Современное оборудование для лазерной сварки

Размещено на http://www.allbest.ru/

МГТУ им. Н.Э. Баумана

Введение

Лазерная резка является передовой технологией раскроя листового металла, которая достаточно успешно применяется на современном производстве. Подобный процесс обработки материала основан на использовании в качестве инструмента сфокусированного лазерного луча определенной мощности. резка гидроабразивный лазерный

В отличие от других способов резки металла, данная технология обладает рядом преимуществ. Среди них: точность, высокая скорость обработки, минимальная зона термического влияния и пр. Кроме того, немаловажное достоинство резки металла лазером -- в эффективности работы оборудования как с единичными изделиями, так и при массовом производстве. Таким образом, сегодня это выгодный и востребованный производственный процесс.

Лазерная резка оптимальна для изготовления ряда изделий из листового металла. При этом она позволяет вырезать самые сложные контуры с многочисленными прорезями, изгибами и т.д. В связи с этим лазерная резка получила широкое распространение в изготовлении дверей, торгового оборудования, металлических корпусов и пр.

Как правило, лазер применяется на современном этапе не только для резки металла, но и для гравировки различных изделий. Для этого не требуется сложное оборудование, а используются приборы небольшие по габаритам и с не самой высокой мощностью лазерного луча. Однако существуют и более серьезные установки для резки металла лазером.

Так, многое оборудование для лазерной резки представляет собой целые комплексы (системы), площадь которых достигает нескольких квадратных метров. Они включают в себя непосредственно лазер как главный инструмент, координатный стол и компьютер, необходимый для управления всей установкой. Также подобное оборудование для резки металла комплектуется вместе со специальным программным обеспечением, что позволяет ему поддерживать в процессе работы векторную графику.

Сфокусированное лазерное излучение, обеспечивая высокую концентрацию энергии, позволяет разрезать любые металлы и сплавы независимо от их теплофизических свойств. При резке детали не деформируются, так как окрестности реза практически не нагреваются. Поэтому с высокой точностью можно вырезать легкодеформируемые и нежесткие детали. Рез получается узким с зоной термического влияния меньшей, чем при любых других способах резки. Процесс резки высокопроизводителен, например тонколистовые стали можно резать со скоростью 1,2 м/мин с высоким качеством поверхности реза. Управление процессом резки осуществляется легко, что позволяет вырезать по сложному контуру плоские и объемные детали. Процесс легко автоматизируется. Недостаток лазерной резки - сравнительно высокая стоимость лазерных установок. Поэтому применять лазерную резку экономически выгодно только в тех случаях, когда использование остальных способов трудоемко или вообще невозможно.

Для резки металлов применяют лазерные установки на основе твердотельных или газовых лазеров, работающих как в импульсном, так и в непрерывном режимах.

При воздействии лазерного излучения на металл возможны два механизма резки: плавлением и испарением. Последний механизм требует больших затрат энергии. Поэтому на практике резку производят плавлением. Чтобы расплавленный металл не заполнял образующийся канал реза за счет действия капиллярных сил и поверхностного натяжения, в зону резки подают струю газа. Это может быть инертный газ, но чаще применяют воздух и даже кислород. Такой процесс называют газолазерной резкой. Струя газа, проникая в полость образующегося реза, выдувает из него жидкий металл. Кроме того, при резке сталей с использованием воздуха или кислорода металл окисляется, выделяется дополнительная теплота, процесс резки ускоряется.

Для гибкого управления количеством энергии, приходящейся на единицу длины реза (погонной энергии) применяют импульсно-периодические лазеры, в которых можно менять длительность импульсов излучения и паузы между ними. Это позволяет управлять формой реза при точной вырезке деталей сплошного контура, не допуская местных перегревов. Параметры режима газолазерной резки: частота излучения, длительность импульса, мощность излучения, скважность (отношение периода следования импульсов к длительности паузы между ними) и расход газа.

Газолазерная резка - перспективный технологический процесс, который по мере развития техники потеснит многие традиционные процессы резки.

Резка водной струей в сравнении с термической резкой - технические основы и критерии качества

Наряду с основными применяемыми методами термической резки - газовой, плазменной и лазерной, в последнее время в производстве все больше внимания уделяется резке водной струей. По сравнению с альтернативными видами резки, резка водной струей отличается широкой областью применения и отсутствием термического влияния на деталь. При выборе вида резки, немалую роль играют не только технологические критерии, но и экономические показатели. В зависимости от способа резки меняются также расходы. Рассмотрим сначала технические основы способа и качественные показатели, затем перейдем к области применения и экономичности использования данного способа резки.

