3 режима лазерной резки: испарение, плавление, сгорание

Лазер может резать материалы разными способами. В зависимости от используемой мощности, дополнительных средств и программы резки материал будет вести себя по‑разному. Давайте разберемся в этом — тема, во‑первых, интересная, а во‑вторых, полезная для производственников. Чем полезная? А очень просто: когда вы понимаете возможности, которыми можете воспользоваться — вы всегда можете выбрать именно ту, которая даст максимальную выгоду. Максимальная выгода в любых обстоятельствах — это неслабая польза.

Способов, которыми лазер может раскроить материал — навскидку 4:

• плавление,
• испарение,
• сгорание,
• раскалывание.

Почему мы почти не будем говорить про раскалывание лазером?

Но про один из них мы сегодня говорить почти не будем. Да‑да, это раскалывание. Казалось бы — как лазер, то есть луч света, может расколоть твердое тело? Раскалывают ведь обычно дрова топором — бьют с силой и материал разделяется?

Но лазер может. Это эффект термораскалывания, его используют для хрупких материалов вроде стекла. Естественно, лазером не бьют по предмету — это невозможно. Фишка здесь в том, чтобы резко разогреть лучом небольшой участок, пока струя сжатого воздуха из сопла привычно охлаждает окружающую поверхность. От такого обращения и резкого перепада температуры стекло обиженно трескается — и, что самое главное, трещина увеличивается управляемо, следуя за лучом. Допустим, классическая резка позволяет получать более точные очертания, но термораскалывание в этом плане тоже не промах.

Почему тогда мы не будем подробно на нем останавливаться? А всё просто — как уже было сказано, это технология для работы со стеклом и подобными материалами. Мы специализируемся на металле — и предпочитаем говорить о том, что знаем и любим. И о том, с чем можем помочь сами, если у вас возникнет такая потребность. Итак — три режима лазерной резки металла.

Лазерная резка в режиме плавления

Как это происходит?

Основной режим лазерной резки. Идеальный для большинства задач при лазерной резке металла. В основном, когда говорят о лазерной резке — подразумевают именно лазерную резку в режиме плавления. Суть режима, если объяснять «на пальцах», такова:

1. Лазерный луч раскаляет поверхность участка металла до температуры плавления. Эта температура для разных металлов и сплавов — естественно, разная. Но программа резки всегда составляется с учетом этого — мощность луча и скорость движения именно таковы, чтобы расплавить металл в зоне резки на всю глубину и в то же время не пережечь кромки.
2. Струя сжатого газа из сопла бьет в поверхность металла параллельно лучу. Расплавленный металл из зоны нагрева выдувается вниз, а незатронутый лучом металл кромок остается на месте, как ни в чем не бывало. При этом струя газа дает процессу и дополнительную пользу:
   1. Движение газа охлаждает металл кромок — это важно, чтобы не находящийся в зоне реза металл не перегревался и не получал тепловых деформаций. А отсутствие деформаций — это одно из основных преимуществ лазерной резки в принципе.
   2. Газовая струя защищает от расплава сам лазер — линзы оптической системы при использовании газовых и кристальных лазеров или выход волокна при использовании волоконных. Согласитесь, было бы совсем не комильфо, если бы дорогостоящая оптика выходила из строя из‑за случайного попадания первых же брызг расплавленного металла. А так мы точно знаем, что брызги если и полетят — то полетят вниз, где ничего ценного и так нет.
   3. Если в качестве газа используется не атмосферный воздух, а чистый азот или аргон, то его струя защищает раскаленные кромки реза от ненужных химических реакций. Сжатый газ закономерно вытесняет из зоны реза атмосферный воздух вместе со всем, что в нем намешано. При резке нержавейки и алюминия важно избавиться от присутствия кислорода — иначе на кромках образуются никуда не годные оксиды. Для этого используется азот. А при резке титана нужно избавиться и от кислорода, и от азота — потому что титан образует еще и нитриды, такие же негодные. Для этого используется аргон.
3. Режущая головка, в которой расположен выход лазера и системы подачи газа, передвигается на специальных направляющих над листом заготовки. И, соответственно, передвигается точка, на которой сконцентрированы энергия лазера и давление газовой струи. Так единичное отверстие превращается в нужный контур. Движение подчиняется заданной программе, в которой учтена толщина металла и температура его плавления. Всё для того, чтобы рез получился четким и экономичным.

Почему это эталон?

Режиме плавления — эталонный режим лазерной резки металла. Достаточно быстрый, достаточно точный, достаточно аккуратный и достаточно экономичный, чтобы стать одной из доминирующих технологий в металлообработке. Собственно говоря, он уже стал.

Особенности двух других режимов, их сильные и слабые стороны — оцениваются от этой отправной точки.

Лазерная резка в режиме испарения

Как это происходит?

