Волоконно-лазерная резка: процесс, преимущества и области применения.

Мощный лазер позволяет вырезать сложные узоры на металле, генерируя интенсивный свет и стружку.

В процессе лазерной резки волоконным лазером используется оптическое волокно, легированное редкоземельными элементами, для получения высокоинтенсивных лазерных лучей, которые позволяют с высокой точностью резать металлы, включая нержавеющую и углеродистую сталь. Волоконный лазер работает на длине волны 1.064 микрометра, создавая луч, ограниченный дифракцией, что обеспечивает быструю резку материалов различной толщины — от 0.1 мм до 25 мм и более. Диапазон мощности лазера от 1 кВт до 20 кВт в волоконных лазерных резаках обеспечивает эффективную и точную резку металла для применения в аэрокосмической и автомобильной промышленности.

История станков для лазерной резки волоконным лазером.

Разработка станков для лазерной резки с использованием волоконного лазера началась с теории Альберта Эйнштейна о стимулированном излучении, выдвинутой в 1917 году. Элиас Снитцер осуществил первую лазерную резку с использованием волоконного лазера в своем эксперименте 1963 года, в котором в качестве усиливающей среды использовалось стекловолокно, легированное неодимом. Компания IPG Photonics запустила свои коммерческие системы лазерной резки с использованием волоконного лазера в начале 2000-х годов, став первой компанией, разработавшей мощные волоконные лазеры. 

Первый промышленный станок для лазерной резки волоконным лазером появился в 2009 году.В 1990-х годах Сальваньини использовал оптические волокна для передачи луча. В современном производстве лазерная резка волоконным лазером является стандартным процессом, поскольку исследователи улучшили как выходную мощность, так и методы синхронизации мод для повышения качества луча.

Волоконно-оптические лазеры против CO₂ и YAG-лазеров

Крупный план лазерной резки волоконным лазером толстого металла, на котором образуется яркий расплавленный материал и искры.

Эксплуатационные характеристики лазерная резка Технология волоконных лазеров обеспечивает превосходные характеристики по сравнению с CO₂- и YAG-лазерами благодаря их специфической длине волны, высокой эффективности работы и сниженным требованиям к техническому обслуживанию. Длина волны 1.064 микрометра волоконных лазеров лучше подходит для материалов с высокой степенью поглощения, таких как нержавеющая сталь и алюминий, чем длина волны 10.6 микрометра CO₂-лазеров. 

Плазменная резка против лазерной резки: Твердотельное оптическое волокно, используемое в волоконных лазерах, работает иначе, чем CO₂-лазеры с газовыми смесями и YAG-лазеры с кристаллическими активными средами, поскольку оно минимизирует тепловую линзу и обеспечивает лучшее масштабирование мощности. Двухслойная конструкция волокна в волоконных лазерах обеспечивает более высокую эффективность накачки, что приводит к коэффициентам преобразования электрического сигнала в оптический на уровне 30-40%, превосходящим показатели 10-20% и 5-15% в системах CO₂ и YAG соответственно.

• Длина волныДлина волны волоконных лазеров 1.064 мкм обеспечивает превосходную производительность резки металла. Однако CO₂-лазеры с длиной волны 10.6 мкм лучше всего подходят для неметаллических материалов, в то время как YAG-лазеры с длиной волны 1.064 мкм сталкиваются с проблемами, связанными с перегревом.
• ЭффективностьЭффективность работы волоконных лазеров достигает 30-40%, что приводит к снижению энергозатрат по сравнению с CO₂-лазерами (10-20%) и YAG-лазерами (5-15%).
• ОбслуживаниеРезонатор волоконных лазеров требует минимального технического обслуживания, поскольку не содержит движущихся частей, в то время как CO₂-лазеры требуют регулировки зеркал, а YAG-лазеры — замены лампы.
• Качество лучаКачество луча волоконных лазерных резаков обеспечивает производительность, близкую к дифракционному пределу, что делает их превосходящими CO₂- и YAG-лазеры для точной резки тонких металлических листов.
• Совместимость материаловБлагодаря отражающим свойствам меди, волоконные лазеры подходят для использования, поскольку, в отличие от CO₂-лазеров, они не создают обратного отражения. Однако YAG-лазеры имеют ограниченный спектр применения.