Резка водной струей в сравнении с термической резкой - технические основы и критерии качества

Наряду с основными применяемыми методами термической резки - газовой, плазменной и лазерной, в последнее время в производстве все больше внимания уделяется резке водной струей. По сравнению с альтернативными видами резки, резка водной струей отличается широкой областью применения и отсутствием термического влияния на деталь. При выборе вида резки, немалую роль играют не только технологические критерии, но и экономические показатели. В зависимости от способа резки меняются также расходы. Рассмотрим сначала технические основы способа и качественные показатели, затем перейдем к области применения и экономичности использования данного способа резки.

Различие принципов резки

Ни один способ резки не универсален и не может всегда использоваться для любого материала и для любых толщин. Кроме того, геометрия кромки реза сильно отличается в зависимости от выбранного способа резки, и есть различные ограничения по комплексности разрезаемого контура. Так как конкретный способ резки реализует определенные задачи в этой многомерной области параметров, и эти задачи только частично перекрываются, все способы резки находят свою область применения. Выбор всегда остается за потребителем, который руководствуясь техническими исходными данными и поставленными требованиями, решает какой способ резки лучшим образом подходит для решения его задачи. После первичного отсеивания определенных способов, остаётся несколько альтернатив, при выборе которых сравниваются затраты на тот или иной способ резки.

При газовой резке, смесь газа, состоящая из кислорода и горючего газа (ацетилена или пропана) нагревает материал до температуры воспламенения. Как только начинается процесс горения материала, экзотермическая (теплообразующая) реакция режущего кислорода с деталью способствует теплообразованию. Возникающий при этом жидкий шлак быстро вытесняется из области реза за счет высокой скорости режущего кислорода. Этот процесс имеет большую зону термического влияния в верхнем слое. Главная область применения газовой резки это обработка конструкционной стали.

При плазменной резке энергия для расплавления материала идет из плазмы дуги между электродом в плазматроне и деталью. Коаксиально ведомый вокруг электрода плазменный газ несет две функции. Во-первых, плазма ионизируется через электрический ток между электродом и деталью и переносит энергию на деталь. Во-вторых, направленный поток газа вытесняет расплавленную массу из области реза. В современных плазменных горелках плазма целенаправленно завихряется. Это заужает плазменную дугу и приводит к тому, что обе кромки реза остаются приблизительно параллельными друг другу при большой толщине самого реза.

При лазерной резке, изначальный лазерный луч, исходящий из источника лазерного излучения, в зависимости от его типа и класса мощности, имеет диаметр до 3 см. Есть установки для резки с мощностью луча до нескольких киловатт. После того, как несколько зеркал или оптиковолоконный световод довели луч до обрабатывающей головки, он фокусируется при помощи линзы на поверхности детали и образует там диаметр 0,2 мм. Вызванная фокусированием очень мощная интенсивность энергии ведет к расплавлению материала, который вытесняется с помощью рабочего газа из образующегося зазора.

Наряду с описанными термическими способами резки, другие способы, такие как резка взрывом, воздушно-дуговая резка и с помощью кислородного резака, тоже относятся к области термической резки, но применяются только в особых случаях для решения определенных задач, в последнее время все большую популярность на рынке приобретает гидроабразивная резка. Создается струя воды с многократной скоростью звука, где вода под давлением в несколько тысяч бар нагнетается и подается через утонченное алмазное или сапфировое сопло. В большинстве случаев к струе воды добавляют абразивное вещество (тонкие песчинки с острыми гранями). Ускоренные водной струей острые частички стачивают материал в области реза.

Учет геометрии реза и термического влияния

Чтобы сравнить геометрию резов, нужно сделать образцы из одного материала, который может обрабатываться всеми перечисленными способами. Все комбинации различных толщин металла не могут находиться в оптимальном диапазоне каждого способа резки. Это означает, что для примерной выбранной толщины, все равно в конце можно выделить оптимально подходящий способ резки, так как другие способы оказываются, например, экономически невыгодными. Такие способы выигрывают по отношению с другими материалами, толщинами и соответствуют более высоким качественным требованиям.

Опыт показывает, что даже самые минимальные изменения в параметрах резки, например, изменение скорости подачи, расстояния сопла к детали, геометрии сопла, мощности резки, давления газа, также изменение химического состава материала могут значительно повлиять на геометрию и качество реза. Поэтому существует такая возможность ,что в примерно равных условиях, проведенные опыты могут иметь различные результаты резки. Поэтому приведенные здесь примеры, демонстрируют только ориентировочные значения.

