Технология резки металла прошел долгий путь и стал точным, эффективным видом деятельности благодаря мощной лазерной технологии. В диапазоне приложений один из самых распространенных видов лазерной резки всегда использовался теми отраслями, где требуется точность и гибкость. Однако, почему лазеры помогают резать металлы, и какой лазер используется для резки металла? В статье будут представлены различные типы лазеров для резки металлов и их рабочие принципы, использование и преимущества. Специалисту по производству, инженеру или просто энтузиасту промышленного развития человека, это руководство предлагает критический взгляд на одну из самых прогрессивных технологий обработки материалов.
Введение в лазерную резку
Лазерная резка произвела революцию в технологиях резки металла, используя высококонцентрированную световую энергию от лазерного резака металла, что позволяет резать твердые материалы благодаря своей точности и эффективности. В этом случае металл постепенно нагревается и плавится по выбранному пути. Какой лазер используется для резки металла? Наиболее часто используемым в этом применении является лазер на углекислом газе, волоконный лазер и диодный лазер, которые также используются. По этой причине они так превосходны при резке многих металлов, таких как сталь и алюминий, с высокой точностью. Скорость, точность и оптимизация ресурсов являются одними из факторов, способствующих принятию указанной технологии в автомобильной, космической и машиностроительной отраслях.
Что такое лазерная резка?
Лазерная резка использует когерентный луч чрезвычайно высокой интенсивности энергии или твердотельный лазер. лазер для резки или гравировки материалы. Режущие лазеры обладают достаточной энергией, чтобы расплавить, сжечь или испарить поверхность материала, создавая, таким образом, элегантные и точные разрезы. Эта техника широко используется из-за широкого спектра материалов, таких как металл, пластик, дерево, композит и т. д., которые можно эффективно резать. Лазерная резка ценится за точность, скорость и способность создавать сложные формы с низкими отходами материала.
История технологии лазерной резки
Истоки лазерной резки можно проследить до истории лазерных технологий середины прошлого века. В частности, корни этой технологии лежат в самом применении лазерного устройства TH Maiman, патент на которое был выдан в 1960 году. Затем последовало промышленное применение лазерной технологии. К 1965 году Western Electric выпустила первую режущую машину для резки микроразмерных отверстий в алмазных горелках с использованием лазерной технологии. Однако только в 1970-х годах разработка лазера на углекислом газе (или просто CO2) сделала резку материалов, отличных от металлов, стоящей того. С тех пор лазерная резка начала совершенствоваться благодаря многим инновациям. В настоящее время она широко используется в отраслях промышленности, особенно в обрабатывающей, автомобильной и аэрокосмической, благодаря своей высокой скорости и исключительной точности.
Значение лазерной резки в металлообработке
Обработка металла немыслима без лазерной резки, поскольку она обеспечивает исключительно высокую точность и эффективность. Она позволяет производить сложные формы и замысловатые конструкции с очень небольшими отходами материалов. Эта технология охватывает различные металлические материалы, такие как сталь, алюминий и титан, что позволяет использовать их в различных видах деятельности. Помимо сокращения времени производства, еще одним преимуществом лазерной резки является то, что она сводит к минимуму использование других процессов и является экономичным вариантом для отраслей, где требуется качественная металлообработка. Поэтому в настоящее время это общепринятая процедура изготовления металла из-за ее надежности и точности.
Типы лазеров, используемых для резки металла
Лазерная CO2
При обсуждении типов лазеров, используемых для резки материалов, лазеры на углекислом газе (CO2) занимают высокое место в списке из-за их эффективного использования и способности обрабатывать различные неметаллические и металлические материалы. Эти лазеры работают путем стимуляции газовой смеси, в основном состоящей из углекислого газа, азота и гелия, для генерации инфракрасного лазерного луча длиной и направлением около 10.6 микрометров. Затем он направляется и концентрируется на предполагаемом объекте с помощью ряда зеркал со специальной оптикой.
