Лазерная резка

Большое распространение получает ла­зерная резка, которая обеспечивает малую зону нагрева (0,1...0,2 мм), незначитель­ные ширину реза (0,2...0,8 мм), шерохо­ватость (Rz 20...35 мкм) и практически не окисленные кромки.

По сравнению с механическими мето­дами лазерное разделение обеспечивает высокую производительность при раскрое материала как по простому, так и по слож­ному контуру, причем при этом не проис­ходит изнашивание инструмента, присущее механическим методам разделения. По сравнению с физико-химическим разделе­нием (ацетилено–кислородная, плазменная резки) применение лазерного излучения обеспечивает более высокие точность и чистоту реза, т.е. исключает необходимость дополнительной механической об­работки.

Применение лазерного излучения впервые создало реальные условия для обеспече­ния процесса термического разделения любых материалов – как металлов, так и неметаллов.

Лазерные способы разделения мате­риалов можно разделить на три группы:

- резку,

- термораскалывание и

- скрайбирование.

Процессы частичного удаления мате­риалов, например, прошивка отверстий, являются частными случаями резки.

Лазерная резка материалов может быть основана на различных процессах, а имен­но: испарении материала, плавлении с удалением расплава из зоны обработки - и на химических реакциях, например, горе­нии или термодеструкции.

При лазерной резке в режиме испаре­ния материал нагревается до температуры кипения, а его удаление происходит под давлением, возникающим в парокапельной фазе. Этот способ отличается наи­большими удельными энергозатратами, но эффективен при разделении неметаллов, а также металлических материалов малых толщин. Его осуществляют в основном с помощью твердотельных импульсных ла­зеров. Например, при разделении трудно­обрабатываемых материалов, таких как алюминий, керамика, композитные мате­риалы, применение твердотельного лазера существенно повышает эффективность по сравнению с резкой этих материалов в режиме плавления и удаления расплава мощностью до 5 кВт.

Резку в режиме плавления материала и удаления расплава осуществляют с исполь­зованием вспомогательного газа (в основ­ном кислорода) и называют газолазерной резкой (ГЛР).

Применение в качестве вспомогательного газа кислорода позволя­ет решить несколько задач.

Во-первых, воздействие кислорода способствует обра­зованию на поверхности обрабатываемых материалов оксидных пленок, снижающих отражательную способность поверхности.

Во-вторых, многие металлы, такие как мало- и среднеуглеродистые стали, титан и его сплавы, могут воспламеняться и го­реть в среде кислорода при температуре поверхности ниже точки плавления, а не­которые неметаллы (пластики, минералы) в газовых средах при нагревании могут претерпевать необратимые изменения хи­мического состава, приводящие к разви­тию экзотермических реакций. Это спо­собствует выделению дополнительной тепловой энергии, что приводит к воз­можности применения менее мощных ла­зеров и, соответственно, к снижению стоимости обработки.

В-третьих, газовая струя просто удаляет расплав из зоны рез­ки.

В качестве вспомогательного газа можно использовать воздух. Применение воздуха характерно для процессов резки большинства неметаллов, металлов и сплавов с малым тепловым эффектом ре­акции горения, а также для тех, у которых при взаимодействии с кислородом образу­ется тугоплавкий оксид, например, высо­коуглеродистых и легированных сталей, меди, алюминия. Газ подают в зону резки под высоким давлением через специаль­ное сопло коаксиально с лазерным излу­чением.

Для ГЛР используют как непрерывные, так и импульсно-периодические лазеры. В зави­симости от физических свойств материалов и скорости обработки требуемые плотности мощности излучения в зоне лазерного воз­действия составляют для неметаллов и для металлов.

При лазерной резке материалов со­стояние поляризации излучения играет существенную роль, что связано с зависи­мостью коэффициента отражения от этого параметра. Для получения качественного реза необходимо использовать плоскополяризованное излучение, плоскость поля­ризации которого параллельна направле­нию резки. Тогда достигаются параллель­ность кромок и их перпендикулярность к поверхности обработки при минимальной ширине реза.