С помощью автогенной и плазменной резки образуется сравнительно широкий рез, кромки которого в зависимости от способа резки не являются параллельными. Так как количество поступающей теплоты возрастает с увеличением зазора, то эти два способа относительно сильно нагревают обрабатываемую деталь. Если сравнить лазерную резку, то энергия подается более концентрированно, поэтому лазерная резка создает узкий зазор с параллельными кромками.

Рис. 1

Соответственно небольшая ширина реза и высокая скорость резки создают малую зону термического влияния. Несомненно, лазерная резка имеет ряд преимуществ, если необходимо свести к минимуму зону термического влияния или избежать тепловой деформации. Также лазерная резка хороша в тех случаях, если необходимы острые контуры и более узкие зазоры при резке, чем у выше названных способов.

При гидроабразивной резке нет зоны термического влияния, так как происходящий здесь процесс микрорезки не основывается на термическом воздействии. Образующаяся в незначительных объемах теплота трения поглощается водой и отводится, таким образом, что термическое влияние на материал не возникает.

Области применения гидроабразивной резки это резка больших толщин свыше 200 мм и материалов, которые нельзя обрабатывать другими способами, или которые проигрывают относительно качества и экономичности. Это такие минералы как гранит, мрамор, композиционные материалы, материалы со стекловолоконным и углеродным армированием, либо металлы, в которые мощность луча лазера проникает сложно, например, медь. Даже с другими материалами зачастую нет альтернатив для гидроабразивной резки, если требуется высококачественная резка больших толщин. Часто метод гидроабразивной резки используется как альтернатива лазерной и плазменной резке, так как отсутствует проблема возникновения ядовитых газов. Также, если нежелательно образование зоны термического влияния, выбор остается за гидроабразивной резкой.

Геометрия поверхности и экономичность гидроабразивной резки

С возрастающей скоростью увеличивается угол между абразивным лучом и плоскостью реза, что отклоняет струю воды назад. Согласно терминам термической резки, к гидроабразивной резке также применяются понятия, характеризующие качество реза: разделительный рез, качественный рез и точный рез.

Рис. 2 наглядно демонстрирует влияние скорости подачи при гидроабразивной резке

- Разделительный рез создается при высокой скорости. Подача организована достаточным образом для резки детали. Рез обладает V-образным профилем, на его боковой поверхности внизу образуются канавки.

- Для образования более качественного шва струя воды подается медленнее. Профиль реза получается более вертикальный и ровный. Образование канавок внизу шва нет так явно, создается лучшее качество кромки и угла. Скорость подачи составляет примерно 50% скорости при разделительном резе.

- При точном резе канавки совсем не образуются. Необходимая для этого скорость подачи составляет 25% от скорости при разделительном резе, что значительно повышает стоимость этой технологии. При высоких требованиях к качеству реза все же эти затраты компенсируют затраты, связанные с последующей обработкой.

Здесь идет речь о субъективном разделении. Нельзя точно установить параметры резки. Наряду с материалом большую роль играют такие параметры, как толщина материала, применяемое давление воды и используемый абразив.

Вполне закономерно, что при точных и качественных резах канавки меньше и не так ярко выражены. Такое поведение при резке свойственно многим металлам.

С помощью оптического метода для точного измерения поверхностей была воспроизведена структура поверхности разделительного и точного реза для сравнения. Благодаря меньшей скорости подачи при точном резе кинетическая энергия абразивного луча ослабевает не сильно по всей толщине материала, как, например, это происходит при разделительном резе. Поэтому образование турбулентности и канавок в нижней части значительно меньше. См. рис. 3, внизу.

Сравнение граф профиля поверхности демонстрирует количественную разницу точного и разделительного реза в области нижней кромки (зеленые линии). В верхней же части при врезке не наблюдается никаких различий (голубые линии).

Графы в красной рамке изображают топографию поверхности реза вертикально к поверхности детали. Волнообразная структура в зоне выхода луча (левая область в графах) создается из-за искривленных канавок на поверхности реза, которые пересекают линию измерения. Более крутые углы в разделительном резе между измерительной линией и канавками образуют на диаграмме более короткие серии волн.

Рис. 3

Так как качество поверхности зависит от положения - оно ухудшается с увеличением глубины, то для общей оценки должно быть взято наихудшее значение. Такое значение находится в нижней части реза, то есть на выходе луча из детали.

Отклонение от прямого угла

Геометрия реза при гидроабразивной резке зависит от скорости подачи. На рис. 4 показаны резы алюминиевого листа, толщиной 25 мм при различной скорости подачи. Диаметр фокусирующей трубки 0,76 мм, гидравлическое давление 3400 бар, количество абразива 340г/мин, расстояние от режущего сопла до поверхности детали 1,5 мм. При последних попытках скорость подачи была 900-1200 мм/мин, что оказалось невозможным для создания удовлетворительного реза.