Лазеры CO2 также высокоэффективны и полезны для плавной резки мягкой стали, нержавеющей стали и неметаллов, таких как акрил, дерево и пластик. Лазеры YAG становятся все более популярными для операций с высокой мощностью. Они режут так плавно и точно с небольшой или нулевой доработкой. Номинальная мощность коммерческих лазеров CO2 варьируется от примерно 20 Вт до более 10 кВт, что делает возможными изменения толщины металлов, которые можно обрабатывать с помощью лазерных лучей.
Преимуществом CO2-лазеров является их способность обеспечивать равномерную производительность на обширных площадях, что может объяснить их предпочтение в большинстве приложений, включающих резку и гравировку большого формата. Эксплуатационные расходы при использовании волоконных лазеров обычно ниже, чем у CO2-лазеров, поскольку CO2-лазеры требуют пополнения газа и другой деликатной оптики. Тем не менее, в различных отраслях промышленности, от аэрокосмической до производства вывесок, CO2-лазеры используются в качестве конечных продуктов, поскольку они известны своей эффективностью и гибкостью.
волоконный лазер
Волоконные лазеры используют оптические волокна, изготовленные из атомных компонентов, таких как редкоземельные элементы, такие как иттербий, в качестве среды усиления, обеспечивая более эффективное лазерное решение и более портативную версию, чем существующие лазерные системы. Эти лазерные системы ценятся за превосходное качество луча, фокусируемость и мощность, и поэтому подходят для работы в определенных областях, включая скрайбирование, маркировку и сварку.
Существенным преимуществом волоконных лазеров является то, что они требуют минимального обслуживания, работают долго и довольно эффективны при лазерной резке металлов. Поскольку в лазерном источнике не используются подвижные части или зеркала, более прочные и надежные волоконные лазерные системы позволяют пользователям сократить расходы на такие неудобства, если не устранить их. Они также имеют лучшую энергоэффективность, т. е. до 70% передачи входной энергии на выход в виде лазерного луча, в отличие от CO2, который преобразует только около 20–30% входной энергии в лазерный луч.
Волоконные лазеры также идеально подходят для высокоскоростной работы и подходят для выполнения операций, особенно при резке этих отражающих поверхностей, содержащих алюминий, латунь и медь. Их более короткая длина волны, которая составляет 1.06 мм (примерно в 10 раз короче, чем у CO2-лазера), позволяет более крупным фотонам сверлить отверстия в металлических поверхностях более эффективно, чем CO2-лазер, работающий на длине волны 10.6 мм. Это преимущество делает их пригодными для применения в автомобильной, электронной, прецизионном производстве и т. д., где требуются высококачественные компоненты с высокой точностью и четкими процессами.
Более того, поскольку сейчас доступны лазеры мощностью от нескольких ватт до нескольких сотен киловатт, волоконные лазеры масштабируются по сравнению с CO2-лазерами только для маломощных процессов маркировки и тяжелых операций резки. В сочетании со сложными методами доставки луча и компьютерными системами управления для автоматизации волоконные лазеры предлагают гибкость и хорошую производительность для промышленных приложений сегодня.
Прямой диодный лазер
Инновационная лазерная технология, классифицируемая как прямые диодные лазеры, характеризуется высокой эффективностью и надежной работой; следовательно, они немного более специализированы в приложениях, где требуется высокая эффективность настенной розетки для снижения эксплуатационных расходов. В случае прямых диодных лазеров свет выходит из диодов напрямую, и не требуется никакой усиливающей среды или какой-либо чрезвычайно сложной оптики, которая обязательно требуется в волоконных и CO2-лазерах. Они лежат в спектре длин волн от 800 до 980 нанометров и используются во многих приложениях, таких как нагрев металлов, сварка, наплавка, закалка поверхности и т. д.
Одним из существенных преимуществ прямых диодных лазеров является их эффективность, при этом эффективность при подключении к сети достигает 45% и выше в некоторых случаях. Это делает использование мощности значительно ниже, чем у некоторых других лазерных систем. Прямые диодные лазеры также достигают превосходного качества луча и стабильности мощности, необходимых для однородности лазерных процессов в промышленности. Современные архитектуры систем имеют различные источники питания от нескольких ватт до 10 киловатт; таким образом, они находят применение как в малых, так и в больших масштабах.
