Laserové řezání kovu je proces, při kterém se laserové záření používá k ohřevu povrchu kovového obrobku, což je soustředěný úzký paprsek světla. Laserový paprsek, získaný průchodem světla optickými hranoly a zrcadly, má malou plochu průřezu a vysokou energii, což mu umožňuje rychle a intenzivně zahřívat povrch.
Lasery mají dlouhou a úspěšnou historii v mnoha průmyslových odvětvích, včetně laserového značení, svařování a čištění. Tyto technologie využívají stejných principů jako u řezání – soustředěné paprsky, vysoká hustota výkonu a řízená aplikace energie. To zdůrazňuje všestrannost a účinnost laserů v různých procesech zpracování kovů.
K interakci mezi laserovým paprskem a kovem dochází prostřednictvím proudu fotonů, což jsou kvanta elektromagnetického záření. Správně fungující laserový řezací stroj automaticky zaostří a udrží laserový paprsek stabilní. Proces řezání kovu se obvykle skládá ze tří fází: zahřátí kovu na teplotu tání, jeho vaření a odpaření a následný pohyb pracovního nástroje stroje po dané trajektorii pro řezání požadovaného tvaru Řezací lasery se skládají ze zdroje energie (čerpací systém), pracovní tekutina vytvářející záření a optický rezonátor (soubor speciálních zrcadel).
Hluboké řezání používá pomocný plyn, jako je inertní plyn, kyslík nebo vzduch, k odstranění roztaveného kovu z pracovního prostoru. Stroje vybavené pomocným plynem se často označují jako “horáky”. Kyslík je široce používaný pomocný plyn, protože nejen pomáhá při odstraňování roztaveného kovu a jeho oxidů, ale také zvyšuje řeznou rychlost.
CNC lasery využívající oxid uhličitý si efektivně poradí se svařováním, řezáním, gravírováním kovů, skla, plastů a dalších surovin. Zařízení v pevném stavu je účinné pro řezání hliníku, mědi, stříbra, mosazi.
Rýže. 1. Řezání plechů laserem
metody řezání kovů. Alternativní technologie
Existuje mnoho různých způsobů řezání kovu, z nichž každý má své vlastní výhody a použití:
Abrazivní řezání: Tato metoda zahrnuje použití abrazivních částic, obvykle ve formě brusného kotouče nebo řezného kotouče, k odstranění kovu. Často se používá k řezání tvrdých kovů nebo materiálů, které se obtížně obrábějí.
Řezání: K řezání kovu se používá rotační kotouč se zuby. Řezání lze provádět ručně nebo pomocí elektrického nářadí, jako jsou pásové pily nebo kotoučové pily. Řezání je všestranné a vhodné pro řezání různých typů a velikostí kovů.
Stříhání nůžkami: Proces, který používá ostrou čepel k řezání plechů nebo desek. Zpravidla se získávají rovné řezy, technologie se používá nejčastěji pro tenké plechy.
Rýže. 2. Stříhání plechu nůžkami
Řezání laserem: Laserové řezání využívá silný paprsek k roztavení a odpařování kovu, což vede k přesnému a čistému řezu. Díky své přesnosti a rychlosti je široce používán pro složité konstrukce, vysoce přesné řezy a automatizaci. Algoritmus pohybu se sestavuje na základě daných informací o materiálu (tloušťka, teplota tavení), zadává se do softwaru, který řídí činnost stroje.
Plazmové řezání: Plazmové řezání zahrnuje průchod vysokorychlostního proudu ionizovaného plynu (plazmy) tryskou, aby se kov roztavil a nafoukl. Je zvláště účinný pro řezání silných kovů a často se používá v průmyslu.
Rýže. 3. Plazmové řezání kovů
Řezání vodním paprskem: Technologie vodního paprsku využívá ke korozi kovu vysokotlaký proud vody smíchaný s abrazivními částicemi. Tato metoda je všestranná a může řezat širokou škálu materiálů včetně kovů, keramiky a kompozitů bez generování tepla.
Rýže. 4. Řezání kovů vodním paprskem
EDM: Používá elektrické výboje k odstranění materiálu z kovu. Mezi elektrodou a obrobkem vzniká řízená jiskra, která koroduje kov a vytváří požadovaný tvar. Často se používá pro složité tvary a tvrzené materiály.
