Лазерная техника широко применяется практически во всех сферах нашей жизни, например в таких, как медицина, военная промышленность, связь, информационные технологии и многое другое. Подобную частоту использования мы можем увидеть лишь у компьютерной техники. Благодаря лазерной обработке материалов, мы можем использовать такие технологические операции, как сварку, гравировку, маркировку, резку и раскрой листа и многие другие.
Частое использование лазерной технологии обработки обуславливается её высокой производительностью и точностью, а также отличной экономией энергии и материалов, а также делает возможным использование труднообрабатываемых материалов, что позволяет нам повысить технологическую безопасность предприятий. За счёт грамотного использования лазерных технологий, мы также увеличиваем и прибыль, получая примерно 8-10 рублей при одном затраченном рубле.
Глядя на данные Лазерной ассоциации, мы можем видеть, что на наших отечественных предприятиях выпускаются практически все виды лазерной техники, но, не смотря на широкий ассортимент, к большому сожалению, очень маленький процент из них соответствует мировому техническому уровню, примерно 5-10%, а также многие из них остаются лишь опытными образцами.
При проведении Лазерной ассоциацией опроса среди машиностроительных предприятий в семи регионах России, таких как Владимир, Москва, Санкт-Петербург, Самара, Новосибирск, Нижний Новгород и Киров, мы узнаём, что примерно 50% прошедших данное анкетирование нуждаются в новом лазерном оборудовании. В большей степени компании нуждались в технологических установках для раскроя и резки листа, таких выявился 21%, далее идут установки для маркировки и гравировки - 16%, а также для лазерной сварки - 14%, и поверхностного упрочнения - 12%. Большое количество опрошенных предприятий готовы на создание заводских лазерных участков, вкладывая собственные средства, но не обладают необходимым количеством средств, чтобы делать это самостоятельно.
Для рассмотрения всех существующих технологических операций лазерной обработки и оборудования понадобится больший объём, чем можно уместить в одной публикации, но постараемся отобразить тут самое основное. Начнём с рассмотрения лазерной резки.
Резка материалов
Для обеспечения высокой производительности в промышленности используется плазменная резка и ацетиленокислородная резка, которая основывается на электрофизическом, электрохимическом и физико-химическом воздействиях. Но, не смотря на хорошую производительность, они уступают по точности и чистоте поверхности реза механическим методам. Хорошим решением этого недостатка, после использования этих методов, воспользоваться также механической обработкой. Также, одним из методов с низкой производительностью, но высоким качеством реза, является электроэрозионная резка.
Для того, чтобы разрезать любые металлы и сплавы, идеально подходит сфокусированное лазерное излучение, которое игнорирует теплофизические свойства материала. А также, благодаря отсутствию механического воздействия на обрабатываемый материал, деформация получается совсем незначительной. За счёт этих свойств лазерной резки, мы можем выполнять резку даже легкодеформируемых и нежестких деталей с высокой точностью. Не стоит забывать, что при всём этом также возрастает и производительность процесса, а качество остаётся высоким настолько, что мы даже сумеем нарезать резьбу в полученных отверстиях.
Лазеры
Лазер - это основа любой лазерной установки. В промышленных масштабах используются некоторые типы лазеров, например твердотельные. Основой этих лазеров служит алюмоиттриевый гранат. При использовании этого лазера, накачка активного элемента производится непрерывными или импульсными разрядными лампами. А также непрерывным или импульсным будет и режим генерации соответственно, но ещё имеется режим гигантского импульса называющийся Q-switch. Длина волны у такого лазера равна 1 мкм.
Одним из самых современных - лазер с диодной начинкой. Он характерен отсутствием высоковольтной газоразрядной лампой, вместо этого накачка происходит за счёт мощных светоизлучающих диодов. Главным минусом таких лазеров является их цена, но это компенсируется отсутствием высоких напряжений, поскольку их ресурс намного выше, чем у газоразрядной лампы, а также они намного лучше управляются от электронных систем.
Следующий вид это газовые лазеры СО2 на основе смеси газов СО2-Не-N2 и длиной волны 10 мкм. Эффективность данного вида сильно зависит от состава, например щелевые лазеры, которые обладают максимальной компактностью и эффективностью, поскольку накачаны высокочастотным разрядом. Мы достигаем высокого качества резки не только стали и титана, но и алюминиевых сплавов.
СО2 - лазер хорошо справляется с задачей резки всех металлов и неметаллов, кроме тех, что обладают сложной структурой, например: ДСП, граниты или же бакелитовые фанеры. Но, если вы захотите резать с его помощью металлы, то вам потребуется более 500 Вт, а если цветные металлы, то 1000 Вт и выше.
Для достижения лучшей эффективности тут прекрасно подойдут те самые щелевые СО2 - лазеры, благодаря тому, что они смогут обеспечить суперимпульсный режим излучения, что является его главным отличием от других СО2 - систем. В этом режиме поток, состоящий из импульсов с частотой 10-20 кГц, уменьшит ширину реза, а также улучшит качество реза. Средняя мощность в таком импульсе будет составлять 1000-1500 Вт.
