­зом обеспечивается при использовании излучения с длиной волны 10,6 мкм, которое генерируется газовыми СО* лазерами с активной средой из смеси одной части углекислого газа с одной частью азота и десятью частями гелия.

Излучение с этой длиной волны поглощается большинством исполь­зуемых материалов. При этом неметаллические материалы: пластмассы, резина, асбест, керамика, древесина и другие поглощают излучение ла­зера с такой длиной волны относительно хорошо; благодаря этому выде­ляется соответственно большое количество тепла.

Металлические материалы поглощают такое излучение значительно хуже. При этом процесс обработки, например конструкционной стали, легированной стали или титана, поддерживается за счет окислительного газа (кислорода). Материалы с большим коэффициентом отражения, например медь и алюминий, плохо поддаются резке с помощью ла­зера на углекислом газе. В целом же лазерной резкой можно резать низко­углеродистые, низколегированные и высоколегированные стали, в том чис­ле покрытые оловом, свинцом, цинком, никелем, лаком или пластмассой, а также титан, цирконий, ниобий, тантал, никель и сплавы этих металлов. Возможна резка неметаллов, т. е. различных пластмасс, в том числе стек­лопластиков, кожи, древесины, резины, шерсти, хлопка, синтетических тканей и т. п. Кроме того, возможна резка неорганических материалов: керамики, кварца, фарфора, кварцевого стекла, асбеста, слюды, камня, алюминатов, графита и т. п.

Применение луча лазера для резки различных материалов имеет большие перспективы также и благодаря ряду технологических преиму­ществ данного способа, т. е. высокой скорости резки, слабому тепловому воздействию, высокому качеству и параллельности кромок реза, отсут­ствию тепловых деформаций. В сочетании с бесконтактным принципом

Лазерная резка

Рис. 1.11. Схема СО: лазера:

I — резонатор; 2 — кожух; 3 — полупрозрачное зеркало; 4 — поток лучей; 5 — электрод; 6 и 7 — штуцера для подачи смеси газов; 8 — отражающее зеркало

действия обеспечивается простота автоматизации процесса резки.

Вследствие отсутствия давления на обрабатываемый материал возмож­на резка заготовок из металлов или других материалов, имеющих очень малую толщину — от 0,1 мм и менее.

Возможна резка в атмосфере заданного состава с окислительными, восстановительными или инертными газами, а также в вакууме. Отсут­ствуют шум и загрязнение окружающей среды. Лазерная установка (рис. 1.11) состоит из резонатора и систем: питания, создания вакуума, контроля газового потока, охлаждения и управления.

Резонатор лазера представляет собой комплекс, состоящий из газо­разрядной трубки, активной среды лазера и зеркал. Газоразрядная трубка, в которую заключена активная среда в виде смеси углекислого газа, азота и гелия, представляет собой стеклянную трубку диаметром в несколько сантиметров, по концам которой расположены зеркала. Коэффициент отра­жения одного из них составляет почти 100 %, а второе — частично прони­цаемое. Через это второе зеркало из резонатора выходит почти направ­ленный пучок лучей толщиной около 20 мм.

Выходная мощность лазерной установки зависит в определенных пре­делах от длины газоразрядной трубки из расчета 40—80 Вт на 1 м длины трубы. В установках для резки используются газоразрядные трубки длиной 4 м и более. Чтобы уменьшить длину резонатора, трубка разде­ляется на несколько секций, располагаемых рядом и параллельно одна другой, которые соединяются между собой оптически последовательно при помощи отклоняющихся зеркал; последние наклонены под углом 45° отно­сительно оси луча (рис. 1.12). Количество таких секций может увеличи­ваться до определенных пределов.

Важно отметить, что луч лазера, выходящий из газоразрядной трубки через полупрозрачное зеркало, необходимо отклонить вниз под углом в 90° и сфокусировать на поверхности разрезаемого материала, так как плот­ность энергии этого луча недостаточна для эффективной обработки мате­риала. Фокусирование производится с помощью инфракрасной линзы в ви­де фокального пятна диаметром от 0,1 до 0,5 мм. При этом концентрация мощности излучения достигает 5 МВт/см2. За линзой установлено сопло, обеспечивающее подачу струи режущего кислорода, воздуха или инертного газа соосно с лучом лазера. Фокусное расстояние линзы должно увели­чиваться с увеличением толщины разрезаемого материала для увеличения глубины резкости, т. е. создания постоянства диаметра сфокусированного

Лазерная резка

луча, необходимого при обеспечении постоянства концентрации энергии по толщине листа.