Rýže. 5. Elektroerozivní obrábění kovů (EDM)
Kyslíko-palivové řezání: Kyslíko-palivové řezání je založeno na spalování topného plynu (jako je acetylen) a kyslíku za vzniku vysokoteplotního plamene, který taví a oxiduje kov. Tato metoda se běžně používá pro řezání silných kovů, zejména železných.
Volba metody závisí na faktorech, jako je materiál, požadovaná kvalita řezu, požadovaná rychlost a dostupnost zařízení.
Výhody řezání laserem
- Vysoká tepelná účinnost: Laserové řezání je tepelně účinnější, protože má malou topnou zónu a nedeformuje materiál;
- Rychlost zpracování: Řezání laserem je jedenapůlkrát rychlejší než jiné metody, což umožňuje urychlit zpracování dílů a zvýšit produktivitu;
- Hustota řezání: Laser umožňuje řezat více dílů na jeden list. Například při tloušťce plechu 25 mm může být vzdálenost mezi díly od 7 do 10 mm, což maximalizuje využití materiálu a zlepšuje celkovou účinnost;
- Kvalita řezu: Laserové řezací stroje produkují vysoce kvalitní hrany bez otřepů, otřepů nebo strusky a zanechávají čisté a přesné řezy;
- Úspora nákladů: Řezání laserem může vést k úsporám nákladů přibližně 20-30% ve srovnání s jinými metodami. Laserové řezání zvyšuje počet dílů zpracovaných na jednom listu, což snižuje vzdálenost mezi díly a šetří materiál;
- Všestrannost: Laserové řezání může zpracovávat širokou škálu kovů a slitin, jako je ocel do tloušťky 30 mm, slitiny hliníku do tloušťky 20 mm, měď do tloušťky 15 mm, mosaz do tloušťky 12 mm a nerezová ocel do 12 tloušťka mm;
- Schopnost pracovat s tenkými kovy: Laserové řezání může pracovat s velmi tenkými kovy o tloušťce 0,2 mm, aniž by došlo k poškození nebo deformaci;
- Vysoká řezná rychlost: Laserové řezací stroje mohou dosahovat řezné rychlosti až 60 m/h, což zajišťuje efektivní a rychlou výrobu;
- Minimální povrchová úprava po řezání: Laserem řezané díly často vyžadují malé nebo žádné dodatečné olepování, což snižuje potřebu dalších kroků a šetří čas a zdroje;
- Široká škála aplikací: Laserové řezání se používá v různých průmyslových odvětvích, včetně výroby, automobilového průmyslu, letectví, elektroniky, šperků a výroby.
Dusík se běžně používá jako pomocný plyn při procesu laserového řezání nerezové a galvanizované oceli. Tento plyn je přiváděn do pracovního prostoru pod vysokým tlakem, dosahujícím až dvaceti atmosfér.
Faktory ovlivňující kvalitu řezu
Kvalita řezání kovu laserem závisí na několika faktorech, včetně:
Typ a velikost dílu: Různé díly mohou mít různou úroveň složitosti, tloušťky a tepelné vodivosti, což může ovlivnit proces řezání a výslednou kvalitu.
Nastavení vybavení: Správná kalibrace a nastavení laserového řezacího zařízení, včetně výkonu laseru, zaostření a kvality paprsku, je zásadní pro výrobu přesných a kvalitních řezů.
Technický stav: Stroj CNC (Computer Numerical Control) používaný pro řezání laserem musí být v dobrém provozním stavu, se schopností přesného pohybu a polohy. Jakékoli mechanické problémy nebo nepřesnosti v provozu stroje mohou ovlivnit kvalitu řezu.
Kvalita rozložení: Design rozmístění řezaného dílu hraje důležitou roli v kvalitě finálního produktu. Mezi faktory, které je třeba vzít v úvahu při navrhování, patří vyloučení příliš ostrých rohů, zajištění dostatečného prostoru pro laserový paprsek a optimalizace řezné dráhy pro efektivní a přesné řezání.