Газовые лазеры намного лучше показывают себя в резке неметаллических материалов, но проигрывают твердотельным в резке металлических. Благодаря тому, что длина волны у твердотельных меньше и отражается намного хуже. Но, поскольку сделать СО2- лазер намного проще и дешевле, выбор чаще падает на него.
Технология
На сегодняшний день практически все машины с одинаковым набором опций, основными параметрами и качеством находятся в одной ценовой категории. За счёт того, что все новые системы лазерной резки поступают на российский рынок от таких производителей, как Bystronic (Швейцария), Trumpf (Германия), Mazak (Япония), Prima Industrie (Италия) и очень похожи, мы имеем возможность остановиться на их общих свойствах и характеристиках. Это позволит нам наблюдать все тенденции в развитии лазерных технологий и структурировать основные признаки современных лазерных комплексов для резки.
Технологии лазерной резки очень сильно изменились за последние 20 лет. Основным усовершенствованием является увеличение толщины разрезаемых материалов, а также ускорение этого процесса. Современные крупные установки для лазерной резки позволяют нам разрезать листы толщиной вплоть до 25 мм, благодаря тому, что они оснащаются СО2 - лазерами с мощностью до 6 кВт, хотя зачастую всего до 4 кВт. В некоторых случаях применяется азот, который закачивается под высоким давлением, если приходится резать пластины из коррозионностойкой стали с толщиной до 12 мм.
Скорость резки лазерных установок также не стоит на месте. Новейшие из них справляются с оцинкованной листовой низкоуглеродистой сталью толщиной 2 мм со скоростью свыше 20м/ мин., когда более старые установки ту же сталь, но толщиной всего лишь 1.63 мм разрезают со скоростью примерно равной 12.7 м/ мин. А также скорость перемещения рабочих органов самой установки была увеличена до 100м/мин, что позволяет этой машине создавать вплоть до 3-4 отверстий в секунду.
Автоматизация самого процесса также развивается и применяется на большей части современных лазерных установок. Чаще всего автоматизация касается загрузки крупных листов, например загрузочно-разгрузочных систем или башенных накопителей, служащих для сортировки материалов по их типу и толщине. Управление такими установками осуществляется от ЧПУ, а также на базе персональных компьютеров.
Установка для лазерной резки состоит из таких компонентов: стол, который служит для размещения на нём листовых заготовок, подвижный элемент с режущей головкой и УЧПУ, чтобы управлять перемещением головки вдоль заготовки. Иногда для резки небольших деталей некоторые установки оснащаются двумя головками, но для крупных деталей или тех, что требуют особой точности, такая компоновка не подходит.
Новые лазерные установки также оснащаются подвижными лазерными лучами, что позволяет осуществлять программируемые резы на неподвижном разрезаемом материале. Система подачи луча в таком случае направляет его по осям X и Y, благодаря тому, что сам лазер располагается на раме установки или рядом с ним. Такие установки предназначены для обработки заготовок небольшого размера и часто оснащаются сразу двумя спутниками. По окончанию резки, чтобы снять отрезанную заготовку, спутник меняется местом со столом. Так происходит, чтобы производительность установки была максимальной, поскольку именно так мы получаем максимальное время использования лазерного луча. Существуют также и установки комбинированного типа, в которых стол перемещается по оси Х, а сама головка лазера по оси Y, но такие установки значительно проигрывают в производительности.
Для увеличения производительности лазерной резки часто прибегают к методу летающей прошивки, когда обрабатывается холоднокатаная сталь толщиной до 2 мм, чтобы достичь до 4 отверстий в секунду. А также метод силовой прошивки, когда мы обрабатываем горячекатаную сталь, которая является более толстой, чтобы получать одно отверстие за 2 секунды. Благодаря этим методам мы увеличиваем производительность лазерной резки до уровня вырубных прессов с ЧПУ.
Характеристика полученного реза: отсутствие окалина, круглые и чистые отверстия, ширина реза примерно 0,2-0,375мм, незаметные прижоги, маленькое тепловое воздействие, возможность получения мелких деталей и возможность резки неметаллических материалов.
Оборудование
Вышеперечисленные характеристики присущи, в той или иной степени, всем новейшим импортным установкам. Характерным признаком комплексов TRUMATIC L 3030-L 4030-L 6030 фирмы Trumpf, PLATINO 1530-2040 фирмы Prima Industrie, BYSPRINT фирмы Bystronic является соединение точного машиностроения с современной лазерной и управляющей техникой.
Все озвученные в этом тексте образцы обладают отличной производительностью, хорошей точностью, автоматизацией, просты в обслуживании и т.д. Но все они обладают одним минусом, который делает их использование невозможным для большинства - это их цена. В среднем стоимость такой машины превышает 500000 долларов, а цена установки отечественного производства 200000 долларов. Поэтому, приобретая подобное оборудование, необходимо возвращаться к выполняемой задаче. Если вам необходим нарезать тысячи одинаковых деталей, тогда такая установка очень быстро окупиться, но если вы планируете резать малое количество деталей разной формы, то покупка такого дорогостоящего оборудования не оправдана.