Как работают волоконные лазеры

Лазерная обработка поверхности для удаления поверхностного слоя.

Процесс работы волоконного лазера включает когерентную генерацию света посредством усиления накачки оптическим волокном, в котором в качестве активной среды используются редкоземельные элементы, такие как иттербий. Двухслойное волокно содержит лазерные диоды, которые накачивают свет во внутреннюю оболочку, создавая ионное возбуждение, приводящее к стимулированному излучению. 

Высокое качество лазерного луча достигается за счет сочетания волоконных брэгговских решеток и диэлектрических зеркал. Комбинация насыщаемых поглотителей с технологией синхронизации мод генерирует сверхкороткие импульсы для работы с высокой интенсивностью. При этом мощность достигает 20 кВт, что позволяет резать углеродистую сталь толщиной 25 мм со скоростью более 10 м/мин.

Синхронизация мод и качество пучка

Синхронизация мод позволяет генерировать сверхкороткие импульсы, увеличивая пиковую мощность для точной резки. Этот метод, часто использующий насыщаемые поглотители, снижает нелинейные эффекты, такие как стимулированное рамановское рассеяние. Качество пучка, измеряемое коэффициентом M², остается близким к 1 в одномодовых волокнах, что обеспечивает точную фокусировку для сложных разрезов в нержавеющей стали толщиной 1 мм. Многомодовые волокна поддерживают более высокие мощности, но могут ухудшать качество пучка, если не оптимизированы, как в волоконных дисковых лазерах, что обеспечивает стабильную работу в приложениях волоконных лазеров для станков с ЧПУ.

Редкоземельные элементы

Схема системы лазерной резки, иллюстрирующая ввод луча, фокусирующую оптику и вывод луча на заготовку.

Работа волоконных лазеров зависит от редкоземельных элементов иттербия и эрбия, которые выступают в качестве необходимых легирующих примесей. Высокая квантовая эффективность иттербия позволяет ему усиливать свет на длине волны 1.07 микрометра, что делает его пригодным для непрерывной резки металла. Среднеинфракрасный спектральный диапазон становится доступным благодаря легированию эрбием для определенных промышленных применений. Оптическое волокно содержит эти элементы, которые создают двухслойные конструкции, эффективно поглощающие свет накачки и генерирующие лазеры с низким тепловыделением, что позволяет создавать надежные волоконно-лазерные станки для резки.

Компоненты станка для резки волоконным лазером

Промышленный станок лазерной резки в работе, испускающий искры при обработке металлической детали.

• Лазерный источникВолоконный лазер с примесью иттербия работает в диапазоне 1-12 кВт и генерирует мощный луч, способный прорезать нержавеющую сталь толщиной до 10 мм.
• Режущая головкаРежущая головка состоит из трех основных компонентов: фокусирующей линзы, сопла для подачи вспомогательного газа и емкостных датчиков, обеспечивающих точный контроль высоты во время обработки металла.
• Система управления ЧПУСистема ЧПУ работает с помощью сервомоторов, которые функционируют в замкнутом контуре, обеспечивая точность ±0.01 мм для сложных фигурных вырезов.
• Машинная кроватьСтанина станка состоит из стальной рамы, которая удерживает заготовки, обеспечивая термическую стабильность как лазерного источника, так и оптических компонентов, что позволяет осуществлять непрерывную работу.
• Система охлажденияСистема подачи газа расположена таким образом, чтобы поддерживать стабильность во время быстрых операций лазерной резки волоконным лазером.
• Система подачи газаСистема охлаждения использует водоохладитель для подачи кислорода или азота, что улучшает производительность резки и качество поверхности при обработке углеродистой стали и других материалов.
• Система движенияСистема перемещения сочетает в себе реечные и линейные приводы, что позволяет достичь высокой и точной скорости резки до 50 м/мин.
• Система ВытяжкиВытяжная система предназначена для удаления дыма и отходов, что помогает поддерживать чистоту окружающей среды во время операций металлообработки на станках с ЧПУ.

