Презентация к научно-исследовательской работе по физике «ЧПУ лазерный гравер»

Лазерная резка и обработка

Открытие лазера — одно из главных научных открытий двадцатого столетия. В настоящее время лазерная техника получила широкое применение в различных областях производства, в частности, для резки, получения отверстий, сварки, направки, маркирования и поверхностного упрочнения материалов. Такое разнообразие областей применения определяется следующими основными преимуществами лазера: • Безконтактностью воздействия на материал при возможности обеспечения высокой удельной мощности потока лазерного излучения и его регулирования в широком диапазоне значений; • возможностью компьютерного управления мощностью, фокусировкой и перемещением луча; • возможностью обработки различных материалов (от дерева и пластмасс до металлов).

Лазерное излучение представляет собой набор пучков практически параллельных лучей с небольшим углом расходимости . Это обуславливает возможность фокусировки лазерного луча на малую площадку диаметром 10. . . 100 мкм с достижением высокой плотности потока энергии. Диаметр df светового пятна в фокальной плоскости определяется выражением: где F — фокусное расстояние фокусирующего объектива. Лазерное излучение мощностью Р, сфокусированное оптической системой в пятно диаметром df, дает на поверхности обрабатываемого материала плотность потока мощности q:

. Плотность потока мощности лазерного излучения поглощаемая поверхностью qп определяется выражением: где Aэф – эффективный коэффициент поглощения определяющий долю энергии идущую на нагрев поверхностного слоя. Часть энергии луча рассеивается в результате отражения. Принято различать две группы условий лазерной обработки, разграниченных некоторой критической плотностью потока qк . При уровне плотности потока (q < qк) лазеры применяют для всех видов термической обработки, которая без изменения геометрической формы заготовки улучшает или изменяет свойства материала на поверхности.

qк) используется для размерной обработки (получение отверстий, резка),» src=»https://stanki-doma.ru/presentation/1/20566344_350698148.pdf-img/20566344_350698148.pdf-5.jpg» alt=»Высокий уровень плотности потока (q > qк) используется для размерной обработки (получение отверстий, резка),» />

Высокий уровень плотности потока (q > qк) используется для размерной обработки (получение отверстий, резка), при которых материал плавится и испаряется и другими процессами в частности, сварки, наплавки, глазурирования, легирования и модифицирования поверхности. Значения плотности потока мощности лазерного излучения q и необходимого времени воздействия для ряда типовых процессов обработки материалов приведены на рисунке. Области видов лазерной обработки. 1 – ударное упрочнение; 2 – лазерное легирование; 3 — сверление; 4 – сварка и резка; 5 – плакирование и глазурирование; 6 – термообработка

Параметрами, характеризующими свойства лазерного луча, являются длина волны излучения , поляризация, плотность потока излучения и его распределение в пределах фокального пятна, частота лазерных импульсов и изменение плотности потока мощности во времени. Отражательная способность металлов снижается с уменьшением длины волны, а для неметаллов напротив – увеличивается. Таким образом эффективность нагрева металлов увеличивается при использовании лазера с меньшей длиной волны. При обработке металлов отражательная способность является функцией множества переменных, включая шероховатость поверхности и степень ее окисленности. Грубо обработанные или окисленные поверхности имеют более низкую отражательную способность и, следовательно, способствуют поглощению энергии. Чистота поверхности может изменять отражательную способность поверхности на 50%. Отражательная способность металлических поверхностей уменьшается с увеличением температуры, что способствует поглощению энергии обрабатываемой поверхностью. Вследствие высокой отражательной способности металлических материалов, для их эффективной обработки требуются лазеры с выходной мощностью по крайней мере в несколько сотен ватт (обычно используют лазеры с выходной мощностью более киловатта). Напротив, поскольку большинство неметаллов хорошо поглощают излучение лазеров, для их обработки можно использовать лазеры меньшей мощности.

