Лазерная обработка

По широте применения лазерная техника сопоставима только с компьютерной. Области эффективного использования лазерных технологий весьма разнообразны - обработка материалов, связь, информатика, медицина, военная техника и многие другие. Лазерная обработка материалов включает в себя резку и раскрой листа, сварку, закалку, наплавку, гравировку, маркировку и другие технологические операции.

Использование лазерной технологии обработки материалов обеспечивает высокую производительность и точность, экономит энергию и материалы, позволяет реализовать принципиально новые технологические решения и использовать труднообрабатываемые материалы, повышает экологическую безопасность предприятия. Отметим, что при грамотном внедрении лазерные технологические установки приносят 8-10 рублей на рубль затрат.

По данным Лазерной ассоциации, отечественные предприятия выпускают практически все известные виды лазерной техники и в широком ассортименте, однако, по большому счету, мировому техническому уровню соответствуют не более 5-10% от всех имеющихся моделей, при этом многие из них остаются, по существу, опытными образцами.

Опрос машиностроительных предприятий, расположенных в семи регионах России (Владимир, Киров, Москва, Н. Новгород, Новосибирск, Самара, Санкт-Петербург), проведенный Лазерной ассоциацией, показал, что половина из ответивших на вопросы анкеты нуждается в лазерном оборудовании. Предпочтения распределились следующим образом: лазерные технологические установки для резки и раскроя листа - 21%, для маркировки и гравировки - 16%, для сварки - 14%, для поверхностного упрочнения - 12%. Существенно, что многие предприятия готовы вкладывать собственные средства в создание заводских лазерных участков, но не имеют достаточно средств, чтобы создавать такие участки самостоятельно.

В связи с тем, что в одной публикации рассмотреть все технологические операции лазерной обработки и соответствующее оборудование не представляется возможным, выберем для начала лазерную резку.

Резка материалов

В промышленности помимо механической используется резка, основанная на электрохимическом, электрофизическом и физико-химическом воздействиях. Это - ацетиленокислородная резка и плазменная резка, обеспечивающие более высокую производительность по сравнению с механическими методами. Однако они не обеспечивают необходимой точности и чистоты поверхности реза и в большинстве случаев требуют последующей механической обработки. Электроэрозионная резка позволяет получить рез малой ширины с высоким качеством, однако характеризуется низкой производительностью.

Сфокусированное лазерное излучение позволяет резать практически любые металлы и сплавы, независимо от их теплофизических свойств. При лазерной резке отсутствует механическое воздействие на обрабатываемый материал, и возникают незначительные деформации. Вследствие этого можно осуществлять лазерную резку с высокой точностью, в том числе и легкодеформируемых и нежестких деталей. Благодаря большой мощности лазерного излучения обеспечивается высокая производительность процесса реза. При этом достигается такое высокое качество реза, что в полученных отверстиях можно нарезать резьбу.

Лазеры

Понятно, что основой любой лазерной установки является сам лазер. В настоящее время для промышленной резки используется несколько типов лазеров. Твердотельные лазеры на основе алюмоиттриевого граната. Накачка активного элемента производится высоковольтными разрядными лампами, непрерывными или импульсными. Длина волны излучения твердотельного лазера - 1 мкм. Режим генерации, соответственно, может быть непрерывным или импульсным, и еще есть режим так называемого гигантского импульса Q-switch.

Лазер c диодной накачкой. Это новый современный вариант лазеров, в которых вместо высоковольтной газоразрядной лампы накачка производится мощными светоизлучающими диодами. Пока они более дороги, но зато в системе нет высоких напряжений, ресурс диодных линеек существенно выше ресурса газоразрядной лампы, и лазеры лучше управляются от электронных систем.

CО2-лазеры - газовые лазеры на основе смеси газов CО2-He-N2. Возбуждение смеси выполняется разными видами электрического разряда в газах. Длина волны излучения CО2-лазера - 10 мкм. В настоящее время самыми компактными и эффективными являются так называемые щелевые (slab) лазеры с накачкой высокочастотным разрядом. Импульсные лазеры режут с высоким качеством не только сталь и титан, но и алюминиевые сплавы. Возможна резка и сплавов на медной основе, но здесь эффективность очень сильно зависит от химического состава.

CО2-лазеры пригодны как для резки металлов, так и неметаллов, причем почти любых, не рекомендуется использовать лазерную резку только для ряда материалов со сложной структурой - ДСП, бакелитовые фанеры, граниты. Однако для резки металлов нужен достаточно большой уровень мощности (от 500 Вт), а для резки цветных металлов - 1000 и более Ватт.

Здесь особенно эффективны щелевые CО2-лазеры, которые обеспечивают так называемый суперимпульсный режим излучения в отличие от других CО2-систем. Это значит, что световой поток не непрерывен, а состоит из импульсов с частотой 10-20 кГц, так что при средней мощности, например, 500 Вт мощность в импульсе составляет 1000-1500 Вт. При резке металлов это очень важно, так как уменьшается ширина реза, улучшается качество и снижается порог начала резки.

Твердотельные лазеры неметаллические материалы режут значительно хуже газовых, однако имеют преимущество при резке металлов - по той причине, что волна длиной 1 мкм отражается хуже, чем волна длиной 10 мкм. Медь и алюминий для волны длиной 10 мкм - почти идеально отражающая среда. Но, с другой стороны, сделать CО2-лазер проще и дешевле, чем твердотельный.

Технология

В настоящее время аналогичные по своим основным параметрам, набору опций и качеству машины стоят примерно одинаково. А поскольку новейшие системы лазерной резки, представляемые на российский рынок такими известными мировыми производителями, как Bystronic (Швейцария), Trumpf (Германия), Mazak (Япония), Prima Industrie (Италия), очень сходны, имеет смысл остановиться на общих свойствах и характеристиках, присущих всем этим системам. Иначе говоря, сформулировать общие тенденции в развитии технологии лазерной резки и основные признаки современного лазерного комплекса для резки материалов.