Изменение направления луча на 90° и его фокусирование обеспечива­ются устройством (рис. J.12), которое называется режущей головкой.

На электроды газоразрядной трубки подается постоянное напряжение в несколько десятков тысяч вольт, под воздействием которого в потоке активной среды возникает электрический тлеющий разряд.

Под действием этого разряда молекулы углекислого газа возбуждают­ся, и во время изменений колебательных уровней их энергии возникает излучение в крайней инфракрасной области спектра электромагнитных волн длиной 10,6 мкм.

Введение молекул азота вызывает резонанс энергии молекул двух ти­пов (азота и углекислого газа) с соответствующим увеличением выходной мощности примерно в четыре раза.

Добавление молекул гелия содействует поддержанию благоприятного распределения энергетических уровней. Высокая теплоемкость гелия спо­собствует интенсификации охлаждения газовой смеси и дальнейшему уве­личению выходной мощности [3].

В систему питания лазера входят генератор высокого напряжения для электропитания и возбуждения активной среды лазера в газоразряд­ной трубке, а также система подачи рабочего газа лазера с дозатором и другие элементы.

Для поддержания вакуума в газоразрядной трубке имеется система создания вакуума, основными элементами которой являются вакуумный насос для откачивания воздуха из трубки, вакуумное реле давления и манометр.

С помощью системы контроля газового потока непрерывно регулирует­ся подача газа и давления в газоразрядной трубке.

Система охлаждения обеспечивает подачу охлаждающей жидкости ко всем деталям, испытывающим тепловую нагрузку: к газоразрядной трубке, зеркалам лазера и к фокусирующей оптике.

Управление всеми системами, в том числе подачей режущего или за­щитного газов в сопло режущей головки, обеспечивается системой управ­ления лазерной установки.

Основным параметром, оказывающим наибольшее влияние на качество и производительность лазерной резки, является диаметр сфокусированно­го пятна, от которого зависят ширина реза, производительность резки и ширина зоны термического влияния. Его оптимальная величина рав­на 0,2 мм. При этом значении обеспечиваются условия для удаления рас­плава и газов.

Наибольшая толщина разрезаемого материала и стабильность качест­ва резки зависят соответственно от мощности излучения и стабильности мощности в сфокусированном пятне, а требуемое качество реза при раз­личных направлениях движения обеспечивается лишь в случаях, если имеет место круговая поляризация излучения в сфокусированном пятне и ^сли неравномерность интенсивности излучения на одинаковых удалениях от центра пятна не будет превышать 5 %. Чтобы процесс резки не нару­шался вследствие отражения части луча от стенок сопла, центр пятна не должен отклоняться от оси сопла более чем на ±0,05 мм.

Технологические параметры процесса лазерной резки аналогичны пара­метрам, характеризующим любой другой процесс тепловой резки. К ним относятся: скорость резки, мощность источника и теплоты, а также тол­щина обрабатываемого металла. Их взаимосвязь обеспечивает эффектив­ность процесса резки. Кроме того, при лазерной резке на эффективность процесса, как указывалось выше, оказывает влияние отражательная спо­собность поверхности обрабатываемого материала. В отличие от других способов тепловой резки параметры лазерной резки окончательно не отра­ботаны, не приведены в систему и не получили четкой регламентации, поэ­тому привести конкретные данные по режимам лазерной резки не представ­ляется возможным.

