Процесс
Для лазерной резки металлов применяют технологические установки на основе твердотельных, волоконных лазеров и газовых CO2-лазеров, работающих как в непрерывном, так и в импульсно-периодическом режимах излучения. Промышленное применение газолазерной резки с каждым годом увеличивается, но этот процесс не может полностью заменить традиционные способы разделения металлов. В сопоставлении со многими из применяемых на производстве установок стоимость лазерного оборудования для резки ещё достаточно высока, хотя в последнее время наметилась тенденция к её снижению. В связи с этим процесс лазерной резки становится эффективным только при условии обоснованного и разумного выбора области применения, когда использование традиционных способов трудоемко или вообще невозможно.
Лазерная резка осуществляется путём сквозного прожига листовых металлов лучом лазера. Такая технология имеет ряд очевидных преимуществ перед многими другими способами раскроя:
- Отсутствие механического контакта позволяет обрабатывать хрупкие и деформирующиеся материалы;
- Обработке поддаются материалы из твердых сплавов;
- Возможна высокоскоростная резка тонколистовой стали;
- При выпуске небольших партий продукции целесообразнее провести лазерный раскрой материала, чем изготавливать для этого дорогостоящие пресс-формы или формы для литья;
- Для автоматического раскроя материала достаточно подготовить файл рисунка в любой чертежной программе и перенести файл на компьютер установки, которая выдержит погрешности в очень малых величинах;
Лазерная закалка
Лазерное излучение интенсивно нагревает поверхность материала до свехкритических температур, а после прекращения действия излучения нагретый участок охлаждается за счет теплоотвода во внутренние слои металла, что приводит к образованию закалочных структур и повышению твердости поверхностного слоя.
Технологию лазерной обработки подразделяют на импульсную и непрерывную. Импульсную обработку осуществляют на твердотельных лазерах. Максимальная энергия импульной установки «Квант-15» составляет 8 Дж, оптимальный диаметр пятна нагрева - 2-3 мм, длительность импульса от 1,5 до 4 миллисекунд, частота импульсов - 10 Гц. Источником излучения лазера данного типа являются два последовательно установленных квантрона. В качестве рабочего тела используется кристалл аллюминий-иттриевого граната. Установка «Квант-16» отличается большей производительностью за счет увеличения до 30 Дж энергии импульса и до 5-6 мм пятна нагрева. Излучателем служит теперь уже один квантрон повышенной мощности. Рабочее тело установки - циллиндрический элемент из стекла с ниодимом, диаметр и длина элемента существенно больше чем на установке «Квант-15П».
При облучении единичным импульсом зона лазерного воздействия на поверхности деталей имеет форму круга. Для обработки протяженных кромок применяют обход по контуру с перекрытием точек. Равномерность глубины зон закалки обеспечивается при значении коэффициента перекрытия точек 0,5 (это означает что центр пятна нагрева сдвигается на один свой радиус в каждой следующей позиции воздействия). Наибольшая грубина импульсной закалки составляет 200-250 микрон. Большие плоскости заполняются точками (позициями пятна нагрева лазера) в несколько рядов. В процессе обработки деталь перемещают в интервалах между импульсами, во время имульса облучения деталь неподвижна.
Обработка поверхности импульсами осуществляется по нескольким схемам перекрытия. Эффективность схемы характеризуется двумя параметрами - коэффициентом перекрытия точек и коэффициентом использования импульсов. Последний определяется отношением площади упрочнения к сумме площадей отдельных точек.
Необходимая для закалки плотность мощности зависит от состояния поверхности детали. При увеличении шероховатости поверхности уменьшается доля отраженной энергии и соответственно снижается необходимая плотность мощности. Применение поглощающих покрытий увеличивает эффективность лазерной закалки.
Для увеличения площади обработки и глубины упрочнения используют лазеры с непрерывным излучением. Рабочей средой газового лазера непрерывного действия является смесь активных и инертных газов. Накачка среды осуществляется электрическим разрядом. Мощность технологических лазеров для термообработки составляет более одного киловатта.
