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.
Řezání laserem je jedním z nejprogresivnějších způsobů řezání plechů v široké škále typů konstrukčních kovů a slitin. Vysoká přesnost a rychlost zpracování, přijatelná kvalita řezné hrany, možnost ovládání pomocí CNC a práce s nejsložitějšími konfiguracemi řezu jsou hlavní přednosti řezání kovů na moderních laserových řezacích strojích. Tato technologie zpracování kovů má však i některé nevýhody.
Co je řezání laserem?
Vysokoenergetický laserový paprsek je soustředěný proud světla, úzce směrovaný přes několik optických hranolů, čoček a zrcadel, který přenáší velké množství energie schopné roztavit kov v místě kontaktu s obrobkem. Právě kvůli malé ploše průřezu má laserový paprsek nejmenší bod dotyku, a tedy nízkou míru plýtvání při řezání kovu.
Malá kontaktní plocha umožňuje provádět komplexní řezání na laserovém stroji s tvarovanou trajektorií pohybu laseru po plechu s minimální vzdáleností mezi dvěma sousedními liniemi řezu.
Сферы применения
- Strojírenství, výroba letadel a lodí.
- Stavba přístrojů a obráběcích strojů.
- Výroba stavebních konstrukcí a dekoračního kování. Výroba kovového laboratorního a průmyslového nábytku.
- Opravy strojů a průmyslových zařízení.
Princip
Princip řezání laserem je poměrně jednoduchý a spočívá v přímém tavení kovu vysokoenergetickým laserem v místě kontaktu. Při zahřátí na bod tání přechází materiál nejprve do kapalné fáze a poté se zcela odpaří. Zároveň zůstávají okraje kolem pracovní plochy nedotčené. V důsledku horizontálního pohybu paprsku podél plechového obrobku dochází k procesu řezání.
V některých případech, kdy se používají tlusté obrobky, je nutné dodatečně vyfouknout roztavený kov z pracovního prostoru pomocí pomocných plynů. Může to být jak běžný atmosférický vzduch, tak inertní plyny.
Ke zvýšení produktivity laserového řezání kovů se často jako pomocné plynné médium používá kyslík. Kyslík pomáhá nejen vyfouknout taveninu, ale také výrazně zvýšit rychlost práce, vyhoření materiálu díky jeho vysoké oxidační schopnosti.
Laserový pohyb na moderních CNC laserových strojích je možný pouze ve dvourozměrném pracovním prostoru, tzn. podél vodorovné a svislé osy. Během procesu řezání se plech pokládá na speciální řezací stůl.
Co lze řezat laserem?
Na moderních řezacích strojích je možné provádět laserové řezání téměř všech konstrukčních slitin a kovů běžných v průmyslu:
- uhlíková ocel (černá);
- vysoce legovaná korozivzdorná ocel (nerez);
- měď, hliník a jejich slitiny, včetně mosazi.
Jednou z nevýhod laserového řezání je omezený rozsah tloušťky zpracovávaného obrobku podle druhu kovu.
- černá ocel – do 30 mm;
- nerezová ocel – do 12 mm;
- měď – do 15 mm;
- hliník – do 20 mm;
- mosaz – do 12 mm.
Přitom minimální tloušťka plechů, které lze takto řezat, je 0,2 mm. Ale to je jen jedna z „plus“ laserového řezání kovu, protože jinak nelze tak tenký plech řezat úhledně a přesně, ať už se jedná o mechanický řezací nástroj, plazmový stroj nebo plynovou ruční řezačku.
Výhody řezání laserem
- Vysoká přesnost, díky které CNC stroje mohou řezat i ty nejsložitější díly a kovové výrobky s vnitřními otvory různých konfigurací.
- Ekonomická spotřeba kovu díky extrémně malé ploše průřezu paprsku, která umožňuje plánovat řezání s minimální vzdáleností mezi dvěma sousedními liniemi řezu.
- 0,2 mm je minimální tloušťka plechů, které lze řezat na laserových strojích.
- Absence tepelných deformací, deformace, změny barvy a poruch v krystalové mřížce slitiny.
- Vysoká produktivita – až 60 m/h.
- Není potřeba další opracování hran.
- Široká škála možností konstrukčních slitin.
Jedna z “mínusů” laserového řezání kovů v omezení tloušťky plechů a ve snížení účinnosti procesu díky silné odrazivosti kovového povrchu některých slitin. Proto má mosaz nejužší rozsah tlouštěk, který je pro produktivnější řezání žádoucí omezit na 8 mm.
Čím méně kov odráží světlo, tím více energie absorbuje během procesu řezání laserovým paprskem. Ani takové omezení však nedokáže zpomalit růst obliby tohoto progresivního typu řezání kovových polotovarů se všemi jeho „výhodami“.