Резка металлов обычно производится с использованием кислорода для удаления расплава из полости реза, так как струя кислорода, кроме того, окисляет часть нагретого лазерным лучом металла и вместе с расплавом выдувает из полости реза и окислы. Экзотермический характер реакции окисления металла обусловливает выделение дополнительного количества теплоты, необходимого для снижения вязкости образующихся окислов и поддержания непрерывности процесса резки. Кроме того, окисление струей кислорода нагретой поверхности металла способствует увеличе­нию поглощения их лучистой энергии и, следовательно, повышению эффек­тивности нагрева, так как чистые металлы поглощают 2—6 % тепловой энергии луча, а окислы металлов — почти 100 %. Расход кислорода сос­тавляет 0,14—0,06 л/с [3].

При резке металлов с кислородом скорость резания существенно за­висит от давления в резаке лишь при давлениях, не превышающих 0,25 МПа. При повышении давления сверх указанного предела оно слабо сказывает­ся на повышении скорости резки. Качество реза улучшается при увели­чении расхода газа и при уменьшении расстояния от среза сопла до поверх­ности материала.

Увеличение мощности лазера приводит к увеличению скорости реза­ния, но последняя также существенно зависит от теплофизических свойств материала и от толщины листа.

Зависимость скорости лазерной резки от толщины разрезаемого метал­ла приведена на рис. 1.13 [3]. Из рис. 1.13 следует, что скорость резки низкоуглеродистой стали несколько выше, чем скорость резки хромонике­левой стали [3]. Установлено, что между выходной мощностью лазера и максимальной толщиной разрезаемого металла существует линейная за­висимость (рис. 1.14) (3]. При этом ширина реза при лазерной резке при-

Лазерная резка

сталь 12X18H9

Рис. 1.14. Зависимость толщины разрезаемого листа из низкоуглеродистой стали от мощности ОКГ

мерно соответствует диаметру сфокусированного луча и на порядок ниже, чем при плазменной резке.

В настоящее время лазерная резка металлов ограничивается относи­тельно малыми толщинами (до 4 мм). Основным ограничением служит сравнительно небольшая мощность существующих лазерных установок, которая не позволяет получить скорость резки, превышающую 750 мм/мин для металлов толщиной 5 мм. Зато при резке металлов толщиной поряд­ка 0,7 мм скорость резки возрастает до 4,5 м/мин.

При резке неметаллических материалов вместо кислорода исполь­зуется воздух, роль которого сводится к удалению окисленных или испа­рившихся продуктов резки из зоны реза. Воздушная струя охлаждает также материал, прилегающий к зоне резки, и уменьшает возможность обугливания поверхности реза.

Средства технологического оснащения при лазерной резке ограничены использованием только стационарных машин: как специальных, созданных только для лазерной резки, так и предназначенных для кислородной и плазменной резки.

Практическое применение нашли три схемы взаимного перемещения сфокусированного луча лазера и разрезаемого листа [3].

Первая — луч лазера неподвижен, а стол, на котором лежит лист, пере­мещается в двух взаимно перпендикулярных направлениях по заданному закону.

Второй — луч лазера перемещается по заданному закону, а стол с лис­том неподвижен.

Третий — луч лазера перемещается в поперечном направлении, а стол с листом — в продольном. Сложение обоих движений по определенному закону обеспечивает получение заданного контура вырезаемой детали.

В СССР первая машина для лазерной резки была разработана в 1970 г. ВНИИавтогенмашем совместно с другими организациями.

В машине осуществлен принцип перемещения сфокусированного ла­зерного луча над неподвижным столом с раскраиваемым листом (первый вариант второй схемы). На портале смонтировано лазерное устройство (резонатор, вакуум-насос и режущая головка). Для резки используется СОг лазер с коаксиальной струей кислорода или воздуха в зависимости

Рас. 1.15. Машина с ЧПУ для лазерной резки «Бирюза - 2»

Лазерная резка

от рода разрезаемого материала.

Машина оборудована системой цифрового программного управ­ления, позволяющей перемещать луч по заданному контуру выреза­емой детали и управлять всеми технологическими командами с пульта, расположенного у резчика.

На машине можно обрабатывать листы или полотнища из металличес­ких и неметаллических материалов шириной до 2,5 м и длиной до 8 м и бо­лее, что значительно расширяет технологические возможности использо­вания лазерной резки [3].

