Резка алюминия лазером: этапы и оборудование для обработки

• Металлические свойства алюминия
• Лазерная резка алюминия
• Размер алюминиевых пластин для лазерной резки
• Лазерные аппараты для резки алюминиевых пластин
• Показатели для выбора лазерного аппарата
• Достоинства лазерных аппаратов в резке алюминия
• Этапы лазерной резки алюминия
• Газы для лазерной обработки алюминия
• Вопросы и ответы

Металлические свойства алюминия

Группа цветных металлов включает латунь, медь, серебро, золото и алюминий. У них есть такие свойства, как легкость и высокие показатели проводимости. Алюминий не покрывается ржавчиной и устойчив к коррозии, как это делают железо и сталь. Его высокая гибкость также уменьшает отходы.

Из алюминия делают буквы и таблички при производстве рекламы, отделочные элементы в машиностроении. Его используют в строительстве и при производстве мебели и осветительных приборов.

Алюминиевые детали (и элементы из его сплавов) отличаются высокой пластичностью, хорошей теплоемкостью, электропроводностью и устойчивостью к коррозии из-за образования оксидной пленки на поверхности.

Популярный сплав дюраль используют в автомобилестроении и авиастроении. Дюраль – это соединение из меди и алюминия. Другой важный сплав — силумин применяют в разных технологических процессах. Для получения силумина в алюминий добавляют кремний. Марганец при добавлении к алюминию значительно увеличивает его устойчивость к коррозии. Сплавы металла с другими химическими элементами отличаются эластичностью и гибкостью материала.

Алюминием заменяют стальные элементы в каркасах и узлах машин. Повышенная алюминиевая электропроводность сплавов металла обеспечивает стойкость в работе и срок службы проводов в электротехники.

Лазерная резка алюминия

Для резки тонколистовых цветных металлов применяют как CO2-лазеры, так и волоконное оборудование. CO2-аппараты требуют защиты оптической системы от отраженного излучения, что достигается нанесением специального покрытия на материал. Волоконные станки разрезают цветные металлы без таких защитных покрытий, что упрощает производство.

Обработка алюминия возможно и другими способами: плазменной, гидроабразивной и механической резками. Лазерная резка, в сравнении с традиционными методами, обеспечивает значительно более быстрое время обработки и гладкость реза: плоскость получается ровной, без заусенцев и других дефектов, что часто исключает дополнительную шлифовку или полировку. 

Возможности конкретного метода резки металла определены толщиной металлопроката, требуемой четкостью и производительностью.

Размер алюминиевых пластин для лазерной резки

Результаты лазерной резки зависят от концентрации мощности излучателя. Например, станок с мощностью 6000 Вт способен разрезать алюминиевые пластины толщиной до 16 мм, а станок мощностью 4500 Вт – до 12 мм. Однако следует учитывать, что обработка лазером обходится дороже, чем резка других материалов, из-за высокого коэффициента отражения алюминия, требующей увеличенного времени работы и энергопотребления.

Процесс лазерной резки основан на воздействии высококонцентрированного луча, который прогревает обрабатываемую поверхность до температуры плавления и испарения. 

Время и качество резки зависят от концентрированности лазерного луча, фокусного расстояния, скорости перемещения головки и типа излучателя (CO2 или волоконный). Время обработки металла увеличивается вместе с повышением отражательных способностей металла. Этот же показатель может влиять на чистоту реза, требуя изменения свойства резки для достижения нужного результата.

Лазерные аппараты для резки алюминиевых пластин

Существует три основных типа станков для резки: лазеры на углекислом газе (CO2-резаки), волоконные и с ламповой накачкой (включая YAG-станки). 

Однако, точность резки CO2-станками существенно снижается при обработке алюминия из-за его высокого отражения: большая часть энергии отражается от поверхности, что приводит к недостаточной мощности для эффективного плавления и испарения материала. Для компенсации этих потерь используют CO2-станки высокой мощности и частоты, которые быстро нагревают плоскость металла.

Волоконные лазеры показывают значительно более высокую производительность в резке, уменьшая время обработки. CO2-лазеры с такой же мощностью обрабатывают втрое дольше. 

Волоконные и YAG-лазеры чаще применяют в резке алюминия и других металлов, таких как нержавеющая и углеродистая сталь, из-за экономии и своей распространенности. Тем не менее резание волоконными или YAG-станками очень толстых алюминиевых пластин может быть затруднена из-за высокой отражательной способности материала.

Для качественного и равномерного реза, используют защитный газ – азот. Он не окисляет кромку реза, сохраняя цвет и свойства сырья, и обеспечивает более чистый и эстетичный результат. 

Выбор типа аппарата и параметров обработки определяется толщиной алюминиевой пластины, требуемым качеством реза и экономическими соображениями.