Výkon laseru: Výkon zařízení ovlivňuje řeznou rychlost a schopnost zpracovávat různé materiály. Výkonnější lasery mohou efektivněji řezat silnější materiály.
Tloušťka a tepelná vodivost materiálu: Tyto hodnoty ovlivňují rychlost řezání a požadovaný výkon laseru. Tlustší nebo vysoce tepelně vodivé materiály mohou vyžadovat více energie nebo speciální techniky, jako je kyslíková laserová technologie nebo použití inertních plynů.
Pomocný plyn: K odstranění roztaveného nebo odpařeného kovu z oblasti řezání se používá pomocný plyn, jako je kyslík, dusík nebo stlačený vzduch. Typ a tlak pomocného plynu může ovlivnit kvalitu řezu, včetně faktorů, jako je drsnost hrany a tepelně ovlivněná zóna. Například kyslík se běžně používá pro řezání ocelí s vysokým obsahem uhlíku kvůli jeho silné tepelné reakci, zatímco dusík se používá pro nerezovou ocel, aby se zabránilo oxidaci a zachovala se vysoká kvalita.
Rýže. 6. Potřebný výkon laserového zařízení pro řezání kovů
Kovy, které jsou vhodné pro řezání
Seznam kovů, které lze řezat laserem:
- Uhlíková ocel;
- Nerezová ocel;
- Hliník;
- Titan;
- Pancéřování a žáruvzdorná ocel;
- Slitiny niklu;
- Drahé kovy (např. zlato, stříbro, platina).
Mějte na paměti, že zatímco měď a mosaz lze řezat laserem, mají vyšší odrazivost a tepelnou vodivost, což může vyžadovat speciální nastavení a vyšší výkon laseru pro optimální výsledky.
Zařízení pro řezání kovů laserem
Pevné lasery
Nejběžnější typ laserového zařízení používaného pro řezání kovů. Mají výkonový rozsah do 6 kW a pracují s pulzním nebo kontinuálním zářením. Osvětlovací modul obsahuje pevné pracovní médium a vysokovýkonnou plynovou výbojku. Pracovní kapalina může být vyrobena z rubínu, neodymového skla nebo CaF2 (fluorit vápenatý). Tato zařízení vytvářejí silné pulsy ve zlomku sekundy a poskytují účinné řezání kovu.
Plynové lasery
Plynové lasery jsou dalším typem zařízení používaného pro řezání kovů. Jejich výkon dosahuje 20 kW. V plynových laserech je pracovní tekutinou plyn, jako je dusík, kyslík nebo helium. Atomy plynu jsou excitovány elektrickým proudem a vytvářejí monochromatické a směrové laserové paprsky, které se používají k řezání kovu.
Plynové dynamické lasery
Plynové dynamické lasery jsou nejvýkonnějším typem laserového zařízení používaného pro řezání kovů. Jejich výkon přesahuje 100 kW. V těchto provozech je pracovním médiem oxid uhličitý (CO2). CO2 se velmi zahřívá a prochází trubicí, která je uprostřed velmi úzká. Při výstupu se rychle roztahuje, což má za následek chlazení a generování energie pro rychlé řezání kovů.
Tyto typy laserových zařízení nabízejí různé úrovně výkonu a možností pro řezání kovových obrobků. Výběr správného laserového zařízení závisí na faktorech, jako je požadovaná řezná rychlost, tloušťka a typ kovu a specifické požadavky aplikace.
Ze základního kurzu fyziky ve škole víte o silném tepelném účinku soustředěného světla. Poznávací trik s lupou názorně ukazuje možnosti lomeného proudu slunečního paprsku.
Principem fungování laseru může být jeho překlad z angličtiny: zesílení světla stimulovanou emisí. Zjednodušeně se jedná o světelné záření způsobené útokem fotonů na pracovní prostředí se zesílením v důsledku odezvy. Světelný tok systémem optických hranolů a zrcadel je soustředěn do úzkého paprsku pulzní nebo spojité modulace. Výkon a intenzita laseru závisí na použitém aktivátoru a složitosti rezonančních systémů.