. Свойствами материала детали, определяющими эффективность лазерной обработки являются коэффициент поглощения энергии А, теплофизические свойства (температуры плавления и испарения, теплопроводность, теплоемкость и др. ), а также пороговые температуры и соотнесенные с ними энергии фазовых превращений, химических реакций и т. д. , свойственные конкретным видам обработки. Общую картину взаимодействия лазерного луча с поверхностью обрабатываемого материала можно упрощенно представить следующим образом. При достаточной плотности потока излучения q через определенное время tm на поверхности будет достигнута температура плавления материала Tm: где — теплопроводность материала; а – температуропроводность материала. Глубина распространения образовавшегося фронта плавления может быть приближенно оценена из соотношения: где t – время от начала воздействия луча, hm – глубина проплавления

С увеличением продолжительности воздействия лазерного луча увеличивается и температура на поверхности. Образуется ванна расплава с конвективным перемешиванием жидкого металла, что дополнительно увеличивает скорость проплавления. При высокой плотности потока энергии развивается интенсивное испарение металла, возникают газо- и гидродинамические потоки, способные деформировать поверхность расплава, вызывать выброс жидкого металла и его вскипание. Эти процессы происходят в считанные доли секунды. На рисунке показано типичное влияние плотности потока лазерного излучения на скорость удаления материала Q. На этой зависимости можно выявить наличие четырех характерных областей (режимов): Влияние плотности потока на скорость обработки

I — Пороговый режим. Обработка материала начинается при значении плотности потока, характерном для данного материала. В данной области поглощенная лазерная энергия компенсируется потерями на теплопроводность. Пороговое значение у различных материалов по мере возрастания теплопроводности и удельной теплоты парообразования смещается к более высоким плотностям потока. Пороговый режим характеризуется испарением с поверхности и скоростью обработки Q, увеличивающейся пропорционально росту плотности потока. Угол наклона кривой определяется, в основном, теплопроводностью обрабатываемого материала. II — Режим выталкивания жидкой фазы. Характеризуется тем, что из-за увеличения плотности энергии лазерного излучения в зоне расплава глубиной h, материал взрывообразно удаляется в виде паро-жидкостной смеси. Так как частицам жидкой фазы энергия для испарения не требуется, скорость обработки продолжает возрастать. III — Режим аномального поглощения. Этот режим характеризуется внезапным возрастанием поглощения и соответственно, движением скорости испарения. В этой области величина расплава минимальна, выталкивание жидкой фазы исчезает, а скорость обработки достигает своего теоретического верхнего предела. IV — Режим экранирования. С дальнейшим ростом плотности потока лазерного излучения над обрабатываемой поверхностью образуется облако плазмы поглощающей лазерное излучение. Материал нагревается косвенно за счет излучения плазмы. Геометрия рабочей зоны определяется не диаметром лазерного луча, а размерами облака плазмы, которые могут существенно превышать размеры фокусного пятна.

Главный недостаток лазерных технологий — высокая стоимость. Новые технологические решения и увеличение объемов производства устойчиво снижают стоимость единицы мощности лазера, однако для многих областей лазер, в сравнении с альтернативными технологиями, остается все еще слишком дорогим, даже в том случае, когда его использование может обеспечить лучшее качество. Учитывая высокую стоимость лазеров, их выгодно применять в тех случаях, когда трудно или невозможно использовать обычные технологии.

Лазерная резка Этот метод по широте применения значительно опережают другие методы лазерной обработки, что обусловлено широким применением листовых материалов почти во всех отраслях машиностроительного производства, высоким спросом на них, а, следовательно, и на высокопроизводительное оборудование для их раскроя. Традиционно для вырезки заготовок со сложным контуром из листового материала используют вырубные штампы. Однако изготовление штампов — дело трудоемкое и дорогое, оно экономически оправдано только при больших объемах выпуска деталей. Если необходим один или несколько экземпляров детали идеальным выходом может быть лазерная резка, обеспечивающая небольшие затраты, сжатые сроки и высокое качество изготовления, не требующая дополнительной обработки и длительного подготовительного процесса. Такая мобильность производства идеально подходит для условий мелкосерийного и опытного производства.

Сфокусированное лазерное излучение, обеспечивая высокую концентрацию энергии, позволяет разделять практически любые металлы и сплавы независимо от их теплофизических свойств. При этом можно получить узкие резы с минимальной зоной 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. Легкое и сравнительно простое управление лазерным излучением позволяет осуществлять лазерную резку по сложному контуру плоских и объемных деталей и заготовок. Разделение материала лазером может быть выполнено тремя основными способами: • при полном удалении материала по линии разреза (резка); • при частичном удалении материала, например образованием системы отверстий малого диаметра по линии разделения с последующим разломом. Этот способ называют скрайбированием. Он используется для разделения керамик, которые вследствие низкой теплопроводности склонны к перегреву и разрушению вследствие высоких термических напряжений, возникающих при непрерывной резке; • способ термораскалывания. Этот способ 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 широкого круга различных материалов; — выполнения резки, получения отверстий и маркировки 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 полное отсутствие окалины; — Конусность менее 1°; — Ширина реза составляет 0, 2– 0, 375 мм; — Прижоги незначительны; — Зона термического влияния до 0, 05 мм.

