Лазерная резка алюминия: особенности технологического процесса

Содержание:

• Свойства алюминия
• Плюсы и минусы лазерной резки алюминия
• Технология лазерной резки алюминия на ЧПУ станках
• Вывод

Лазерная резка – один из самых прогрессивных и высокоточных способов раскроя алюминиевых заготовок. Высокоэнергетичный луч лазера, направляемый компьютерной программой в станках ЧПУ, с высокой точностью вырезает из алюминия даже самые сложные детали и прочие алюминиевые изделия, в т.ч. и декоративные.

Сама по себе лазерная резка металла все чаще включается в технологические процессы изготовления самых разнообразных изделий из алюминия и его конструкционных сплавов, в т.ч. детали для аэрокосмической техники и высокоточного промышленного оборудования.

В этой статье мы расскажем, в чем технологические особенности лазерной резки алюминия в плане его обработки традиционными механическими способами и резки на современных автоматизированных лазерных станках с ЧПУ. Кроме того, взвесим все преимущества и недостатки лазерной резки металла в целом и алюминия в частности, а также определим, для каких задач лучше всего подходит раскрой заготовок лазером.

Свойства алюминия

Алюминий и его конструкционные сплавы – это легкий металл с

 высокими коэффициентами электро- и теплопроводности. Это накладывает определенные требования к процессу раскроя алюминиевых заготовок лазером.

Кроме того, алюминий обладает высокой светоотражающей способностью. Другими словами, поверхность алюминиевых заготовок хорошо отражает луч лазера. Это серьезно затрудняет процесс резки металла, а значит, необходимы особые настройки станка и режимов его работы.

Повышенная теплопроводность и светоотражающая способность алюминия создают определенные технологические трудности. Интенсивное распределение тепла приводит к необходимости повышения мощности лазера, однако чрезмерно мощный луч также приводит к деформациям заготовки и ухудшению качества обработки.

Повышенное светоотражение также требует проведение предварительной подготовки алюминиевой заготовки, чтобы снизить отражение лазера и повысить качество обработки без чрезмерных энергозатрат. Использование лазерного луча с короткой волной также позволяет повысить эффективность раскроя алюминиевых заготовок без повышения мощности лазера и потери в качестве и точности.

Оксидная пленка на поверхности алюминия также негативно влияет на процесс металлообработки. Оксид алюминия, тончайшая пленка которого покрывает любую алюминиевую поверхности, обладает довольно высокой температурой плавления. Это затрудняет процесс как сварки, так и раскроя металла лазером.

Исходя из этих особенностей алюминия, процесс его резки на лазерных станках довольно затруднен и требует особой квалификации мастеров для выбора оптимальных режимов работы и обеспечения достойного качества готовых металлоизделий.

Плюсы и минусы лазерной резки алюминия

В отличие от традиционных способов раскроя алюминиевых листовых заготовок, лазерная резка обладает рядом преимуществ, основные из которых – высокая точность геометрии готовых изделий и отсутствие заусениц. Кроме того, при использовании других способов раскроя, в т.ч. и плазменным резаком, высок риск появления деформаций, оплавления и образования прочих дефектов.

Лазерная резка металла в целом и алюминия в частности имеет и немало недостатков, главные из которых – дороговизна оборудования и необходимость в задействовании высококлассных специалистов операторов лазерных станков с ЧПУ.

Преимущества

• Точность геометрии. Автоматизированные лазерные станки с числовым программным управлением (ЧПУ) позволяют выполнять раскрой металла с точностью ±0,1 мм. Это довольно высокая точность даже для высокоответственных деталей для авиационной и космической техники. Ни одним из традиционных способов раскроя металла такой точности невозможно достигнуть.

Кроме того, система компьютерного управления траекторией движения лазерного луча позволяет максимально точно отобразить на алюминиевой заготовке заложенный в программу чертеж в одном из распространенных форматов конструкторских программ.

• Качество кромок. Специфика лазерной резки в моментальном разогреве металла в точке приложения луча лазера с последующим выдуванием расплава из рабочей зоны. Движение лазера по заданной траектории позволяет выполнить безупречный рез с идеально ровными кромками без заусениц, которые образовываются от механического режущего инструмента, а также без нагара и окалин, которые нередко бывают при плазменной резке и прочих термических способах обработки. 

Вырезанная на лазерном станке с ЧПУ деталь из алюминия не нуждается в дальнейшей обработке. Кромки не нужно зачищать, шлифовать, обрабатывать пескоструйным аппаратом или иными способами.

• Отсутствие деформации. Высокоэнергетичный луч лазера точечно направляет большое количество энергии, достаточной для расплавления металла. При этом такое точечное воздействие предотвращает распространение тепла по заготовке, которое зачастую и является причиной термической деформации.