Освежаем в памяти школьный курс физики, смотрим с проницательным прищуром на предыдущую технологию и думаем: «а что будет, если теперь вкачать в этот процесс еще больше энергии?». Именно — металл не просто расплавится, а испарится.

Это возможно. Эта технология реально используется. Лазерный луч в этом режиме работает не непрерывным потоком, а отдельными импульсами — их длина рассчитана так, чтобы испарить четко заданный участок металла и не задеть ничего кроме, не достать до материала подложки. А струя воздуха привычно удаляет испаренный металл из зоны реза.

Зачем это нужно?

Режим испарения материала под воздействием лазера нужен редко. В основном он используется для тонких задач в электронике. Или для задач, когда требуется сохранить неповрежденным материал подложки. Обычно в металлообработке, как вы понимаете, в этом просто нет смысла — нет материала подложки, под листом металла технологические окна станины и пол цеха. Не произойдет ничего страшного, если туда будет капать расплавленный металл.

Но в тонкой электронике это может быть критично — и в таком случае принципиально использование именно режима испарения.

Почему это можно использовать не везде?

Страдает коэффициент полезного действия. Для испарительной резки металл нужно нагревать намного сильнее. Например, температура плавления чистого алюминия — 660 градусов Цельсия. А вот температура его кипения — уже 2 519 градусов.

То есть чтобы испарить его, нужно единомоментно вложить в металл энергию в 3,8 раза больше. То есть, даже если рассчитывать по такой простой и грубой формуле, то получится, что 1 метр реза испарением будет стоить столько же, сколько почти 4 метра плавлением.

Формула эта — очень простая и грубая, здесь не учтено распределение тепла, потери энергии, усиленная амортизация расходных материалов оборудования. Кроме того, у разных металлов — разный разброс температур плавления и кипения. Но принцип вы поняли — лазерная резка в режиме испарения возможна, но не стоит применять ее в случаях, когда ее можно не применять. Потому что получается дорого.

Лазерная резка в режиме горения

Как это происходит?

Горение — быстрый окислительный процесс с участием высоких температур и кислорода. Мы привыкли, что горит органика — бумага, дрова — и нам странно думать о том, что металл тоже может гореть. Но он может. Просто для этого нужно, во‑первых, дать ему достаточно кислорода, а во‑вторых, разогреть его до достаточной температуры, чтобы реакция началась.

А дальше происходит удивительное — при лазерной резке с использованием кислорода большую часть тепловой энергии, режущей металл, поставляет не лазерный луч, а окислительная реакция металла, идущая в нем. Горение дает в 3–5 раз больше тепловой энергии, чем непосредственно лазерный луч. Естественно, это позволяет работать быстрее и экономичнее.

Что это дает?

Есть две технологии лазерной резки, использующие режим горения:

• Лазерная резка в кислороде — лазерный луч, как обычно, плавит металл. Но вместо атмосферного воздуха или нейтральных газов а зону реза подается чистый кислород. С его участием расплав начинает гореть, окисляться, выдавая еще больше тепла. Чем больше тепла он выдает — тем легче и экономичнее идет плавление соседних участков металла.
• Кислородная резка с лазерной поддержкой (LASOX) — здесь по‑другому смещен «баланс участия» между кислородом и лазером. Лазер вообще не плавит металл сам по себе — он просто нагревает металл достаточно, чтобы горение началось. Кислорода требуется больше, он должен подаваться с большей силой. Рез не будет таким точным, как при использовании чисто лазерной резки — однако так можно прорезать более толстый металл для использования, например, в кораблестроении.

А ведь это отлично, правда? Но и режим горения тоже не стал новым эталоном — он вспомогательный, используется для некоторых задач и не используется для остальных. Почему?

Почему это можно использовать не везде?

При горении кромки металла обгорают. Чтобы они приобрели нормальный вид и рабочие качества, их придется дополнительно обрабатывать после. Затраты на дополнительную обработку могут перекрыть выгоду, полученную от удешевления самой резки — и в результате резка в режиме горения создаст проблем больше, чем даст выгод. По факту, использование резки с участием кислорода зависит от материала.

Черная сталь отлично режется в кислороде — нагар либо не образуется, то есть по факту удаляется самим лучом, либо легко снимается. А вот нержавейка и сплавы алюминия такого обращения не прощают. Для качественной резки этих металлов лучше не просто не подавать кислород, а вообще отсечь его доступ в зону резки — например, использовав в качестве рабочего газа азот.

Резюме

Итак, есть 4 основных режима лазерной резки:

• Плавление — основной режим, который решает большую часть задач по резке.
• Горение — режим, который быстрее и дешевле режет черный металл, но не используется для высоколегированных сталей и цветных металлов.
• Испарение — специальный режим, который позволяет резать без воздействия на материал подложки, но имеет низкий КПД.
• Термораскалывание — специальный режим, который используют для стекла.

Есть задача по лазерной резке? Давайте обсудим ее предметно.