Кроме того, усовершенствования в технологии диодных лазеров, как правило, увеличивают срок службы системы и сокращают время простоя. Поддерживая несколько оптических компонентов и упрощая конструкцию оптической доставки луча, прямые диодные лазеры не требуют большого количества инженерных работ для работы с максимальной производительностью. Устранение таких расходов делает их относительно дешевыми в различных отраслях производства и обработки материалов.
Применение лазерной резки металла
Отрасли, использующие лазерную резку
- Автомобильная промышленность: эти станки значительно улучшают эксплуатационные характеристики и технологичность транспортных средств, обеспечивая высокую точность резки и формовки различных компонентов.
- Аэрокосмическая промышленность: позволяет производить легкие, сложноконфигурируемые компоненты, такие как детали самолетов или космических кораблей.
- Электронная промышленность: используется для определенных устройств, таких как печатные платы, которые состоят из определенных мелких деталей, которые должны быть вырезаны и размещены точно. Также используется мощный лазер для повышения точности.
- Строительная промышленность: используется для создания структурных и декоративных элементов сложной формы.
- Медицинская промышленность: лазерные технологии применяются для разработки хирургических инструментов, имплантатов и других сложных устройств.
Распространенные материалы для лазерной резки
|
Материал |
Тип |
Главные преимущества |
Тип лазера |
Меры предосторожности |
|---|---|---|---|---|
|
Дерево |
Натуральный/Фанера/МДФ |
Универсальный, легковоспламеняющийся |
CO2 |
Отрегулируйте мощность/скорость |
|
Акрил |
пластик |
Четкие, полированные края |
CO2 |
Необходима вентиляция |
|
Металл |
Сталь / алюминий |
Требуется высокая мощность |
Волокно/CO2 |
Рефлексивные риски |
|
Бумажный |
Картон |
Тонкие, сложные разрезы |
CO2 |
Требуется низкая мощность |
|
Картон |
Гофрированный |
Недорогой |
CO2 |
Умеренная мощность |
|
Кожаные |
Натуральный/Искусственный |
Прочный, гибкий |
CO2 |
Необходима вентиляция |
|
Ткань |
Хлопок / Шелк |
Цифровая вышивка |
CO2/Диод |
Низкое давление |
|
Пена |
Полистирол/ЭВА |
Небольшой вес |
CO2 |
Токсичные пары |
|
пластик |
ПОМ/Полиэстер |
Инженерное применение |
CO2/Диод |
Риски токсичности |
|
пробковый |
натуральный |
Небольшой вес |
CO2 |
Малая мощность |
|
Резина |
Силикон/Натуральный |
Гладкие края |
CO2 |
Необходима вентиляция |
|
Стекло |
Хрупкая |
Матовые узоры |
CO2/волокно |
Система охлаждения |
Точность и детализация при резке металла
Точность и детализация, достигаемые при резке металла, значительно улучшились с развитием лазерной резки. Современные системы CO2 и волоконного лазера могут резать различные иерархические структуры и формы металлов, таких как сталь, алюминий и медь, с точностью до ±0.001 дюйма в зависимости от используемого материала и условий работы станка. Процесс резки включает в себя воздействие сфокусированного энергетического луча на область резки, что приводит к гладким разрезам с минимальным тепловым воздействием и меньшими потерями материала.
Системы волоконного лазера были определены как наиболее подходящие для резки отражающих металлов, таких как алюминий и латунь, из-за их коротких длин волн, которые позволяют поглощать больше энергии. Следовательно, инновации в системах доставки луча и вспомогательных газах, таких как азот или кислород, оптимизировали протоколы резки. Такие газы обладают антиокислительными свойствами и повышают скорость резки и качество обработки кромок, что подходит для промышленных работ с критическими требованиями к отделке поверхности.
Более того, сложное программное обеспечение и активные сенсорные элементы управления помогают оптимизировать параметры резки для операторов, даже сверх этого. Это может быть управление мощностью, фокусировкой или даже скоростью резки, что создает благоприятные условия для высокоскоростного производства, поскольку не допускает вмешательства человека в процесс. Эти технологические достижения доказывают, что точность и аккуратность в производстве колец феникса больше не являются просто желаемым за действительное.