В процессе лазерной резки даже такой теплопроводный металл, как алюминий, при правильно выбранных режимах работы станка и мощности лазера не деформируется и сохраняет свою плоскостность.

• Толщина алюминия до 20 мм. Несмотря на то, что ограниченность диапазона толщины заготовки – это один из недостатков раскроя лазером, на лазерных станках можно резать алюминий толщиной до 20 мм, что довольно высокий показатель, учитывая точность и качество реза. Более толстые алюминиевые заготовки крайне редко используют в современной промышленности.
• Высокая скорость и производительность. Это одно из самых главных преимуществ лазерной резки металла с экономической точки зрения. Чем выше скорость производства единицы продукции, т.е. производительность, тем меньше ее себестоимость.

Скорость обработки зависит от вида металла, толщины заготовки и мощности лазера. Алюминий толщиной 1 мм режут на лазерных станках со скоростью от 4 до 45 м/мин., а самые толстые заготовки (20 мм) – 0,5 м/мин. Это достаточно высокий показатель производительности при максимальном качестве реза, что позволяет существенно снизить себестоимость готового изделия из алюминия и повысить его конкурентоспособность.

• Автоматизация. Практически полное отсутствие человеческого фактора, за исключением выбора режимов работы станка с ЧПУ и мощности лазера, позволяет максимально повысить качество и точность раскроя.

Недостатки

• Высокая стоимость лазерного станка с ЧПУ и его техобслуживания. Это один из главных недостатков резки металла лазером, хотя и относится он к экономическим аспектам технологии, а не к инженерным. Дорогостоящее оборудование, равно как и его регулярное обслуживание, недоступно для небольших предприятий и металлообрабатывающих цехов.

Именно поэтому гораздо более целесообразно пользоваться услугами лазерной резки металла сторонних исполнителей. Крупные заводы и металлообрабатывающие предприятия предоставляют услуги лазерного раскроя стали и цветных металлов, в т.ч. и алюминия по довольно приемлемым ценам, что не сказывается на удорожании готовой продукции и вполне доступно для мелких заказчиков.

• Высокая квалификация оператора лазерного станка. Мы уже упоминали об характерных особенностях алюминия, которые затрудняют процесс его резки лазером. Чтобы раскрой алюминиевой заготовки был геометрически точным, качественным и с минимальными энергозатратами, оператор должен правильно подобрать режимы работы станка, а для этого необходима соответствующая квалификация и опыт.
• Ограничение по толщине металла. Каждый металл и конструкционный сплав имеет свой диапазон толщин, допустимых для лазерной резки. Если механическими и иными инструментами можно резать металл практически любой толщины, то лазеру под силу разрезать максимум 20-миллимитровую алюминиевую заготовку. Однако более толстые алюминиевые листы редко используют в промышленности.

Технология лазерной резки алюминия на ЧПУ станках

Принцип действия лазерной резки металла с ЧПУ:

• лазерный генератор создает мощный пучок лазерного излучения;
• система оптической фокусировки направляет и фокусирует лазерный луч на поверхность алюминия;
• вспомогательный инертный газ подается в зону обработки для выдувания расплавленного металла и защиты от окисления;
• автоматизированная система управляет перемещением лазерного луча по заданному контуру с высокой точностью.

Весь процесс раскроя алюминиевого листа лазером состоит из трех основных этапов.

Подготовка

• Загрузка материала на рабочий стол лазерного станка ЧПУ.
• Создание в CAD-системе чертежа детали, которую необходимо вырезать. Файл с чертежом переводят в формат, понятный для контроллера станка.
• Выбор параметров работы станка на основании толщины и типа алюминия, а также желаемого качества реза.

Резка

• Фокусировка лазера. Лазерный луч проходит через систему зеркал и линз, фокусируясь на поверхности алюминия в точке резки.
• Нагрев и плавление. Сфокусированный лазерный луч обладает высокой плотностью энергии, что приводит к быстрому нагреву и плавлению алюминия в зоне воздействия.
• Удаление расплава. Одновременно с нагревом, на обрабатываемую зону подается вспомогательный газ. Он выдувает расплавленный алюминий, формируя чистый рез без окисления.
• Перемещение луча по заданному контуру детали.

Завершение

• Охлаждение детали после завершения обработки.
• Очистка детали при необходимости.

Вывод

Лазерная резка – это эффективный и высокоточный метод раскроя алюминия, который позволяет преодолеть многие трудности, связанные с традиционными методами металлообработки. Станки с ЧПУ позволяют достигать безупречного качества и высокой точности деталей.

Однако высокая стоимость оборудования для резки алюминия и необходимость в квалифицированных специалистах могут стать препятствием для небольших предприятий. В этом случае оптимальным решением может стать заказ лазерной резки в специализированных предприятиях, что позволит получить высококачественные детали без значительных капитальных вложений.