Лазеры для обработки материалов

Механизм лазерной резки прост и может быть суммирован следующим образом:

1. Лазерный луч генерируется лазером.
2. Проходя через головку для лазерной резки, луч фокусируется и падает на поверхность металла соосно струе сжатого газа.
3. Сфокусированный лазерный луч нагревает материал до температуры плавления в локальной зоне (обычно размером 0,1 – 1мм диаметром).
4. Расплавленный материал удаляется из зоны реза попутным сжатым газом.
5. Перемещая головку по поверхности листа, получает детали и декоративные изделия.

Лазерная резка обладает рядом преимуществ:

• Процесс резки производится на более высоких скоростях, по сравнению с другими способами резки.
• В большинстве случаев вырезанные изделия могут эксплуатироваться сразу же после резки без операции очистки.
• Ширина реза составляет обычно 0,1-1,0 мм
• Процесс резки полностью автоматизирован.
• Несмотря на то, что лазерная резка это тепловой процесс, фактическая площадь нагрева мала и большая часть нагретого материала удаляется газовой струёй. Таким образом, зона термического влияния сведена к минимуму, и тепловых напряжений конструкции удается избежать.
• Лазерная резка является бесконтактным способом резки, благодаря чему расходы на инструмент остаются минимальными. Во время резки отсутствует механическое усилие на материал.
• Несмотря на значительные капитальные затраты на оборудование, эксплуатационные расходы низкие, при условии полной загрузке  борудования (40 часов в неделю) окупаемость станка составляет в среднем около года.
• Процесс лазерной резки очень тихий по сравнению с конкурирующими методами, что улучшает комфорт работы операторов со станком.

Согласно теоретическим и практическим представлениям при лазерной резке материалов присутствуют три механизма:

1. Плавление
2. Испарение
3. Химическая реакция

При лазерной резке низкоуглеродистых сталей с кислородом присутствуют два механизма: плавление и химическая реакция. Кислород вступает в химическую реакцию с железом и выделяет тепло, в результате  эффективность процесса резки возрастает.

При резке неметаллов, как правило, присутствует один механизм резки – испарение, который по своим режимам значительно отличается от двух предыдущих и считается более простым.

Большинство металлов могут раскраиваться лазером, хотя для каждого сплава присутствуют свои ограничения по максимальной толщине листа. Физические свойства материалов: теплопроводность, теплоёмкость, коэффициент поглощения лазерного излучения, температура плавления определяют глубину лазерной резки и т.д.

По сравнению с газовыми лазерами, волоконные лазеры имеют ряд преимуществ:

1. Отсутствие движущихся частей и зеркал в устройстве лазера, в отличие от обычного СО2 резонатора или дискового лазера. Что дает возможность снизить требования к техническому обслуживанию и расходы.
2. Больший электрический КПД, в результате чего снижаются эксплуатационные расходы.
3. Высокие скорости резки тонколистового материала, по сравнению с аналогичными СО2-лазерами, благодаря меньшей длине волны.
4. Возможность резки светоотражающие материалы без появления эффекта обратного отражения. Это позволяет обрабатывать такие материалы как медь, латунь, алюминий.
5. Интервалы между техническим обслуживанием на 50% меньше, что также снижает затраты.
6. Для работы волоконного лазера не требуются газовые смеси.
7. Излучение подается по транспортному волокну, что полностью исключает такую операцию как юстировка оптического трека.

Ранее считалось, что лазерную резку толщин более 6- 8 мм лучше выполнять СО2-лазерами из за более высокого качества кромок и большей производительности, тогда как волоконные лазеры лучше применять для тонких листов из за большей производительности. Однако, последние исследовательские работы в ООО ООО «ВПГ Лазеруан» показывают, что волоконные лазеры способны резать с высоким качеством толщины до 30 мм с качеством кромок и производительностью не уступающих качеству реза газовыми лазерами.

Волоконные лазеры позволяют легко управлять уровнем мощности излучения за счет динамической регулировки. Применяя различные оптические конфигурации можно обеспечить широкий диапазон размеров пятна. Эти возможности позволяют пользователю подобрать подходящую плотность мощности для резки разных материалов и толщин. Волоконные лазеры производства компании VPG представляют собой идеальное решение многих задач лазерной резки.

Сварка плавлением является наиболее универсальным способом соединения деталей, применяемых в изготовлении изделий во всех областях промышленности. Волоконный лазер это современный и надежный концентрированный источник тепла.

Лазерная сварка осуществляется сконцентрированным лазерным лучом, который имеет высокую плотность мощности (более 1МВт/см2), при этом размер фокусного пятна варьируется от 0,1 до 1 мм. Это дает возможность осуществлять сварку с глубоким проплавлением пропорционально количеству вкладываемой энергии (от 0,1 до 30 мм). При этом скорость сварки обычно превышает в несколько раз скорость сварки дуговой и плазменной сварки.

