Řezání laserem je pokročilá výrobní technologie, která využívá laserové paprsky s vysokou{0}}výkonnou{1}}hustotou ve spojení s CNC zařízením k provádění bez-kontaktního zpracování materiálu. Počátky této technologie se datují do roku 1965, kdy byl první laserový řezací stroj použit při vrtání diamantovými zápustkami, přičemž Spojené království dosáhlo prvního laserového-řezání kovů pomocí kyslíku v roce 1967. Během 70. let začala technologie laserového řezání pronikat do leteckého průmyslu a po širokém zavedení CO₂ laserů v 1980 konvenčních plazmových řezacích procesech.
Laserové řezání se jako metoda tepelného řezání vyznačuje vynikající kvalitou řezu, vysokou účinností a výjimečnou flexibilitou, což umožňuje výrobu v rozsahu od zakázkových zakázek na jednotlivé jednotky až po velkoobjemovou-výrobu.
Provozní principy
1.1 Generování laseru a vlastnosti paprsku
Laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) vytváří vysoce koherentní, monochromatický paprsek prostřednictvím stimulované emise. Laserový systém se skládá ze tří základních součástí: aktivního média (pevná látka, kapalina nebo plyn), zdroje energie (čerpací mechanismus) a optického rezonátoru. Když je aktivní médium pod napětím, emituje fotony; rezonátor odráží tyto fotony tam a zpět skrz médium, zesiluje a zarovnává světelné vlny, aby nakonec vytvořil laserový paprsek s vysokou -energií-.
Laserové paprsky se liší od běžného světla v několika kritických aspektech: vysoká intenzita, extrémně úzký frekvenční rozsah (monochromatičnost), ostrá kolimace a vysoká koherence.
1.2 Fyzický řezací mechanismus
Proces řezání laserem zahrnuje dvě současné operace:
Zahřívání materiálu a fázové transformace: Zaostřený laserový paprsek s vysokou{0}}výkonnou{1}}hustotou ozařuje povrch obrobku, což způsobuje, že ozařovaná oblast rychle eskaluje, rychle se taví, odpařuje, odstraňuje nebo vznítí.
Vyhazování taveniny: Vysokorychlostní asistenční plyn, koaxiální s paprskem, vyfukuje roztavený materiál ze zářezu a dosahuje oddělení materiálu. Tento proud plynu současně chrání zaostřovací optiku před kontaminací výpary a rozstřikem.
1.3 Přesnost a parametry procesu
Laserové řezání dosahuje rozměrové přesnosti ±0,05 mm, šířky zářezu 0,10–0,20 mm a drsnosti povrchu v řádu desítek mikronů. Mezi klíčové parametry ovlivňující kvalitu řezu patří:
Výkon laseru a hustota výkonu: Určete dosažitelnou tloušťku materiálu a řeznou rychlost
Ohnisková poloha paprsku: Ovlivňuje šířku zářezu a svislost
Typ a tlak pomocného plynu: Určuje účinnost vypouštění taveniny
Průměr trysky: Obvykle se pohybuje od 0,8 mm do 3 mm, vybírá se na základě materiálu a tloušťky
Stojí za zmínku, že vysoce reflexní materiály, jako je měď a hliník, vykazují extrémně nízkou míru absorpce pro specifické vlnové délky laseru, což představuje značné problémy při zpracování.
Primární klasifikace procesů a technické charakteristiky
Procesy řezání laserem jsou rozděleny do čtyř hlavních typů na základě mechanismů odstraňování materiálu:
2.1 Řezání laserovým odpařováním
Laserový paprsek s vysokou{0}}energií-zahřívá obrobek, rychle dosahuje bodu varu materiálu a způsobuje přímé odpařování. Vysokorychlostní-odstřik páry současně vytváří zářez.
Power density requirement: Typically >10⁸ W/cm²
Použitelné materiály: Extrémně tenké kovy a {0}kovové materiály (papír, tkanina, dřevo, plasty, pryž atd.)
Charakteristika: Vysoká spotřeba energie; vhodné pro aplikace vyžadující vyloučení roztavených zbytků
2.2 Laserové tavné řezání
Laserový ohřev roztaví materiál a ne{0}}oxidační pomocný plyn (Ar, He, N₂ atd.) vytlačí roztavený kov vysokým tlakem a vytvoří zářez.
Energetická účinnost: Vyžaduje pouze 1/10 energie řezání odpařováním
Použitelné materiály: Nerezová ocel, titan, hliník a jejich slitiny-materiály odolné vůči oxidaci nebo reaktivním kovům
Výhoda procesu: Vyrábí-bezoxidové řezané hrany s vysokou kvalitou hran
2.3 Laserové řezání kyslíkem (řezání plamenem)
Obdobně jako při řezání kyslíkem a acetylenem, tento proces využívá laser jako předehřívací zdroj tepla a kyslík jako řezný plyn. Kyslík reaguje exotermicky s kovem a současně vyfukuje roztavené oxidy.
Energetická účinnost: Vyžaduje pouze 1/2 energie tavného řezání; řezná rychlost výrazně převyšuje jak odpařování, tak řezání tavením
Použitelné materiály: Uhlíková ocel, titanová ocel a tepelně -zpracované oceli-kovy náchylné k oxidaci
Omezení procesu: Širší řez, větší zóna ovlivněná teplem-, náchylnost k rohovému vypalování a relativně horší kvalita hran
2.4 Laserové rýhování a řízená zlomenina
Laserové rýhování využívá laser s vysokou-energií- hustoty ke skenování povrchu křehkých materiálů, odpařování mělké drážky tepelným odpařováním, po kterém následuje mechanická síla, aby se materiál podél drážky zlomil. Řízený lom využívá strmý tepelný gradient generovaný laserovým drážkováním k vytvoření lokalizovaného tepelného napětí v křehkém materiálu, což způsobuje oddělení podél drážky.
Použitelné materiály: Keramika, polovodiče a další křehké materiály
Typické lasery: Q-spínané lasery, CO₂ lasery
Aplikační domény a průmyslová hodnota
Technologie řezání laserem pronikla do několika kritických průmyslových odvětví:
Automobilová výroba: Rámy karoserie, komponenty airbagů, vnitřní panely
Letecký a kosmický průmysl: Součásti motorů, potrubí z titanové slitiny, výztuhy potahu trupu
Výroba elektroniky: Přesné mikro-součástky, obvodové desky, konektory
Lékařská zařízení: Koronární stenty, chirurgické nástroje, mikrofluidní zařízení
Výroba plechů: Stala se dominantním procesem a nahradila konvenční metody
Závěr
Řezání laserem jako základní výrobní technologie nadále pohání průmyslovou transformaci prostřednictvím svých kombinovaných výhod vysoké přesnosti, vysoké účinnosti a výjimečné flexibility. Od řezání odpařováním po řezání za pomoci kyslíku-a od CO₂ laserů po vláknové lasery, nepřetržitý technologický vývoj rozšířil hranice aplikací laserového řezání, což umožňuje vysoce-kvalitní a efektivní zpracování v širší škále materiálů a tlouštěk.