Преимущества лазерной резки
Скорость и эффективность
Лазерная резка идеально подходит для требующих острых углов и схем резки, особенно со сложными разрезами и плотными заготовками. Одним из факторов, повышающих скорость, является использование направленных лазерных лучей, которые могут делать разрезы более 20 метров в минуту, в зависимости от характеристик материала. В случае легких материал, такой как алюминий или нержавеющая сталь сталь, несколько тонких листов на оборудовании для лазерной резки чаще всего разрезаются за меньшее время, чем это заняло бы использование других режущих инструментов. Низкие потери материала также имеют значение, поскольку они повышают однородность, поскольку сделанный пропил имеет минимальную ширину и гладкие промышленные детали, которые могут потребовать меньшей отделки из-за направленных лазерных лучей.
Кроме того, все больше и больше современных лазерных режущих станков сегодня включают в себя некоторые мощные компьютерные и управляющие системы, которые делают процесс еще более плавным. Инструменты, включая схемы, увеличивают количество слоев, которые может иметь лист, поскольку они помогают использовать материал для эффективной скорости, тратя меньше времени. Кроме того, с помощью автоматизации время производства сокращается с большей точностью от каждой из операций производителя. Какой лазер используется для резки металла? Все эти разработки делают лазерную резку важной технологией для секторов, которые требуют высокого уровня точности и скорости в производстве.
Минимальные отходы материала
Одним из основных преимуществ современных лазерных режущих станков является эффективное потребление материалов. Специализированные продукты на основе систем CAD и CAM улучшают дальнейшее использование материалов, текущих в условиях раскроя, минимизируя поверхности между построенными элементами и либо очень эффективно, либо неэффективно создавая слои или элементы, которые необходимо вырезать. Научные работы также показали, что большинство этих мер улучшают использование материалов на целых 30%, в зависимости от формы и сложности изготавливаемых компонентов. Кроме того, поскольку лазерная резка приводит к более узкому сечению, меньше материала теряется впустую, благодаря способности лазеров создавать тонкую поверхность резки. В сочетании с другими технологиями такие системы позволяют пользователям следовать процедуре и изменять параметры для оптимизации процесса, сокращая затраты и обеспечивая устойчивость в различных отраслях промышленности.
Универсальность лазерной резки металла
Металлический материал, особенно листовой металл, обработанный с помощью лазерного разделения, показал выдающиеся характеристики во многих промышленных приложениях благодаря своей точности, гибкости и скорости. Решения для аэрокосмической отрасли широко используются для создания легких деталей сложной формы и высокой размерной толерантности для повышения производительности самолетов. Аналогичным образом лазерная резка используется для изготовления деталей автомобилей, таких как кузовные детали, выхлопные трубы и т. д., где эффективность производства не должна идти в ущерб точности.
Более того, важность лазерной резки в изготовлении металлических изделий на заказ невозможно переоценить, поскольку она открыла двери для использования нескольких различных типов металлов, таких как алюминий, нержавеющая сталь и титан. Самый толстый лист, который можно разрезать, варьируется от менее 1 мм до более 25 мм в зависимости от мощности лазерного луча и характеристик используемого материала. Согласно отчету, в 5.23 году стоимость отрасли лазерной резки составит 2028 млрд долларов; это означает, что использование лазерного резака в бизнесе станет более необходимым.
Волоконные и CO2-лазеры, используемые в большинстве современных машин, могут резать со скоростью более 20 метров в минуту, что позволяет быстро переводить рабочее время. Эта функция дополнительно улучшена с помощью ЧПУ, которое обеспечивает быстрое черчение и производство любого объекта с большой точностью. Все эти функции в совокупности подчеркивают гибкость и важность лазерной резки металла для успеха современной обрабатывающей промышленности.