Показатели для выбора лазерного аппарата

Выбор лазерного резака требует комплексного анализа нескольких основных факторов: чистоты реза, времени работы и цены.

• Чистота реза: большая отражательная способность алюминия ограничивает

работу с толстыми листами. Даже с использованием волоконных и YAG-лазеров, максимальная толщина обрабатываемого материала ограничена. Ориентировочно, лазер мощностью 2000 Вт разрезает алюминий толщиной 6-8 мм, 4000 Вт – 12 мм, а 6000 Вт – 16 мм. Волоконные резаки обеспечивают более высокое качество реза алюминиевых листов, но алюминий чувствителен к высоким температурам и склонен к образованию заусенцев, требующих оптимизации параметров резки.

• Время работы: скорость обработки влияет на производительность и цену

производства. Быстрая скорость обработки чревата некачественным резом с образованием заусенцев, а слишком низкая – к появлению трещин и неровностей. При сравнении волоконных и YAG-аппаратов одинаковой мощности, волоконные резаки обычно более скоростные.

• Цена: резка лазером экономична в отличие от других методов обработки

(например, механической резкой или гидроабразивной). Сравнение волоконных и YAG-резаков показывает, что волоконные резаки первоначально дешевле в эксплуатации. Однако, высокая отражательная способность металла изнашивает волоконный станок. Поэтому резка YAG-аппаратом может быть в итоге более выгодной. 

Выбор между волоконным и YAG-резаками основывается на балансе между начальными инвестициями, сроком службы оборудования и объемом запланированных работ.

Достоинства лазерных аппаратов в резке алюминия

• Лазерная резка отличается минимальной погрешностью и качеством: рез получается тонким и чистым.
• Скорость обработки высока, а точность позиционирования достигает ±0,1 мм с повторяемостью ±0,05 мм. 
• Дистанционный метод: исключает механическое воздействие на материал, поломки инструментов и повреждение форм.
• Возможность размещения заготовок вплотную друг к другу экономит до 30% материала.
• Обработка занимает один проход, исключая дополнительные действия.
• Благодаря бесконтактному методу, механическая головка станка не повреждает поверхность обрабатываемого материала.
• Лазерная резка характеризуется малой областью термического воздействия, минимальным искажением материала и очень тонким швом (0,1-0,3 мм).

Этапы лазерной резки алюминия

Процесс резки лазером предполагает следующие этапы:

1. Очистка режущей кромки: на обрабатываемую зону подается поток сжатого газа (чаще всего азот или кислород), который эффективно удаляет расплавленный металл с режущей кромки. Это предотвращает образование заусенцев и неровностей на поверхности среза, обеспечивая высокое качество обработки и исключая дополнительную финишную обработки.  
2. Плавление материала: сфокусированный луч нагревает поверхность материала до температуры плавления.  
3. Выдувание расплавленного металла: одновременно с плавлением, высокоскоростной поток газа выдувает расплавленный металл из зоны среза, формирует узкую и чистую щель.  
4. Формирование реза: за счет синхронного перемещения луча и обрабатываемой заготовки, образуется форма среза.

Газы для лазерной обработки алюминия

Чистота и тип используемого газа влияют на качество лазерной резки. Чаще всего применяют две основные технологии: резка в кислородной среде низкого давления и в инертной аргоновой или азотной среде высокого давления.

Выбор газа зависит от обрабатываемого металла и требуемым качеством реза. Для резки тонких алюминиевых листов (например, 1,6 мм) можно использовать как азот, так и сжатый воздух. Однако, использование азота обеспечивает более шлифованный и ровный срез по сравнению с воздухом, который может оставлять небольшой слой шлака.

В лазерных станках применяют следующие вспомогательные газы:

• Кислород: ускоряет процесс горения и поддерживает его постоянство. Однако, в работе с толстолистовыми материалами из-за кислорода появляется оксидная пленка на кромке. Для высокого качества необходим кислород высокой степени очистки.
• Азот: с высокой чистотой при резке алюминия он предотвращает окисление металла, обеспечивая чистую и ровную поверхность реза без потемнения кромки. При резке с азотом поверхность получается без образования заусенцев, характерных при использовании кислорода. Азот плавит металл, но не вызывает горения или интенсивного испарения.
• Воздух: применяют для резки тонколистового материала, но качество реза будет ниже, чем при обработке с азотом.
• Аргон: инертный газ, который защищает оптику и снижает окисление. Обработка материалов с аргоном предотвращает образование оксидной пленки.

• Газы выполняют вспомогательные функции при резке:
• Охлаждение: воздух и азот понижают температуру режущей головки.
• Удаление частиц: выдувают расплавленный металл и другие продукты резки из зоны обработки.
• Защита оптики: предотвращают попадание расплавленного металла и шлака на линзу, продлевая срок ее службы.