Лазерная резка листовых материалов, как самая распространенная технологическая операция, долгое время оставалась примерно на одном качественном уровне. По специфике применяемого лазерного оборудования резка металлов разделилась по толщине: от 1 мм и выше – это в основном мощные СО2 лазеры; от 100 мкм до 1 мм – импульсные твердотельные лазеры на АИГ; до 100 мкм – непрерывные лазеры на АИГ с модуляцией добротности. Сейчас для резки металлов, особенно свыше 1 мм, ведущую роль начинают занимать волоконные лазеры, однако их малая распространенность в производстве не позволяет пока говорить об окончательной победе над традиционными лазерными системами.
На основании анализа лазерной резки листовых металлов можно сделать вывод, что наибольший объем обрабатываемых металлов лежит в диапазоне от 100 мкм до 56 мм. Обработка металлов в таком диапазоне толщин имеет ряд особенностей, вызванных в частности тем, что для резки используются разные типы лазеров. Иметь все три основных типа может себе позволить не каждое предприятие. Чаще всего это или газовые лазеры на СО2, или твердотельные на АИГ.
Используются разные технологические приемы: резка лазерами на СО2 это, как правило, локальное проплавление с последующим удалением расплавленного металла давлением газа; резка импульсными лазерами происходит за счет испарения металла. В первом случае при правильном выборе режимов резки качество края реза вполне удовлетворительное, но более тонкие металлы при резке непрерывным излучением перегреваются, что резко ухудшает качество. Резка металлов толщиной более 1 мм импульсным излучением сопровождается относительно высокой шероховатостью края реза, наличием грата и на практике ограничивается применением только для чернового раскроя с последующей чистовой обработкой. Однако требования к параметрам лазерной резки постоянно повышаются, и, в связи с этим, ставятся задачи по универсализации лазерного оборудования, расширению диапазона возможностей, повышению качества резки с одновременным увеличением точности позиционирования исполнительных устройств.
Для решения этих задач был проведен комплексный анализ рынка лазерного технологического оборудования, возможностей портальных систем позиционирования различных типов экспериментальных исследований. Это позволило разработать и реализовать конструкцию лазерной технологической установки, позволяющей производить высококачественную резку листовых металлов толщиной от 100 мкм до 4 мм по нержавеющей стали, а черных металлов не менее 8 мм на базе импульсного твердотельного лазера на АИГ.
Основной проблемой в процессе транспортировки лазерного излучения в зону резки на большие расстояния является расходимость луча лазера. Резка деталей небольших размеров обычно не вызывает серьезных трудностей, так как можно различными способами скомпенсировать уширение диаметра сфокусированного луча. Самый простой резка листового металла меньшими габаритными размерами с размещением части листа для обработки в зону наименьшего влияния расходимости. Обычно это зона наибольшего приближения к выходному зеркалу резонатора лазера. Для больших портальных систем позиционирования можно определить зоны по полю резки и компенсировать изменение диаметра луча, программно вводя эквидистанту с поправкой.
Однако для минимизации влияния расходимости на точность воспроизведения размеров при резке деталей большой площади требуются другие способы. Решение такой задачи, например, для резки листового алюминия, лежит в плоскости использования технических возможностей лазерного излучателя. Применение в виде источника лазерного излучения импульсного лазера фирмы Lasag AG KLS246102 было оправдано с нескольких точек зрения. Мощность излучения, качественная фокусирующая оптика, резонатор с функцией регулировки базы, возможность оперативной замены зеркал разной сферичности позволяют как регулировать диаметр сфокусированного излучения на объекте, так и уменьшать расходимость. Проводились измерения параметров расходимости лазера KLS246102. Данные исследования сведены в рис. 1. График характеризует изменение расходимости в зависимости от оптических параметров резонатора лазера и фокусирующей системы. Представлены параметры неустойчивого резонатора со сферическим задним зеркалом (т.е. формат резонатора с наименьшей расходимостью). Так как входное окно фокусирующей системы более 30 мм, наибольший интерес представляет режим при кратности телескопа равной 4х. При этом легко подсчитать, что на удалении фокусирующей системы от резонатора на 1.5 м уширение диаметра режущего луча составит порядка 4%, что в абсолютных величинах, например, для диаметра луча в 150 мкм составит менее 10 мкм. Этот показатель может считаться практически идеальным для листовой резки.
Использование системы Zслежения за профилем листа позволило обеспечить точность фокусировки на его поверхности. На рис. 2 наглядно представлен процесс настройки фокусировки при движении оптической системы с одновременной регулировкой фокусного расстояния. Оптимизация фокусировки велась по минимальной ширине реза и конусности.
Другими параметрами, характеризующими качество лазерной резки, является шероховатость и неровность края реза. Они в большей мере зависят от оптимизации энергетики излучения с параметрами фокусирующей системы. Из основных оптикотехнологических параметров можно выделить: точность фокусировки на объекте, положение сопла и его диаметр относительно поверхности листа, давления газа. Энергетические параметры, такие как напряжение накачки лампы, длительность и частота следования импульсов, выбираются по максимальной энергии излучения лазера, что обусловлено наличием оптимума на градуировочной кривой неустойчивого резонатора.
Основными техническими параметрами резки можно считать наличие грата и выплесков в зоне реза, отсутствие конусности, шероховатость края реза. В результате выбора оптимального режима излучения лазера получены результаты, соответствующие высокому уровню качества резки. На рис. 3 и 4 представлены образцы резки алюминия толщиной 2 мм и листовой нержавеющей стали толщиной 500 мкм.
Измеренные значения шероховатости при резке алюминия не превышают 1015 мкм, а нержавеющей стали 25 мкм в абсолютном значении. Отсутствие конусности, грата и выплесков металла, низкая шероховатость края в зоне реза свидетельствуют о высоком качестве прецизионной резки различных листовых металлов импульсным твердотельным лазером с оптимизированными параметрами излучения.
А. Конюшин
НПФ «ПриборТ» СГТУ (Россия),
Маняк В. Lasag AG (Швейцария)
<"