При высокой плотности потока образование начального отверстия и последующего реза при перемещения луча возможно по механизму выброса и испарения материала, однако практическое использование этого механизма требует высоких энергозатрат, обусловленных теплопроводностью и необходимостью поддержания температуры металла на уровне температуры кипения. вспомогательного газа подаваемого под давлением через сопло в зону резки. При его 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, что уменьшает размер зоны термического влияния; -защита зоны реза от окисления. В число газов, используемых при лазерной резке, входят гелий, азот, углекислый газ, кислород (при резке углеродистой стали) или азот (при резке коррозионно-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 0, 8… 1 мм, а расстояние от среза сопла до поверхности заготовки поддерживается равным диаметру сопла. 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

Головки для лазерной резки

Физические явления, сопровождающие процесс лазерной резки Стационарный механизм разрушения материала устанавливается при оптимальных условиях резки с постоянным удалением из реза испаренного и расплавленного металла потоком газа. Разрушение материала и его удаление происходит в непрерывном режиме, а температурное поле вокруг движущегося лазерного источника постоянно. Сильный нагрев материала в условиях, когда в качестве рабочего газа используется кислород или воздух может привести к условиям неуправляемой автогенной резки, когда металл начинает гореть по всей поверхности контакта с газовой струей за счет экзотермической реакции окисления. Рез, в этом случае, получается с сильно увеличенным по ширине размером, а боковые стенки становятся неровными и сильно окисленными.

Энергетический баланс при лазерной резке качественно описываются 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; = эф т — эффективность процесса лазерной резки ( т — термический к. п. д. , показывающий отношение энергии, затраченной на проплавление образца, к полной энергии, поглощенной расплавом. ); эф – коэффициент учитывающий потери энергии на протекание различных процессов сопровождающих резку; Нпл — скрытая теплота плавления. Производительность и качество лазерной резки определяется следующими основными факторами: • плотность мощности лазерного излучения; • скорость резки; • давление и состав поддуваемого газа; • поглощательная способность поверхности обрабатываемого материала; • физические и химические свойства разрезаемого материала; • параметры оптической системы лазера.

Взаимосвязь скорости резки с толщиной обрабатываемого листа нержавеющей стали (а) и изменение максимально достижимой глубины качественно выполненного реза от скорости обработки при различных диаметрах фокусирования луча (б): 1 — Р = 625 Вт; 2 — Р = 1250 Вт; 3 — df = 0, 65 мм; 4 — df = 0, 40 мм; 5 — df = 0, 20 мм Максимальная толщина материала разрезаемого на CO 2 -лазерах фирмы TRUMPF различной мощности

Толщина, мм Скорость резания, м/мин Толщина, мм Коррозионно-стойкая сталь Скорость резания, м/мин 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 0, 9 9, 4 0, 5 9, 4 0, 45 12, 7 0, 25 12, 7 —

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 увеличении 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 схождения лучей. Для инженерных расчетов скорости лазерной резки рекомендуется использовать эмпирическое соотношение: где: Р – мощность лазерного излучения, падающего на поверхность, Вт; Sф – площадь фокального пятна, мм 2; E – энергия разрушения материала, Вт/мм 3; K – константа, зависящая от свойств обрабатываемого материала и особенностей его взаимодействия с лазерным излучением, мм/с.

Влияние скорости резания на ширину реза (а) и ширину зоны термического влияния (б): 1 – верх реза; 2 – низ реза Характеристиками качества реза являются: точность, шероховатость поверхности реза, неперпендикулярность реза к поверхности листа, величина зоны термического влияния, количество грата (остатки расплавленного металла, закристаллизовавшиеся на нижней кромке реза в виде подтеков) и толщина разрезанного материала. От скорости резки в значительной степени зависит ширина реза и протяженность зоны термического влияния, которые с увеличением скорости снижаются. Кроме того, скорость резки в сочетании с другими параметрами влияет на шероховатость реза. Прямой зависимости между скоростью и шероховатостью реза не существует. 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. При резке толстых материалов она достигает — 1… 1, 5 мм.