Кироваканским заводом автогенного машиностроения освоен серийный выпуск машин для лазерной резки «Бирюза-2» (рис. 1.15). Эти машины предназначены для резки стальных листов, но возможна резка и других материалов. Резка и разметка осуществляются лазерным лучом, а мар­кирование — краской.

В конструктивную схему входят: лазер; каретка с оптическим и марки­рующим устройствами и с резаком, перемещающимся по неподвижному порталу; стол, перемещающийся совместно с обрабатываемым листом по стационарному рельсовому пути (третья схема).

Резонатор лазера установлен неподвижно вдоль рельсового пути. Луч лазера передается к режущей головке с помощью двух зеркал.

Для создания комфортных условий для оператора и хороших условий для работы электронной части машины имеется кабина оператора, в ко­торой размещаются рабочее место оператора, устройства числового прог­раммного управления и другие электронные системы.

В Народной Республике Болгарии создан технологический лазерный комплекс, в состав которого входят технологический лазер «Хебр-1» с мак­симальной выходной мощностью 1,0 кВт и технологическая лазерная уста­новка ТЛУ-1000. Комплекс предназначен для автоматизированной лазер­ной резки и сварки по сложному контуру в промышленных условиях двух­мерных и трехмерных деталей из низкоуглеродистых и высоколегирован­ных сталей и тугоплавких сплавов, а также из неметаллических мате­риалов — органических и неорганических. Управление комплексом осуществляется системой ЧПУ ЗИТ 500 М и рабочей программой на перфоленте в коде ISO-840.

Технологическая лазерная установка ТЛУ-1000 обеспечивает автома­тическое относительное перемещение обрабатываемой детали и сфокусиро­ванного лазерного луча по заданной системой ЧПУ программе (третья схема). Ее максимальная потребляемая мощность 10 кВ-А.

Фирма «Мессер Грисхейм» (ФРГ) выпускает С02 лазер с машиной «Мультисек», которая оборудована фотоэлектронной системой управ­ления с чертежа в масштабе 1:1. Резонатор и режущая головка располо­жены на портале машины и перемещаются вдоль него, а продольное пе­ремещение по отношению к обрабатываемому листу осуществляется пор­талом (вторая схема, первый вариант). Лазерная установка выпускается в двух вариантах: GL и GM, отличающихся по выходной мощности. Пер­вая имеет выходную мощность 200—250 Вт, а вторая — 400—500 Вт.

ПЛАЗМЕННАЯ РЕЗКА

СУЩНОСТЬ РЕЗКИ МЕТАЛЛОВ И ЕЁ КЛАССИФИКАЦИЯ

Резка металлов - отделение частей или заготовок от сортового или листового металла режущими инструмента­ми, а также термическими способами. Рассмотрим виды термической резки. Дуговая резка электродами Дуговая резка металлов выполняется металлическим …

Плазменная резка

Плазменная резка металла - высокоэффективный, произ­водительный и перспективный способ обработки металлопроката. Процесс плазменной резки основан на локальном расплавле­нии металла и выдувании жидкого металла потоком плазмооб­разующего газа. Расплавление металла осуществляется совместным …

ОБЩЕЕ ОПИСАНИЕ АППАРАТА СЕРИИ CUT

Аппараты серии CUT, предназначенные для резки, произведены на базе современной инверторной техноло­гии. Благодаря использованию мощных транзисторов MOSFET и применению принципа широтно-импульсной модуляции (PWM), выпрямленное напряжение сети (100 Гц) преобразуется в …

Как с нами связаться:

Украина:
г.Александрия
тел./факс +38 05235  77193 Бухгалтерия

+38 050 457 13 30 — Рашид - продажи новинок
e-mail: msd@msd.com.ua
Схема проезда к производственному офису:
Схема проезда к МСД

Партнеры МСД

Контакты для заказов оборудования:

Внимание! На этом сайте большинство материалов - техническая литература в помощь предпринимателю. Так же большинство производственного оборудования сегодня не актуально. Уточнить можно по почте: Эл. почта: msd@msd.com.ua

+38 050 512 1194 Александр
- телефон для консультаций и заказов спец.оборудования, дробилок, уловителей, дражираторов, гереторных насосов и инженерных решений.