Лазерная сварка является универсальным процессом, способным сваривать углеродистые, низколегированные, высокопрочные, нержавеющие стали, сплавы алюминия и титана, пластмассы, а также различные разнородные материалы. Сварка обычно осуществляется в защитной газовой среде: аргона (Ar), гелия (He) и иногда азоте (N2), или различных смесей газов.
Качество сварных соединений выполненных лазерной сваркой является высоким и близким по своим физико-механическим свойствам основного материала. Лазерная сварка легко встраивается в производственные линии и может быть полностью автоматизирована.

Существуют различные виды лазерных сварных соединений: стыковой, внахлест, тавровый, торцевой, угловой. Обычно лазерная сварка осуществляется без разделки кромок за один проход.

При воздействии мощного сконцентрированного лазерного излучения на металл возникает эффект парогазового канала (keyhole). Считается, что парогазовый канал возникает под воздействием давления паров металла. Поглощение излучения в канале протекает не только за счет падения излучения на переднюю стенку канала, но и за счет плазменных процессов. Парогазовый канал является своеобразной оптической ловушкой для  лазерного излучения, излучение в котором за счет переотражения движется как по оптическому кабель каналу проникая глубже в металл. Благодаря феномену парогазового канала сварной шов имеет «кинжальную» форму проплавления.

К преимуществам лазерной сварки относится:

• Высокая скорость сварки (1-10 м/мин).
• Сварка за один проход без разделки кромок («кинжальность» проплавления).
• Минимальные термические поводки изделия.
• Минимальная зона термического влияния.
• Возможность сварки широкого спектра материалов.
• Гибкость процесса.
• Возможность автоматизация.
• Экономия электроэнергии и присадки.
• Комфортные условия труда, чистота

Присутствуют также и недостатки:

• Повышенные требования к сборке.
• Жесткость термических циклов нагрева и охлаждения.
• Сложность подбора технологических режимов.

На сегодняшний день помимо обычной лазерной сварки различают другие виды лазерной сварки:

• гибридная сварка: с одновременным воздействием двух источников тепла: лазер+дуга, лазер+плазма; лазер+ТВЧ
• комбинированная: с последующим воздействием двух и более источников тепла: лазер и дуга, лазер и свет, лазер и плазма и т.д.
• «клещевая» сварка: замена контактной сварки
• «роллерная» сварка: осуществляется с одновременным поджимом роликом внахлест
• удаленная сварка: сварка на воздухе с расстояния более 1 м.
• многолучевая: использование двух и более лазерных источников в одной сварочной ванне.
• микросварка: сварка импульсными маломощными лазерами глубиной до 1 мм

Все эти виды лазерной сварки представляют широкие технологические возможности, благодаря которым конструктора могут создавать новые виды конструкций, которые ранее было изготовить крайне сложно или вовсе невозможно.

Теоретические сведения

Лазерное излучение обеспечивает уникальные возможности для обработки различных материалов. Большинство материалов, в частности металлов и сплавов способны с высоким коэффициентом поглощать лазерное излучение. В зависимости от времени воздействия возникают различные термические циклы, которые позволяют получать различные физические явления, основывающиеся на быстром нагреве и охлаждении.

В большинстве случаев быстрое затвердевание разогретого металла вызывает отличные от основного материала структуры. На этом принципе построена такая технология модификации поверхности как лазерная закалка.

Разогрев металла до жидкого состояния и добавление присадочного материала позволяет наращивать тонкий поверхностный слой, который называется «плакированным».

Существуют два различных способов лазерной наплавки.

1. Двухступенчатый процесс: наплавляемый материал предварительно наносится на поверхность, которая затем сплавляется лазерным излучением.
2. Одноступенчатый процесс: присадочный материал подают в жидкую ванну расплава. Присадочный материал может быть в виде пасты, проволоки, ленты и порошка. Способ подачи может быть боковым и аксиальным.

Для лазерной наплавки используют те же наплавочные материалы (присадки), что и для традиционных методов. Порошковые материалы применяют чаще других, благодаря некоторым преимуществам. Они обладают большим коэффициентом поглощения лазерного излучения благодаря разветвлённой поверхности и многократному отражения луча от отдельных частиц, что позволяет в 1,5 раза снизить энергию необходимую для оплавления.

Использование порошков позволяет регулировать химический состав наплавляемого слоя, а также доставлять порошок в труднодоступные места простыми способами, что имеет значение при обработки деталей сложной формы.

В настоящее время широкое применение в лазерной наплавки нашли порошки на основе никеля, кобальта и железа. В зависимости от задач заказчика возможно получать различные по свойствам поверхности.