При обработке больших поверхностей используют две основные схемы - по цилиндрической поверхности с постоянной осевой подачей и по плоскости со смещением детали. По сравнению с импульсной обработкой, закалка лазерами непрерывного действия увеличивает производительность процесса и повышает стабильность характеристик поверхностного слоя. Технологические покрытия позволяют увеличить коэффициент поглощения подводимой энергии.
Структуру материала после лазерной закалки изучают на оптических микроскопах. Измельчение структуры металла и изменение фазового состава приводит к повышению твердости поверхностного слоя. Измерения твердости позволяют определить качество упрочнения. Замеры показывают повышение твердости на обработанной лазером поверхности. Стойкость режущих кромок металлообрабатывающего инструмента при лазерной закалке повышается в 2-3 раза, эффективно упрочнение металлов из литейных аллюминиевых сплавов, различных марок чугунов и сталей.
· Лазерная гравировка, Резка с помощью лазера
В процессе лазерной гравировки обрабатываемый материал расплавляется лазерным излучением, а затем выпаривается. Интенсивность лазерного излучения должна при этом превышать определенное предельное значение, так называемую пороговую интенсивность. Пороговая интенсивность для материалов с высокой электрической проводимостью достигает большой величины. В обрабатываемом материале возникает углубление конической формы, параметры которого зависят от профиля лазерного луча и теплопроводности материала. Лазерная гравировка считается самой быстрой формой лазерной обработки.
В процессе лазерной резки пластины материала разделяют с помощью фокусированного луча лазера. Принципиально различают лазерную резку в инертном газе и лазерную испарительную резку. При резке в инертном газе материал, например, акрил, плавится и, соответственно, испаряется. При лазерной испарительной резке, например, дерева, частицы материала испаряются, минуя жидкую стадию.
Абляция (удаление)
В процессе абляции верхний слой материала выпаривается. Материалы с тонким верхним слоем, таким как цветное или анодированное покрытие, особенно подходят для лазерной гравировки. Так как в этих слоях лазерное излучение очень хорошо поглощается, даже при малой мощности лазера можно получать высококонтрастные изображения. При обработке лакированной пластмассы можно удалением цветного покрытия создавать изображения в стиле «день/ночь», например для панели приборов автомобилей.
Отжиг
Металл изменяет свой цвет при нагревании за счет эффекта отжига. Этот эффект возникает из-за структурного изменения поверхностного слоя. Лазерное излучение нагревает поверхность металла. Получаемая окраска зависит от температуры нагрева. Таким образом, меняя параметры лазерного излучения, можно получать светлые или темные оттенки. Единственный недостаток техники отжига: если маркированное изделие подвергнуть воздействию высокой температуры, то маркировка может сойти.
Вжигание
Наилучшие результаты маркировки металла достигаются методом вжигания специального покрытия с использованием керамических порошков (Trotec MetalFix). Покрытие наносится при помощи распылителя и удаляется по окончании гравировки. Используя такой метод лазерной гравировки, можно получать высококонтрастные изображения на металле с низким коэффициентом поглощения даже при помощи CO2 лазера. Металлическая поверхность окисляется в процессе обработки. Для гравировки стекла с использованием Nd:YAG лазера выпускается целый ряд порошковых покрытий.
Вспенивание
При лазерной обработке некоторых видов пластика происходит вспенивание. Лазерный луч плавит поверхность пластмассы. В объеме материала возникают пузырьки газа, которые при охлаждении не исчезают. Объем материала увеличивается за счет этих включений, и обработанная лазером поверхность кажется рельефной.
Изменение цвета и осветление
Этого эффекта можно достичь только при обработке пластмассы. Он существенным образом зависит от длины волны лазерного излучения и возникает, как правило, только при использовании Nd:YAG лазера или специализированного Nd:YAG лазера с удвоенной частотой излучения. Лазерное излучение проникает в пластмассу и поглощается цветными пигментами. Химическая структура пигментов меняется, что приводит к изменению цвета метериала. Так как лазерное излучение проникает внутрь пластмассы, то поверхность остается фактически неповрежденной. Результат такой обработки зависит от свойств материала и включенного пигмента.