Будущие тенденции в области лазерных технологий для металлообработки
Достижения в области повышения эффективности лазеров
Для повышения эффективности лазеров во всех задачах, связанных с металлом, внимание было направлено на увеличение выходной мощности лазера без увеличения затрат на электроэнергию путем использования более совершенных конструкций оптики. Волоконные лазеры, среди прочего, стали переломным моментом с более высокой эффективностью, чем существующие CO2-лазеры. Более того, создаются сложные механизмы, включая возможность охлаждения машин и мониторинга условий для сокращения потребления и увеличения полезного срока службы этого оборудования. Улучшения помогают увеличить выход и снизить эксплуатационные расходы, способствуя зеленым инициативам, принятым в текущей производственной практике.
Интеграция с автоматизацией и робототехникой
Сочетание лазеров и роботов изменило способ выполнения большинства процессов сегодня, включая производственные. В настоящее время автоматизация, а также роботизированные руки позволяют выполнять точную повторяющуюся помощь в лазерной резке, гравировке и некоторых процессах сварки, тем самым значительно снижая вероятность ошибок человека-оператора при увеличении производственных линий. Недавний отчет о тенденциях в отрасли показывает, что по крайней мере 57% производственных компаний указывают на использование роботов и современных лазеров как часть своих процессов улучшения операционной деятельности.
Например, при движении роботизированных структур они синхронизируются с мощными лазерами в реальном времени, что позволяет изготавливать сложные формы с микроточностью. Примером такой инновации являются системы лазерной сварки с роботизированной поддержкой, применяемые в сборках для облегчения веса транспортных средств. Этот рынок ожидает более широкого внедрения электромобилей в ближайшие дни.
Кроме того, что касается лазеров и роботов, такие аспекты Индустрии 4.0, как IoT и ИИ, вступают в игру, чтобы нацелить лазерные станки на роботизированные конструкции. Система может компенсировать свою ошибку за счет данных, которые она получает во время производственной операции. Это некоторые из компонентов робототехники автоматизации и точности лазеров, которые служат различным целям и приносят больше надежды на инновации во многих отраслях, таких как авиастроение и электронная промышленность.
Новые технологии в обработке металлов резанием
При нынешнем уровне технологий мы наблюдаем, что более адаптивные методы лазерной резки стали применяться при резке металла для достижения точности и повышения эффективности. Подход включает анализ данных в реальном времени в сочетании с функциями машинного обучения и Интернета вещей для изменения процедур резки. В частности, лазерные резаки, управляемые устройствами искусственного интеллекта, могут определять такие параметры, как толщина материала, состояние поверхности или температура, теплопроводность, и настраиваться для оптимальной работы.
Недавние разработки также продемонстрировали использование новых сверхбыстрых лазеров, например, фемтосекундного или пикосекундного типов, которые достигают более точных процессов лазерной обработки металла за счет уменьшения зоны теплового воздействия по сравнению с обычными лазерами. Такие устройства необходимы в производстве медицинских инструментов и микроэлектронике, где важны мелкие детали и сохранение материала. Существуют также гибридные системы, в которых лазерная резка сочетается с плазменной дуговой резкой, которая становится все более популярной из-за лучшей скорости резки с меньшим компромиссом качества резки.
Статистика показывает растущую тенденцию к использованию волоконных лазеров вместо CO2-лазеров при лазерной обработке меди, алюминия и нержавеющей стали. Волоконные лазеры могут обрабатывать примерно на 30% быстрее, чем CO2, и имеют лучшее энергопотребление. Они также менее подвержены контролю, что делает их более выгодным решением для обработки. Такие инновации повышают эффективность производства и способствуют экологичному производству, отвечая современным экологическим целям.
Часто задаваемые вопросы (FAQ):
В: Какой тип лазера подходит именно для резки металлов?
A: Волоконный лазер, известный как твердотельный лазер, обычно используется для резки металлов. Волоконные лазеры идеально подходят для этого, поскольку они требуют меньше энергии и мощности для эффективной резки металлов, таких как нержавеющая сталь и углеродистая сталь, среди прочих, с высокой точностью и скоростью.
В: Как лазерный резак режет металл?