С увеличением скорости подачи уменьшается общая ширина реза. Это и следовало ожидать, так как при небольшой скорости приходится больше режущей энергии на единицу площади, которая благодаря способности абразивного луча расширяться в разрезе влияет на ширину.

Кромки реза в принципе не параллельны. При высоких скоростях разрез со стороны режущей головки - как правило, сверху - шире, чем снизу. С уменьшением скорости расширяется нижняя часть реза таким образом, что при слишком низкой скорости, нижняя часть получается шире, чем верхняя. См. граф на рис. 4.

Рис. 4

Это объясняется зависимой от подачи потерей скорости и соответственно энергии частичками потока во время их трения при резке и движения сквозь деталь, в сочетании с такими факторами, как естественное расширение неограниченного потока. Точка пересечения обоих кривых обозначает скорость подачи, при которой образуются почти параллельные кромки, это означает что верхняя и нижняя часть реза равны. Вертикальная режущая головка создает здесь вертикальные кромки реза. Эти явления наблюдаются и при других видах металлов и различных толщинах, то есть при абсолютных значениях, отличающихся от данного примера.

Скорость подачи, при которой образуется рез с параллельными кромками, значительно меньше той, которая необходима для определенного качества поверхности. Чтобы поддерживать расходы на низком уровне, в большинстве случаев подача скорости подгоняется под требуемое качество поверхности и учитывается отклонение от прямого угла. Есть такие установки, которые для выравнивания погрешности угла поддерживают угол наклона режущей головки вертикально по отношению к направлению подачи, и, например, при изменении направления контура, отслеживают движение. В целом, при гидроабразивной резке можно добиваться точности деталей до сотой доли миллиметра. Но все же это не удается без повышения расходов, связанных с увеличением требований к качеству верхней зоны реза.

Таким образом, мы видим, что несколько факторов влияют на выбор оптимального способа резки.

Устройство оборудования лазерной резки

Любая промышленная лазерная установка соответствующей технологии лазерной резки, любой станок лазерной резки - основаны на принципе концентрации высокоэнергичного лазерного светового луча на поверхности обрабатываемой детали, при этом площадь лазерного потока, попавшего на плоскость, исчисляется буквально квадратными микронами. Зато плотность энергии при лазерной резке, направленной на металл чрезвычайно высока, что и является причиной появления области разогрева. В результате работы станка при лазерной резке происходит локальный расплав металла, сопровождаемый уносом молекул вещества.

Само же используемое оборудование лазерной резки достаточно стандартно для обработки металла. Оборудование лазерной резки представляет собой обычный координатный стол, сопряженный с управляемой микропроцессором станка головкой, которая по заданной программе перемещается над поверхностью обрабатываемой детали.

Выпускаются станки лазерной резки и специализированного назначения, например, в последнее время популярны лазерные станки для труб, которые пригодны для любых профилей, причем обработка может быть произведена сразу по всей длине заготовки. Это эффективный метод, обеспечивающий жесткий автоматический контроль геометрии лазерной резки при использовании станка.

Преимущества оборудования лазерной резки

Такой станок лазерной резки может также широко использоваться и при точной обработке фасонных деталей, к которым сложно применить какой-то иной метод, либо при пониженной жесткости или хрупкости заготовок. Лазерная резка - одна из немногих технологий, в которых себестоимость единицы продукции при изготовлении сложных деталей практически не зависит от величины партии, обрабатываемой станком. Именно поэтому технология лазерной резки применяется в штучном производстве, причем время от получения задания до конечного результата оказывается минимальным.

К несомненным достоинствам соответствующей лазерной технологии следует отнести:

- полное отсутствие физической деформации при работе станка;

- отсутствие микротрещин на поверхности готового изделия при использовании станка;

- возможность работы станка с пластичными и мягкими металлами;

- прецизионная точность обработки станка;

- малая толщина реза станка;

- высокая скорость станка;

- фактическая безотходность станка;

- высокая степень автоматизации процесса станка;

- приемлемая цена.

Наша компания представляет лучших мировых производителей. Продажа оборудования в Москве, Санкт-Петербурге и многих других регионах России ведется непосредственно с собственных складов. Если в вашем городе нашего филиала нет, мы гарантируем быструю и надежную доставку техники в любую точку РФ.

Эта технология на сегодняшний день является одной из наиболее прогрессивных технологий в деле создания различных деталей из листовых материалов.

Она хороша своей универсальностью, ибо она способна работать с любыми материалами, как металлическими, так и неметаллическими, например, деревом, оргстеклом, пластиком, тканью.