За 20 лет применения технология лазерной резки подверглась значительным усовершенствованиям в части увеличения толщины разрезаемого материала и скорости его разрезания. Современные крупные установки для лазерной резки оснащаются теперь CO2-лазерами мощностью до 6 кВт. Хотя у типовых установок мощность лазеров не превышает 4 кВт, тем не менее они позволяют стабильно резать стальные листы толщиной до 19 мм, а в отдельных случаях - до 25 мм. Для лазерной резки пластин толщиной до 12 мм из коррозионно-стойкой стали применяют закачиваемый под высоким давлением азот.

Постепенно повышаются и скорости резки. Если на типовых лазерных установках оцинкованную листовую низкоуглеродистую сталь толщиной 1,63 мм режут со скоростью 12,7 м/мин., то на лазерных установках последних выпусков эту же сталь, но уже толщиной 2 мм, режут теперь со скоростью свыше 20 м/мин. Кроме того, скорости быстрых перемещений рабочих органов достигают у них 100 м/мин. В результате производительность таких установок при лазерном сверлении листов толщиной 2 мм может достигать 3-4 отверстий в секунду.

Еще одной тенденцией развития лазерных установок является их автоматизация. В той или иной форме автоматизация применяется на большей части лазерных установок. Здесь можно отметить устройства для загрузки крупногабаритных листов, загрузочно-разгрузочные системы, а также башенные накопители, в которые заготовки сортируют по толщине и типу материала. Традиционно управление установками осуществляется от ЧПУ, в том числе на базе персональных компьютеров.

Точность лазерной резки достигает 0,1 мм при повторяемости +0,05 мм, причем качество реза стабильно высокое, поскольку зависит только от постоянства скорости перемещения лазерного луча, параметры которого остаются неизменными.

Установка лазерной резки обычно компонуется следующим образом: стол, на котором устанавливают листовые заготовки, подвижный портал с режущей головкой и УЧПУ для управления перемещением этой головки по заготовке, причем некоторые установки оснащают двумя головками. Однако такая компоновка применима только для резки небольших деталей. При резке крупных деталей или таких, где основным требованием является точность формы вырезаемых деталей, такая компоновка неэффективна.

Большинство выпускаемых теперь лазерных установок выполнено с "летающей" оптикой или подвижным лазерным лучом. Разрезаемый материал остается при этом неподвижным, а лазерный луч перемещается по нему, осуществляя программируемые резы. Сам лазер располагают непосредственно на раме установки либо рядом с ней (в этом случае система подачи луча направляет его по осям Х и Y). Установки с "летающей" оптикой предназначены для обработки заготовок размерами от 1,2х2,4 до 3х7,8 м и оснащены двумя спутниками, причем каждый из них расположен на своем рабочем столе. После отрезания одной заготовки спутники вместе со столами меняются местами, и отрезанную заготовку снимают со спутника. Такая конструкция позволяет обеспечить максимальное время использования лазерного луча, а, следовательно, и максимальную производительность установки. Продолжают выпускать и установки комбинированного типа, в которых заготовку устанавливают на столе с перемещением по оси Х, а лазерная головка перемещается по оси Y. Они хотя и проще по конструкции, но менее производительны, чем установки с "летающей" оптикой. Так, скорость позиционирования у последних выше в 3-10 раз, грузоподъемность вдвое, а если добавить второй стол, то и сменная производительность становится выше на 50-100%.

Немаловажным фактором для резки является прошивка первоначального отверстия для ее начала. У некоторых лазерных установок имеется возможность с помощью процесса так называемой летающей прошивки в холоднокатаной стали толщиной 2 мм получать до 4 отверстий в секунду. Получение одного отверстия в более толстых (до 19,1 мм) листах из горячекатаной стали при лазерной резке осуществляют с помощью силовой прошивки примерно за 2 с. Применение обоих этих методов позволяет увеличить производительность лазерной резки до уровня, достигаемого на вырубных прессах с ЧПУ.

Краткая характеристика реза: окалина обычно отсутствует, конусность менее 1ш, получаемые отверстия круглые и чистые, возможно получение совсем небольших деталей, ширина реза 0,2-0,375 мм, прижоги незаметны, тепловое воздействие очень мало, имеется возможность резки неметаллических материалов.

Оборудование

Все вышеперечисленное в той или иной степени свойственно всем лучшим зарубежным образцам. 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 самой современной лазерной и управляющей техникой.

Итак, высокопроизводительные, точные, автоматизированные, достаточно простые в обслуживании - замечательные образцы современных машин. Все вроде бы хорошо. Приобретай и работай. Одно только "но". Стоят эти почти произведения искусства дорого. Средняя стоимость базовых моделей превышает полмиллиона долларов. Цена даже наших установок, выпускаемых ЗАО "Лазерные комплексы" (г. Шатура), приближается к двумстам тысячам. Поэтому быстрый возврат средств возможен только при рациональном использовании такой техники. Здесь необходимо вернуться к вопросу, который мы уже неоднократно затрагивали, - выбору оборудования под решаемую задачу. Если необходимо резать одну и ту же деталь тысячами, тогда использование подобных больших комплексов оправданно. А если у вас 10 одних, 20 других, 50 третьих, то из-за переналадок, переустановок доля непосредственно резки становится значительно меньше, и, как следствие, применение таких комплексов становится невыгодным. Есть ли выход? Во всяком случае, в качестве возможной альтернативы можно рассмотреть следующее предложение отечественных производителей.