Практическим воплощением достижений академической физики является лазерная обработка металла. Открытый во второй половине двадцатого века квантовый генератор, или лазер, представляет собой источник монохроматического когерентного света и является удивительным оптическим прибором, который лавинообразно генерирует фотоны, с одинаковой энергией, направленностью движения и поляризацией, т.е. излучает узконаправленный световой луч высокой мощности.
Физики и инженеры сразу же оценили это открытие по достоинству, и уже в 1962 году, почти сразу после испытания первого лабораторного квантового генератора, были разработаны и предложены рынку коммерческие лазеры фирмы «Спектра физикс» (США). Это время настоящей революции в лазерной технологии, в результате которой были созданы и теперь успешно используются множество модификаций и типов лазеров: от самых маленьких, размером в несколько микрон, до гиганта «Нова» в Национальной лаборатории Лоуренса Ливермора в США, длиной 137 м и суммарной мощностью в 1014 Вт. Лазерная техника проникла во все научные и производственные области и, более востребована в металлообработке.
Лазер стал высокоэффективным инструментом в станках, благодаря уникальным свойствам: высокой мощности излучения (до 108-109 Вт/см2 в непрерывном режиме и до 1016-1017 Вт/см2 в импульсном) на локальном участке обработки, позволяющим мгновенно нагревать (прожигать) и охлаждать металл, не подвергая тепловой деформации всю заготовку. Удаление продуктов сгорания из зоны резки осуществляется продувкой кислородом, воздухом, азотом или другим технологическим газом. Кроме того, лазерный луч – легко управляем, т.е. органично вписывается в автоматизированные системы.
В 70-80 годы XX века лазер стал успешно применяться в сварке, наплавке, маркировке, закалке, в резке металлов при изготовлении таких деталей, как прокладки, кронштейны, панели, приборные щитки, двери, декоративные решетки, дисковые пилы.
После появления кинематическисложных роботов-манипуляторов и гибких оптоэлектронных лучепроводов лазерная обработка металлов получила «второе дыхание», т.е. стала применяться при резке пространственных металлоизделий. Лазерное оборудование, применяемое при резке, классифицируют по источникам излучения и выходной мощности, которая в свою очередь определяет материал обработки. Так, для обработки черных металлов и нержавеющей стали применяют твердотельные (на гранате с неодимом Nd:YAG) квазинепрерывные и импульсно–периодические источники лазерного излучения с выходной мощностью 100-300 Вт; в то же время для обработки легированных сталей и некоторых видов сплавов (впрочем, и для черных металлов тоже) используют газовые непрерывные СО2 лазеры с выходной мощностью до 2500 Вт.
Как правило, современное оборудование для лазерной резки металла состоит из:
- лазера с системами охлаждения и питания;
- координатного стола для крепления заготовки;
- компьютерной системы управления столом;
- устройства подачи технологического газа;
- вентиляционной системы.
Огромные мощности излучения приводят к перегреву лазера, поэтому для его охлаждения используют двухконтурные водяные системы, либо холодильные компрессоры на фреоне. Источники питания лазера подбирают, исходя из решаемых технологических задач – трансформаторные или импульсные. Там, где нужна надежность, используют трансформаторные схемы; при минимизации лазерных установок применяют импульсные.
Современные координатные столы являются высокоточным оборудованием и, как правило, базируются на портальной схеме («летающей оптике»), где неподвижная металлическая заготовка режется перемещаемым лазерным лучом. Есть и другие схемы. Так, при резке Nd:YAG - лазерами луч перемещается по одной координате, а стол с листовым материалом, по другой.
Управление координатным станком осуществляется промышленным компьютером и, кроме аппаратных устройств – приводов, датчиков и т.д., – включает пакет следующих файлов:
- программ ввода исходных данных (электронных чертежей) в графических редакторах AutoCad, CorellDraw, Adobe Illustrator и др. (форматы *.plt, *.ai, *.dxf, *.cf2);
- управляющих программ поворота, масштабирования и размножения исходного файла (чертежа) по рабочему полю стола;
- программ настройки параметров лазерной обработки и режима врезки, автоматического учета ширины реза, определения внутренних и внешних контуров, корректировки режима резки непосредственно в технологическом процессе и др.;
- программ настройки параметров координатного привода и рабочей среды оператора, генерацию (рисование) простейших геометрических фигур;
- программ подключения внешних устройств, управления лазерным излучателем, связь с внешней локальной сетью.
В режимах лазерной резки используют разный технологический газ, например, для щадящей резки черного металла используют кислород (газолазерная резка), а для нержавеющей стали – поток инертного газа, обычно азота. Для удаления газообразных и аэрозольных продуктов распада, возникающих при прожигании металлического листа, применяют вентиляцию, которую создает специальное устройство, являющееся неотъемлемой частью всех промышленных комплексов лазерной обработки.
Одним из методов, альтернативных «летающей оптике», является применение деформируемых зеркал, сочетающих преимущество стационарной и «портальной» схемы. Лазерный луч дважды меняет траекторию, отражаясь в комплексе зеркал с управляемой формой поверхностью, прежде чем достичь обрабатываемой заготовки. Явным преимуществом метода является отсутствие сложной механики; к недостаткам следует отнести сложность в управлении поверхности зеркал.
Несмотря на общность исходных идей, подходов и принципов, используемых в оборудованиях для лазерной резки металлов, станкостроительные фирмы стараются производить оригинальную технику, чтобы не оказаться в аутсайдерах данного, весьма перспективного сегмента рынка – металлообработки.
Лазерные технологии ( в том числе и резка металла), безусловно, находятся в самом начале своей эволюции и будут совершенствоваться за счет внедрения новых экономичных и сверхмощных лазеров, светопроводов, схем доставки к заготовке и других новшеств.
Источник: www.equipnet.ru
Вернуться к списку