Jako primární účinná látka se používají všechny možné stavy agregace: pevná látka, plyn, kapalina a plazma. Nejdůležitějším kritériem je schopnost excitovat a odrážet volné kvantové fotony. Primární lehké atomy jsou čerpány různými způsoby. Může se jednat o fokusované sluneční záření, speciální lampy, jiné lasery, elektrické efekty nebo chemické procesy. Pro zvýšení síly proudění se vyrábí víceúrovňové útočné kaskády. Rezonátory jsou založeny na planparalelních a sférických zrcadlech nebo jejich kombinacích. Hlavním parametrem dobrého přístroje je stabilní zachování světelného paprsku a jeho přesné zaostření.
První laser byl vyroben na ruby v roce 1960, pracoval v infračerveném rozsahu a byl začátkem éry lidských světelných asistentů. Historie vývoje aplikované kvantové vědy se ubírala cestou zesilování původních čerpacích systémů a zdokonalování optických dutin k dosažení výkonného a řízeného paprsku. Hledala se nová pracovní média, testovaly se barevné lasery, lasery s volnými elektrony, chemické modely a konstrukce polovodičů a start do života.
Průmyslové využití laseru
Laser je označován za nejbarevnější a jeden z nejdůležitějších vynálezů XNUMX. století. Dlouhá léta nikdo nepochopil jeho praktickou aplikaci, zařízení bylo nazýváno zařízením, které samo hledá problémy k řešení. Nyní laserová zařízení ošetřují lidi, zkoumají hvězdy a používají se pro rekreační aktivity.
Strojírenský průmysl již dlouho začal používat řezání kovů laserem. Průkopníky byly loděnice, letecké továrny a automobiloví giganti, kteří hledali pokročilé pracovní metody ke zvýšení produktivity. Rostoucí konkurence podnítila vznik inovativních obráběcích center se zásadně novými systémy pro ovlivňování pracovního postupu.
K dnešnímu dni v průmyslových podnicích laserové řezání kovu představuje následující typy instalací:
- pevné skupenství – na bázi krystalických drahokamů nebo sloučenin prvků vzácných zemin se k čerpání fotonů používají zábleskové lampy nebo laserové diody;
- plyn – jako aktivátory se používají směsi inertních plynů se zdrojem buzení ve formě elektrických výbojů nebo řízené chemické reakce;
- vlákno – aktivní médium a rezonátor jsou vyrobeny výhradně z optického vlákna nebo kombinované s jinými konstrukčními prvky.
Následující video představuje vláknový laserový stroj.
Pro práci s neželeznými kovy a vysoce reflexní antikorozní ocelí vyvinuly ústavy aplikovaného výzkumu speciální modely tradičních laserů s trubicovým rezonátorem z optických vláken. Světelný paprsek v takových instalacích je více soustředěný a koncentrovaný a nerozptyluje se na zrcadlovém povrchu hliníku, titanu nebo nerezových polotovarů.
Široce používané plynové CO₂ lasery pracují na pracovní směsi oxidu uhličitého, dusíku a helia, zrcadla rezonátorů jsou potažena stříbrným nebo zlatým naprašováním pro zvýšení odrazivosti.
Technologie laserového řezání kovů se neustále zdokonaluje: zkoušejí se nové typy instalací, systémy řízení procesů se stávají komplikovanějšími, pro řízení režimů zpracování se používají počítačové systémy. Hlavní důraz je kladen na zvýšení přesnosti, čistoty řezu a produktivity.
Vlastnosti technologického procesu
V důsledku vystavení světelnému paprsku prochází materiál obrobku několika přechodnými změnami, aby se stal obrobeným dílem:
- první fáze – dopad laseru na kov v místě začátku řezu způsobí zahřátí látky na teplotu tání a vznik smršťovací dutiny;
- druhý stupeň – energie záření vede k varu a odpařování kovu;
- třetí fáze – když je obrobek roztaven do plné hloubky, začíná translační pohyb pracovního tělesa v souladu s danou trajektorií.
Ve skutečnosti je proces odpařování kovu pozorován pouze u tenkých obrobků, při průměrné a velké tloušťce řezu se odstranění zbytků látek z pracovního prostoru provádí pomocí pomocného proudu plynu (dusík, kyslík, směs vzduchu nebo inertní plyny ).