Типы станков для волоконной лазерной резки 

• Плоские металлорезыЭти режущие инструменты работают следующим образом: лазерная резка листового металла Резаки, предназначенные для обработки материалов толщиной до 25 мм в автомобильной и аэрокосмической промышленности.
• Труборезные станкиИнструмент оснащен вращающимися осями, которые позволяют пользователям вырезать цилиндрические детали для выхлопных систем и конструкционных труб.
• Системы высокой мощностиЭти системы работают при мощности более 6 кВт и предназначены для обработки толстых листов углеродистой стали толщиной 20 мм в условиях тяжелой промышленности.
• Машины начального уровняБренд Boss Laser предлагает станки начального уровня, работающие с мощностью менее 2 кВт, предназначенные для небольших предприятий, работающих с тонкими материалами.
• Закрытые системыЭти системы обеспечивают защиту оператора благодаря блокировкам безопасности и функциям защиты от пыли, что позволяет безопасно осуществлять крупномасштабное производство.
• Гибридные машиныСочетание функций резки, гибки и сварки в системах ЧПУ с волоконным лазером повышает универсальность станков.

Пошаговый процесс лазерной резки волоконным лазером

Шаг 1: Подготовка и настройка материалов

Первый этап процесса включает в себя размещение заготовки из металлического листа на станине станка для её фиксации. Система ЧПУ получает файл САПР, содержащий схему резки. Свойства материала углеродистой стали толщиной 5 мм требуют мощности лазера 3 кВт и использования кислорода для экзотермической резки, а также азота для получения кромки без оксидов в нержавеющей стали.

Шаг 2: Калибровка и пробивание луча

Перед тем как лазер сгенерирует пробивной импульс для проникновения в материал, режущая головка занимает исходное положение. Мощный импульс для резки алюминия толщиной 10 мм помогает уменьшить размер зоны термического воздействия. Система управления высотой головки использует сервотехнологию для поддержания фокусировки луча на нужной высоте, обеспечивая тем самым оптимальное качество луча.

Шаг 3: Выполнение построения траектории.

Станок для лазерной резки волоконным лазером точно формирует металлический лист с минимальным пропилом.

Лазерная система выполняет запрограммированную траекторию, расплавляя материал, в то время как вспомогательный газ удаляет расплавленные частицы из зоны резки. Скорость резки нержавеющей стали толщиной 2 мм следует устанавливать на уровне 8 м/мин для достижения оптимального качества кромки. Луч сохраняет свою дифракционно-ограниченную фокусировку, что позволяет выполнять точную резку с допусками до 0.05 мм.

Шаг 4: Мониторинг

Система использует замкнутый контур обратной связи для отслеживания интенсивности луча и уровня давления газа, что позволяет автоматически корректировать параметры для предотвращения образования дефектов. Система поддерживает стабильную работу при резке углеродистой стали толщиной 20 мм за счет мониторинга термических деформаций в реальном времени.

Шаг 5: Последующая обработка и контроль качества

Удаление шлака и заусенцев осуществляется механическими или химическими методами после завершения процесса резки. Система ЧПУ с волоконным лазером обеспечивает контроль точности размеров заготовки с погрешностью 0.01 мм. Последний этап производства включает обработку поверхности для применений, требующих полированных кромок.

Распространенные режимы резки и их применение

• Непрерывная волна (CW): Система создает постоянный луч, что позволяет быстро резать металл из углеродистой стали толщиной 15 мм в автомобильной промышленности, сохраняя при этом точность кромок.
• Импульсная волна (PW): Система генерирует короткие импульсы, которые помогают защитить тонкие материалы от теплового повреждения в процессе обработки электроники и ювелирных изделий.
• Одномодовый: Система обеспечивает превосходное качество лазерного луча, что делает ее пригодной для создания точных лазерных вырезок в медицинском оборудовании.
• Многомодовое: Система работает на высоких уровнях мощности, позволяя разрезать стальные детали толщиной 20 мм, используемые в строительстве.