Работа оборудования осуществляется при помощи разогревания рабочего материала фокусированным лучом лазера. Одновременно с разогревом материала осуществляется продувка зоны резания струёй режущего газа.

Станки могут быть классифицированы по ряду рабочих параметров, как то -- интенсивность излучения в зоне резания, вид материала, с которым приходится работать, состав и давление струи режущего газа и т.п.

Оборудование подразделяется на следующие виды резки: кислородная, кислородная с поддержкой лазером, в инертном газе, термоскалывание, испарительная.

Станки дают возможность получения точного и качественного контура изделия, демонстрируя при этом высокий уровень производительности. Мощные промышленные генераторы лазерного излучения позволяют осуществлять этот непростой процесс с высокой степенью эффективности.

Замечательным качеством является исключительная точность исполнения. Высокоточность и изящество самого инструмента резания, который включает в себя излучатель станка и режущий газ, помноженное на двухконтурную систему позиционирования режущей головки по координатным осям делает работу станка точным процессом и считается самым дешёвым методом вырезания деталей из толстых листов металла, толщина которого может доходить до 30 мм.

Работа установки сопровождается незначительным расходом электрической энергии, а скорость резания станка и отсутствие расходных компонентов дают эффективный технологический процесс.

Используются технологические принципы на основе устройства волоконных и газовых лазеров станка, которые способны работать, как в импульсном, так и в постоянном, режимах. На станке работа происходит с помощью прожигания насквозь лучом лазера листового материала. В связи с отсутствием прямого контакта режущей головки и детали оборудование способно безопасно обрабатывать хрупкие изделия, успешно справляется с твёрдосплавными материалами, легко обеспечивает высокоскоростной раскрой тонколистовой стали, выгодна и в тех случаях, когда продукция выпускается небольшими партиями - так как исключает расходы на изготовление дорогих форм для литья или пресс-форм. Чтобы автоматически раскроить лист материала на станке требуется наличие файла рисунка, перенесённого в компьютер режущей установки.

Оборудование справляется со сталью любого качества и состояния, хорошо работает с алюминием и его сплавами, листами из других цветных металлов.

Станки прекрасно зарекомендовали себя при манипуляциях со сталью, толщиной -- 0,2-25 мм, «нержавейкой» -- 0,2-30 мм, алюминиевыми сплавами -- 0,2-20 мм, латунью -- 0,2-12 мм, медью -- 0,2-15 мм и т.д. Разумеется применяются разные технологии при работе станка и типы лазеров для обработки разных материалов.

Оптимальное применение технология получила в условиях крупных промышленных линий - отличное качество поверхности реза станка в сочетании с мощным лазером высокопродуктивно и незаменимо в производственном процессе.

Очень существенным нюансом данного технологического процесса является простота в отношении работы со сложными контурами, как плоских, так и объёмных деталей.

Вывод

Широкое применение лазерной сварки сдерживается экономическими соображениями. Стоимость технологических лазеров пока еще высока, что требует тщательного выбора области применения лазерной сварки. Однако, если применение традиционных способов не дает желаемых результатов либо технически неосуществимо, можно рекомендовать лазерную сварку. К таким случаям относится необходимость получения прецизионной (высокоточной) конструкции, форма и размеры которой не должны меняться в результате сварки. Лазерная сварка целесообразна, когда она позволяет значительно упростить технологию изготовления сварных изделий, выполняя сварку как заключительную операцию, без последующей правки или механической обработки. Экономически эффективна лазерная сварка, когда необходимо существенно повысить производительность, поскольку скорость ее может быть в несколько раз больше, чем у традиционных способов.

При изготовлении крупногабаритных конструкций малой жесткости или с труднодоступными швами, а также при необходимости соединения трудно свариваемых, в том числе разнородных материалов, лазерная сварка может оказаться единственным процессом, обеспечивающим качественные сварные соединения.

Список литературы

1. Ю.В. Казаков «Сварка и резка материалов» М. 2003.

2. www.websvarka.ru

3. www.svarkainfo.ru

4. www.laserrezerv.ru

5. Лазерная и электронно-лучевая обработка материалов. /Рыкалин Н.Н., Углов А.А., Зуев И.В. и др. М.: Машиностроение, 1985.

6. Основы электронно-лучевой обработки материалов. /Рыкалин Н.Н., Углов А.А., Зуев И.В. и др. М.: Машиностроение, 1978.

7. Реди Дж. Промышленные применения лазеров. М.: Мир, 1981.

8. Рыкалин Н.Н., Углов А.А. Лазерная обработка материалов. М.: Машиностроение, 1975.

Размещено на Allbest.ru