Изучение типов, особенностей и механизмов лазерной резки

Изучение лазерной резки: Типы, особенности и механизмы

Последнее обновление:
5 декабря, 2023

Оглавление

Характеристики лазерной резки

Как показано на рис. 1, сфокусированный лазерный луч облучает заготовку, заставляя материал в зоне облучения быстро плавиться, испаряться или достигать точки воспламенения.

Одновременно вспомогательный поток газа, коаксиальный с лазерным лучом, сдувает расплавленный или испаренный материал. При движении лазерной режущей головки относительно заготовки образуется разрез. Выдуваемый расплавленный металл и шлак создают брызги искр под разрезом.

Рисунок 1: Схематическая диаграмма процесса лазерной резки

Учитывая способность лазерного луча фокусироваться на очень маленьких точках, а также его концентрированный источник тепла и высокую лучистую освещенность, лазерная резка имеет ряд преимуществ перед традиционной оксиацетиленовой пламенной резкой и плазменной дуговой резкой:

Высококачественные срезы

В основном это отражается в следующих трех аспектах:

1) Узкий срез, минимум 0,1 мм, обычно от 0,12 до 0,40 мм.

2) Срез имеет хорошую параллельность и перпендикулярность, а поверхность резки гладкая (с небольшим значением шероховатости поверхности). Общее значение шероховатости поверхности находится в диапазоне Rz: =10~25 мкм, а края не имеют заусенцев или шлака, что делает его пригодным для прямого лазерная сварка.

3) Зона термического воздействия узкая, а термическая деформация минимальна. Общая зона термического влияния составляет от 0,1 до 0,15 мм, а при резке тонких листов она может достигать 30 мкм. Кроме того, на параметры резки не оказывают существенного влияния изменения параметров лазерной резки.

Высокая скорость резки и высокая эффективность

Например, при использовании 1200 Вт CO2-лазерСкорость резки листа низкоуглеродистой стали толщиной 2 мм достигает 6 м/мин, резки органического стекла толщиной 5 мм - 12 м/мин, а вырезание 500 отверстий диаметром 10 мм в стальном листе толщиной 1 мм может быть выполнено за минуту. Самая высокая скорость резки может превышать 20 м/мин, что не имеет аналогов среди традиционных методов резки.

Высокая гибкость обработки

С помощью программирования из материала можно вырезать детали любой формы и размера; автоматическое программирование позволяет оптимизировать расположение вырезаемых деталей и оптимизировать траекторию резки, что сокращает потери материала и холостой ход. Если лазерная резка используется вместо штамповки пресс-форм на пробном этапе производства кузовных деталей, это позволяет сохранить дорогостоящие пресс-формы, значительно снизить производственные затраты и сократить производственный цикл.

Широкие возможности адаптации материалов

Лазерная обработка применима практически к любым металлическим и неметаллическим материалам, включая материалы с высокой твердостью, высокой температурой плавления, хрупкие и липкие.

Классификация и механизм лазерной резки

Изучение типов, особенностей и механизмов лазерной резки

В зависимости от материала и параметров резки лазерная резка может быть разделена на следующие четыре метода:

Резка с выпариванием

Под воздействием лазерного луча с высокой интенсивностью излучения материал быстро нагревается до температуры испарения, в результате чего он испаряется или плавится. Часть испаренного материала вылетает с поверхности заготовки со скоростью, близкой к скорости звука, а часть выдувается потоком вспомогательного газа из нижней части реза.

Этот режущий механизм требует высокой лучистой освещенности - около 108Вт/см2что в 10 раз превышает освещенность, необходимую для резки расплавом. Материалы, которые не могут плавиться, такие как дерево, пластик, керамика и т. д., в основном разрезаются в такой форме при лазерной резке.

Резка расплава

Когда освещенность лазерного луча превышает значение плавления, материал подвергается плавлению в зоне лазерного облучения. Расплавленный материал вылетает из нижней части разреза под действием газового потока, образуя брызги искр. Лучистая освещенность, необходимая для резки по расплаву, составляет 1/10 от освещенности при резке по испарению.

Реактивная резка расплава

Реактивная резка расплава - это, по сути, резка расплава с использованием кислорода в качестве вспомогательного газа, поэтому ее также называют кислородно-ассистированной резкой расплава. При кислородной резке расплава лазеру необходимо только нагреть зону резки до температуры воспламенения материала (ниже температуры плавления).

Кислород, как вспомогательный газ, вступает в интенсивную реакцию горения с материалом, выделяя большое количество тепла. Образовавшиеся оксиды и поверхность расплавленного металла затем сдуваются потоком кислорода, образуя разрез.

Теплота реакции окисления железа и титана выглядит следующим образом:

  • Fe+1/2O2=FeO QR=260 кДж/моль
  • 3Fe+2O2=Fe3O4 QR=1120 кДж/моль
  • 2Fe+3/2O2=Fe2O3 QR=820 кДж/моль
  • Ti+1/2O2=TiO QR=543 кДж/моль

Теплота реакции окисления для титана больше, чем для железа. При кислородной лазерной резке стали экзотермическая реакция обеспечивает 60% энергии резки; при резке титана она может обеспечить до 90% энергии. По сравнению с резкой расплавом, кислородная резка расплавом позволяет значительно снизить требуемую мощность лазера, эффективно сократить затраты на резку и повысить эффективность резки.

Однако, поскольку срез окисляется, для ответственных заготовок, не переносящих окисления, реактивная резка расплавом не подходит. Вместо этого для резки расплавом используются инертные газы или другие неокисляющие газы. Например, пластины из титановых сплавов в аэрокосмической промышленности и стальные пластины для деталей автомобилей, которые после резки непосредственно свариваются встык.

Резка с контролируемым разрушением

Когда хрупкие материалы, склонные к термическому повреждению, нагреваются лазерным излучением, они быстро и контролируемо разрушаются. Этот процесс называется контролируемым разрушением. Механизм можно описать следующим образом: лазерный луч нагревает небольшой участок хрупкого материала, вызывая тепловой градиент и возникающую механическую деформацию, приводящую к растрескиванию материала.

Запрос БЕСПЛАТНОГО предложения
Контактная форма

Последние сообщения
Будьте в курсе новых и интересных материалов на различные темы, включая полезные советы.

Выбор правильных материалов для проектирования из листового металла

Производство листового металла обычно включает в себя использование методов ручной или штамповочной штамповки для создания пластической деформации в тонких металлических листах, придания формы [...]...
Читать далее
Поговорите с экспертом
Свяжитесь с нами
Наши инженеры по продажам готовы ответить на любые ваши вопросы и предоставить быстрое предложение с учетом ваших потребностей.

Запрос бесплатной цитаты

Контактная форма

Получить бесплатную цитату
Вы получите наш квалифицированный ответ в течение 24 часов.
Контактная форма