Материалы, подходящие для резки волоконным лазером

Примеры лазерной резки дерева, стали и алюминия, демонстрирующие универсальность используемых материалов.

Высокая интенсивность света и точное управление лучом волоконных лазерных систем резки делают их хорошо подходящими для резки широкого спектра материалов, особенно металлов.

Драгоценные металлы

• Лазерная резка нержавеющей стали: Режет заготовки толщиной до 30 мм с использованием азота для получения кромок без окисления.
• Углеродистая стальРукоятки для резки с подачей кислорода толщиной до 25 мм.
• Изготовление изделий из алюминиевого листаОбработка материалов толщиной до 20 мм, требующая большей мощности из-за отражательной способности.
• Лазерная резка медиСветоотражающие металлические детали, нарезанные с помощью специальных насадок.

Неметаллы

• Акрил и деревоПодходит для тонких слоев, хотя и менее эффективен, чем CO₂-лазеры.
• ПолимерыОграничено определенными типами из-за поглощения длины волны.

Применение волоконной лазерной резки

Автомобильная промышленность:

Изготовление кузовных панелей, элементов шасси и выхлопных систем из нержавеющей стали и алюминия осуществляется с помощью волоконно-лазерных станков для резки. Процесс резки выполняется со скоростью 10 м/мин для углеродистой стали толщиной 2 мм, что обеспечивает высокую производительность с точностью ±0.05 мм.

Аэрокосмический сектор

Эта технология использует высокое качество лазерного луча для резки титановых сплавов и алюминия, используемых для изготовления компонентов двигателей и деталей планера, минимизируя при этом деформации в ответственных узлах.

Производство электроники

Производство корпусов печатных плат и разъемов зависит от волоконных лазеров, которые обеспечивают точную резку в импульсном режиме, минимизируя тепловое повреждение чувствительных компонентов.

Производство медицинского оборудования

Для производства имплантатов и хирургических инструментов из нержавеющей стали требуется точная лазерная резка, которую одномодовые лазерные лучи обеспечивают с точностью до 0.01 мм, что позволяет создавать сложные конструкции.

Строительство и Архитектура

Производство строительных каркасов и фасадов зависит от мощных систем, которые эффективно режут стальные листы толщиной 20 мм, а также обрабатывают конструкционную сталь и декоративные панели.

Услуги лазерной резки волоконным лазеромs

Пролеантех Мы предлагаем высококачественные услуги лазерной резки по конкурентоспособным ценам и с быстрой обработкой заказов. Наш парк лазерных станков позволяет обрабатывать сложные геометрические формы и различные материалы, включая сплавы, суперсплавы и металлы, такие как латунь. 

Сотрудничайте с нами для обеспечения неизменной точности, минимизации отходов и масштабируемого производства. Запросите полностью готовое решение. Бесплатная смета за 24 часа сейчас.

Заключение

Технология лазерной резки волоконным лазером приносит значительную пользу отрасли высокоточной обработки, поскольку обеспечивает исключительную эффективность и точность резки металла. Система работает на высоких скоростях 50 м/мин и позволяет резать материалы толщиной от 1 мм (нержавеющая сталь) до 25 мм (углеродистая сталь), что делает ее незаменимой для автомобильной, аэрокосмической и электронной промышленности. 

Развитие мощности и качества лазерного луча, а также систем ЧПУ позволяет волоконно-лазерным станкам для резки выполнять больше задач, что поддерживает их позицию как важнейших производственных инструментов. Выбор волоконно-лазерных систем зависит от конкретных требований, однако их конструкция с оптическим волокном обеспечивает надежную и высокопроизводительную работу.

Часто задаваемые вопросы

Что такое волоконный лазер?

Волоконный лазер — это источник света высокой интенсивности, по сути, лазер, легированный редкоземельными металлами, который использует усиливающую среду для получения высокоэнергетического луча, необходимого для точной резки.