Лазерная наплавка имеет множество преимуществ по сравнению с обычными процессами нанесения покрытий, таких как дуговая сварка и плазменное напыление:

1. возможность формирования наплавленного слоя с малым коэффициентом перемешивания;
2. минимальное термическое воздействие на основной металл;
3. незначительные остаточные деформации наплавленных деталей;
4. возможность наплавки малых поверхностей, соизмеримых с диаметром пятна нагрева;
5. повышенные свойства наплавленных слоев;
6. улучшенная управляемость процессом;
7. сокращается время на последующую обработку.

Теоретические сведения

Компания VPG Photonics выпускает наиболее современные комплексы для маркировки, которые основаны на волоконных лазерах. Сами же волоконные лазеры являются более перспективными среди прочих, так как обладают следующими отличительными качествами:

1. Высокая стабильность излучения – нет необходимости постоянно подстраивать установку для оптимальной работы;
2. Способность работать в промышленных условиях и отсутствие расходных материалов, в отличие от газовых лазеров;
3. Работоспособность составляет не менее 100 000 часов непрерывной работы лазерного излучения.
4. Не большие габариты позволяют расположить эти установки в более удобном месте.

Рассмотрим, в чем же заключается, сам принцип работы лазерной маркировки:

Лазерная маркировка – это процесс изменения поверхности маркируемого материала с помощью лазерного излучения. Обычно используют мощные коротко импульсные лазеры для оплавления области воздействия материала, вследствие чего изменяются структура поверхности материала в месте воздействия лазерного излучения.

Лазерная гравировка – это процесс послойного испарения материала с поверхности с помощью лазерного излучения. При этой технологии применяются режимы при которых не допускается проплав поверхности, т.е. вся энергия в импульсе полностью поглощается верхним слоем материала и не проходит в нижние слои.

Лазерная цветная маркировка – это процесс создания побежалости на поверхность материала при воздействии лазерного излучения, вследствие чего изменяются оптико-физические свойства и обработанная поверхность приобретает определенный цвет илиоттенок.

Сам процесс маркировки может занимать от долей секунд до нескольких минут, в зависимости от размера и плотности изображения, например, для нанесения поверхностной маркировки изображения 10 Х 10 см2 уйдет около нескольких секунд. Таким образом, нанесенное изображение невозможно стереть и оно долговечно в отличие от других способов маркировки.

Другие преимущества заключаются в гибкости сверления почти любого материала, способности одновременно изменять размер отверстий, форму и угол наклона, низкое тепловложение в основной материал и точное повторение размеров отверстий. Кроме того, лазер может просверливать отверстия небольших диаметров, что невозможно при использовании обычной технологии сверления. Волоконно-лазерная технология позволяет просверливать отверстия на площади до 10 мкм.

Традиционные технологии, используемые в сверлении, — это ударное сверление отверстий и кольцевое сверление. Ударное сверление — это процесс, где множественные импульсы используются для сверления отверстия для достижения желаемого результата. Оперативное сверление — это несколько ударных операций сверления, когда запрограммированная для обработки поверхность перемещается с большой скоростью относительно лазерного луча, и лазер постоянно генерирует импульсы для создания отверстий. Кольцевое сверление — это процесс, позволяющий вырезать отверстия с большим диаметром или сложной конусной формой. Конусность отверстий можно точно контролировать в процессе кольцевого сверления. Лазеры можно легко переключить со сверления конусных отверстий на ударное оперативное сверление для создания множества отверстий разного диаметра в одной заготовке.

Преимущества лазерного сверления были признаны много лет назад и в аэрокосмической промышленности. Сегодня волоконные лазеры квазинепрерывного действия быстро вытесняют старые технологии, базирующиеся на использовании классических твердотельных лазеров в сверлении больших отверстий (0,2–1 мм). Такие отверстия можно делать в многочисленных аэрокосмических элементах, например в сопловом направляющем аппарате, лопастях, охлаждающих кольцах и камерах сгорания. Квазинепрерывные волоконные лазеры обладают уникальной комбинацией высокой пиковой мощности и высокой импульсной энергией, что делает их идеальными для использований, когда требуются импульсы в пределах миллисекунды. Гибкие квазинепрерывные волоконные лазеры можно также быстро перенастроить на непрерывную работу для резки больших деталей.

В микроэлектронике применяется лазерное сверление для многих целей, например для сверления алюминиево-керамических оснований. Для сверления отверстий с малым диаметром (менее 10 мкм) требуется высокая скорость до несколько тысяч отверстий в секунду. В этом случае волоконные лазеры с высокой пиковой мощностью и лазерным затвором или волоконные лазеры с быстрым изменением импульсов используются с частотой повторения импульсов до 1 МГц и длиной импульса менее 1,5 нс.