A: В принципе, лазер лазерного резака действует как горящая горелка; сфокусированный лазерный луч расплавляет и испаряет разрезаемый материал в некоторых местах, тем самым облегчая резку металлических листов. Контур лазерной резки вставляется в материал, чтобы спаять задействованный материал, например, прямоугольник, который мы хотим вырезать.
В: Может ли CO150-лазер мощностью 2 Вт резать металл?
A: Хотя мощность CO150-лазера в 2 Вт может использоваться для резки металлов малой толщины, она, как правило, не считается достаточной для резки тяжелых и более прочных металлических секций. CO2-лазеры больше склонны к неметаллическим материалам, поскольку легкие листовые металлы все еще могут обрабатываться.
В: Каковы преимущества использования оборудования для резки волоконным лазером при металлообработке?
A: Оборудование для резки волоконным лазером имеет ряд преимуществ, включая более высокую скорость резки, более низкие эксплуатационные расходы и возможность работы с отражающими материалами. Кроме того, оно более энергоэффективно, чем другие лазерные системы.
В: Какой металл используется при лазерной резке, помимо обычных металлов, входящих в состав многих конструкционных металлов?
A: Лазер при лазерной резке служит в качестве режущего принципа для резки различных видов металлов, включая углеродистую сталь, нержавеющую сталь, алюминий, латунь и т. д. Здесь параметры лазеров и режущего оборудования определяются толщиной и типом сырья.
В: В каких случаях для резки используются импульсные и непрерывные лазеры?
A: Природа импульсных и непрерывных волновых лазеров различна, постоянные лазеры лучше подходят для более интенсивных лазерных лучей. Импульсные лазеры оптимальны для резки тонкого металла и гравировки, в то время как непрерывные лазеры излучают равномерный, узкий луч света, подходящий для резки толстых металлических предметов. Оба имеют свои соответствующие применения в резке металла.
В: Существуют ли лазерные станки, предназначенные для резки металлов, особенно отражающих?
A: Да, лазерные резаки, такие как волоконные лазеры, которые могут работать против отражающей природы некоторых металлов, таких как медь, даже латунь, доступны. Эти резаки могут работать с этими материалами без каких-либо повреждений, штрафов или ограничений выходной мощности лазерных резаков.
В: Для чего используется азот в технологии лазерной резки?
A: В лазерной резке азот широко используется в качестве вспомогательного газа для предотвращения горения реза, что помогает улучшить качество реза. Он помогает удалить расплавленный материал, не отводя тепла во время резки, пока горячие металлы не будут разрезаны. Это предотвращает окисление, которое портит качество готового продукта.
В: Есть ли разница между промышленными лазерами и обычными лазерными резаками?
A: Стандартные лазерные режущие машины имеют меньшую мощность и не могут работать так же долго, как промышленные лазеры. Они не обладают такой же прочностью, как промышленные лазеры, поскольку они построены с достаточной прочностью, чтобы выдерживать суровые условия работы. Эти машины предназначены для работы на высоких скоростях, резки более толстых материалов и включают в себя передовое оборудование, такое как ЧПУ.
Справочные источники
1. Высокоскоростная лазерная резка сверхтонкой металлической фольги для производства аккумуляторных элементов (Аскари и др., 2023 г.)
- Дата публикации: 2023-11-01
- Методология: Экспериментальное исследование лазерной резки сверхтонкой металлической фольги с использованием гальвосканера и двух видов волоконных лазеров: непрерывного и наносекундного. Резка была исследована с использованием оптического и СЭМ микроскопов. Ограничения процесса резки также были описаны в этой статье.
- Основные выводы: В этом исследовании изучалась дистанционная резка сверхтонкой алюминиевой и медной фольги. Одномодовые непрерывные и наносекундные импульсные лазеры сравнивались, анализируя качество и скорость резки. Результаты показали, с особым акцентом, недостатки лазерной резки материалов малой толщины с очень высокой отражательной способностью.
2. Лазерная резка—Библиотеки Мичиганского государственного университета: Это учебное пособие для библиотекарей по резка металла под управлением мощных адаптивных лазеров.