Шероховатость возникает в результате образования бороздок. 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 нержавеющих сталей в 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. Борозды на поверхности реза (а) и изменение шероховатости в зависимости от скорости (б) в разных зонах реза

Внешний вид поверхностей резов

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 наибольшей производительностью наблюдается наибольшее образование грата. Снижение скорости резки приводит к уменьшению грата. Область режимов обработки без образования грата с уменьшением мощности излучения сужается и перемещается в область 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 кромки имеют некоторые отклонения со скосом примерно 0, 5°.

Технология и оборудование для лазерной резки непрерывно совершенствуются в направлениях увеличения толщины разрезаемого материала, скорости и точности обработки. Новейшие и самые крупные установки для лазерной резки оснащают теперь лазерами мощностью до 6 к. Вт. Мощность лазеров типовых установок обычно не превышает 2, 3… 3 к. Вт, но и это дает возможность стабильно резать стальные листы толщиной до 25 мм. В последние годы существенно увеличилась толщина разрезаемых лазерным способом материалов. Имеется опыт резки стальных листов толщиной более 50 мм (Alabama Laser), а в перспективе лазеры мощностью 6 к. Вт планируется использовать для резки материалов толщиной 100 мм. Для резки металлов применяют технологические установки на основе твердотельных и газовых CO 2 — лазеров, работающих как в непрерывном, так и в импульснопериодическом режимах излучения. Полный комплект оборудования включает не только лазер, но еще ряд оптических и электронных систем Лазерные установки выполняют в настоящее время, как правило, с подвижным порталом. Они содержат стол, на котором устанавливают 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.

Если технически лазер невозможно разместить на подвижной каретке (из-за массогабаритных характеристик или невозможности обеспечить отсутствие угловых вибраций лазера при координатных перемещениях), то его размещают на портале, вдоль оси портала. В этом случае необходимо использовать блоки поворота излучения для транспортировки излучения к подвижной режущей головке. Лазерное излучение переносит мощность сравнительно широкими пучками и для произведения полезного технологического эффекта должно быть сфокусировано. «Летающая» оптика имеет малый вес 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. Схема установки с «летающей» оптикой: 1 – лазер; 2, 3, 4 – управляемые зеркала; 5 – фокусирующая линза; 6 – заготовка; 7 – портал; 8 — основание

По условиям техники безопасности трасса лазерного луча должна быть закрыта для исключения выхода лазерного излучения или травмирования наладчиков. Это могут быть разного типа конструктивные решения в виде экранирующих плоскостей или телескопических систем. Кроме того, при использовании в производственных 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. Установки с летающей оптикой применяют для обработки заготовок размерами от 1, 2 2, 4 м до 3 7, 8 м. Они оснащены двумя спутниками, причем каждый из них расположен на своем рабочем столе. К другому классу относятся 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 значительный вес и габариты лазера, размещенного на подвижной части лазерного комплекса, вызывают соответствующие требования к несущей способности портала, его весу, габаритам, энергопотреблению, 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 Компоновки 5 -ти координатных станков для лазерной резки фирм HUFFMAN (а) и LASERDYNE© (б)

Шести координатная лазерная установка Laserdine 550 для прошивки отверстий и резки Пяти координатная лазерная установка мод. RAPIDO

Подсистема Назначение Лазерная головка Излучающий блок лазера (содержит рабочий элемент и оптический резонатор) Блок питания лазера Обеспечивает электропитание и управление лазером. В современных лазерах обеспечивается полное управление по каналу RS 232 или RS 485 Блок охлаждения Обеспечивает съем лишнего тепла от оптического элемента. Коэффициент КПД современных лазеров лазера находится в интервале от 3 до 8%, так что система охлаждения отводит большую часть тепла. 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 Увеличивает пучок излучения лазера в диаметре (с 3… 6 мм до 10… 15 мм) для передачи к режущей головке. колимматор 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 Используются при построении оптической системы передачи излучения, например, если лазер установлен излучения на портале. Представляет собой систему поворотных зеркал. Используются в тех случаях, когда лазер невозможно разместить на подвижной каретке Юстировочный Лазер видимого диапазона и устройство для ввода излучения этого лазера в трассу пучка. Используется при лазер 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 Затворпереключатель По сигналу от системы управления обеспечивает отвод мощного пучка в поглотитель и одновременно подачу в трассу видимого лазерного излучения

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

Спасибо за внимание