Taková zařízení, jejichž provoz je prezentován na videu, se nazývají plynové laserové řezačky.
Aktivní kyslík přiváděný do zóny řezání nejen odstraňuje produkty tavení kovu a ochlazuje řezaný povrch, ale také pomáhá udržovat teplotu a urychluje režimy zpracování. Při řezání laserem nedochází k deformaci obrobku, proto nevznikají žádné materiálové náklady na přídavek lineárních rozměrů a nutnost dodatečných dokončovacích operací.
Jsou uvedeny srovnávací charakteristiky řezání laserem a plazmou
Moderní laserové systémy
Globální průmysl obráběcích strojů drží krok s dobou a nabízí svým zákazníkům nejrozmanitější zařízení pro laserové řezání kovů. Víceosé stroje jsou navrženy tak, aby nahradily hlučné a málo výkonné mechanické řezačky. Výkon laseru závisí na specifikách výroby a ekonomické opodstatněnosti zvolené jednotky.
Nová generace přesných CNC obráběcích strojů umožňuje zpracování materiálů s přesností až 0,005 mm. Zpracovací plocha některých modelů laserových systémů dosahuje několika metrů čtverečních. Velkou výhodou je minimalizace lidského faktoru, která spočívá ve vysoké automatizaci výrobního procesu.
Geometrie součásti je specifikována v softwarovém bloku, který ovládá laser a pracovní stůl s obrobkem. Systémy nastavení zaostření automaticky vyberou optimální vzdálenost pro efektivní řezání. Speciální výměníky tepla regulují teplotu laserového systému a poskytují operátorovi kontrolní data o aktuálním stavu nástroje.
Laserový stroj je vybaven ventilovými mechanismy pro připojení plynového balonového zařízení za účelem zajištění přívodu pomocných plynů do pracovního prostoru. Systém odtahu kouře je navržen tak, aby optimalizoval náklady na odsávání, včetně toho přímo v době zpracování. Zpracovací prostor je pro bezpečnost obsluhujícího personálu kompletně chráněn ochranným krytem.
Laserové řezání plechu na moderních zařízeních se promění ve snadný proces nastavení číselných parametrů a získání hotového dílu na výstupu. Produktivita zařízení přímo závisí na parametrech komplexu stroje a kvalifikaci operátora, který vytváří programový kód. Technologie laserového řezání kovů harmonicky zapadá do konceptu robotické výroby, určené k úplnému osvobození člověka od těžké práce.
Výrobci nabízejí různé typy laserových strojů: univerzální i specializované. Náklady na první jsou o řád vyšší, ale umožňují provádět několik operací a vyrábět díly složitějšího tvaru. Velké množství tržních nabídek poskytuje výběr pro zainteresované spotřebitele.
Výhody a nevýhody
Specialisté strojírenských podniků chápou vyhlídky použití této technologie k získání přesných dílů s dobrou drsností. Rozsah je široký: od jednoduchého řezání plechu až po získání složitých dílů karoserie. Zjevné výhody laserového řezání kovů spočívají v několika shrnujících aspektech:
- vysoká kvalita zpracovaného povrchu;
- úspora materiálu;
- schopnost pracovat s křehkými materiály a tenkými obrobky;
- možnost získání dílů složité konfigurace.
Mezi mínusy: vysoké náklady na vybavení a spotřební materiál.
Laserové řezání oceli a neželezných kovů je na trhu velmi žádané. Schopnost rychle vyrábět hotové díly nestandardního tvaru přitahuje zákazníky malých sérií různých výrobků do specializovaných podniků. Laserové technologie se aktivně používají v dekorativním umění při výrobě designových šperků a originálních suvenýrů.
Rozhodnutí o použití laserového zpracování by mělo být učiněno s přihlédnutím k výpočtu návratnosti zařízení a velikosti provozních nákladů. V současnosti si takové instalace mohou dovolit především velké podniky s dlouhým výrobním cyklem. S rozvojem technologií budou klesat náklady na stroje a množství spotřebované energie, proto laserová zařízení v budoucnu vytlačí své konkurenty z oblasti řezání jakýchkoli materiálů.