Это требование легко осуще­ствляется при прямолинейном разделении в одном заданном направлении. При резке по сложному контуру целесообразно при­менять циркулярно-поляризованное или неполяризованное излучение, поскольку в этих случаях обеспечивается одинаковое качество резки в различных направлениях. Для этой цели используют также плоско-поляризованное излучение совместно с устройством, представляющим собой спе­циальную систему зеркал, вращающих плоскость поляризации излучения в зави­симости от направления резки.

С помощью лазерной резки металлов изготовляют мозаичные и декоративные панно (облицовка мебели), детали турбин (промежуточные кольца, диафрагмы), трубопроводы двигателей внутреннего сгорания, шаблоны и сепараторы, пуансо­ны и матрицы, дисковые пилы; раскраи­вают листовой материал в самолето-, судо- и автомобилестроении и других производствах. Особенно целесообразно применение лазерной резки в единичном и мелкосерийном производствах, например, для вырезки уже в отштампованных и свальцованных обечайках отверстий или проемов под иллюминаторы.

Для обработки металлов чаще всего применяют твердотельные лазеры, так как их излучение лучше поглощается метал­лическими поверхностями.

Для обработки неметаллических материалов, например изготовления декоративных деревянных изделий (мебель, паркет и т.п.), раскроя пачек ткани, бумаги, картона, листовой резины, пластиков, асбоцемента и др. ча­ще всего применяют .

Полу­проводники обрабатывают твердотельны­ми лазерами, так как эти материалы обла­дают невысокой поглощающей способно­стью излучения , но не вслед­ствие высокого отражения, а из-за про­зрачности для длины волны 10,6 мкм.

При нагреве некоторых хрупких мате­риалов (керамика, ситалл, стекло и др.) лазерным излучением в их объеме возни­кают значительные напряжения, обусловленные наличием высокого температурно­го градиента. При превышении этими на­пряжениями предела прочности в мате­риале возникают трещины, которые при перемещении лазерного луча по поверх­ности материала следуют за ним с некото­рым запаздыванием. Происходит процесс разделения, называемый термораскалы­ванием.

Если процесс трещинообразования отстает от процесса нагрева на опре­деленную, заданную величину (время или расстояние), то говорят об управляемом термораскалывании. Соблюдение строго определенного отставания трещин от ла­зерного луча важно для обеспечения вы­сокой точности и качества при разделении по сложному контуру. Этого добиваются регулированием скорости перемещения луча в зависимости от геометрической формы обрабатываемой заготовки. Термо­раскалыванию подвергают хрупкие мате­риалы в виде листов или труб.

Для повышения эффективности про­цесса термораскалывания часто применя­ют дополнительную асимметричную ме­ханическую нагрузку на обрабатываемый образец, способствующую его дальней­шему расколу, а также воздействуют на разделяемую поверхность двумя лазерны­ми пучками с противоположных сторон (сверху и снизу).

Процесс скрайбирования занимает про­межуточное положение между резкой и термораскалыванием. Его применяют для разделения полупроводниковых, керамиче­ских и ситалловых подложек на отдельные элементы. Он заключается в нанесении лазерным излучением на поверхность ма­териала дорожек или трещин глубиной 25...350 мкм и последующем разламыва­нии материала механическим воздействи­ем. Для реализации этого метода применя­ют импульсные твердотельные (обработка полупроводников) или (обра­ботка керамики, стекла) средней мощно­стью 2...25 Вт.

Лазерная резка – очень высокопроиз­водительный процесс, позволяющий по­лучать резы различной конфигурации как при отрезке заготовок, так и при вырезке их по замкнутому контуру. Современные лазерные установки для резки снабжены системами перемещения заготовок с ЧПУ или управляемыми ЭВМ.