Что такое волоконная лазерная резка: определение, процесс, параметры и виды

Одно из важнейших применений волоконных лазеров — лазерная резка. Технология волоконной лазерной резки используется практически во всех современных отраслях промышленности благодаря множеству преимуществ, которые она даёт.
В этой статье мы подробно разберём, как именно работает волоконная лазерная резка и какие параметры на неё влияют. Вы также узнаете о различных типах операций лазерной резки, их преимуществах и ограничениях, а также о том, в каких сферах они применяются.

3-min.jpg.png

Что такое лазерная резка волоконным лазером?

Волоконная лазерная резка — это разновидность промышленной технологии лазерной резки, в которой для расплавления и удаления материала заготовки используется тепло волоконного лазера. В результате получается аккуратный, чистый срез.
Аббревиатура LASER расшифровывается как Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation («усиление света посредством вынужденного излучения»).
Технология волоконной лазерной резки задействует очень узкий световой луч, направляемый на обрабатываемый материал. Этот луч фокусируется с помощью подвижной оптической системы, встроенной в лазерный станок.
Существует множество различных методов генерации лазерного излучения. Волоконные лазеры получили своё название потому, что в качестве активной среды для усиления света в них используется оптическое волокно.
Такое оптическое волокно легируется редкоземельными элементами — например, неодимом, иттербием, тулием, эрбием и другими.

Когда была изобретена волоконно-лазерная резка?

Волоконный лазер был изобретён в 1961 году Элиасом Сницером. Свою разработку он продемонстрировал позднее — в 1964 году.
Эволюция лазеров для задач резки началась в 1965 году благодаря Инженерному исследовательскому центру Western Electric. Первые станки для лазерной резки использовали для сверления отверстий в алмазах — материале, известном своей исключительной твёрдостью.
В 1967 году британские специалисты усовершенствовали технологию, создав метод кислородной резки с поддержкой лазера (laser‑assisted oxygen jet cutting). Уже через десятилетие лазерные станки стали широко применяться для обработки даже самых прочных материалов — например, титана — прежде всего в аэрокосмической отрасли.

Каковы основные компоненты системы лазерной резки с использованием волоконного лазера?

Основные части и компоненты станка для лазерной резки волоконным лазером:

Источник волоконного лазера

В качестве источника излучения в волоконных лазерах используется оптоволоконный кабель с легированной сердцевиной. Для легирования применяются разные редкоземельные материалы — это даёт множество вариантов исполнения источника.
Наиболее распространены волоконные лазеры с легированием иттербием. Разные легирующие добавки позволяют получать лазерное излучение с различной длиной волны.

Режущая головка

Режущая головка — это узел, который выводит лазерный луч из системы и фокусирует его на заготовке. Она состоит из линзы, сопла и системы отслеживания фокуса. Это подвижная часть станка для волоконной лазерной резки: её перемещение соответствует направлению реза, а высота над заготовкой регулируется.

Серводвигатель

Серводвигатель отвечает за движение оптических и механических компонентов станка для лазерной резки. В современных станках используются высокоточные серводвигатели, способные обеспечивать минимальные перемещения оптических элементов. Скорость их работы тщательно контролируется — от этого во многом зависит точность лазерной резки.

Система охлаждения

Компоненты лазерного станка выделяют большое количество тепла, поэтому для защиты внутренних узлов необходима система охлаждения. Эту задачу выполняют водяные чиллеры: они способны быстро снизить температуру всего станка для волоконной лазерной резки.

Рабочий стол

Рабочий стол — это зона, на которой закрепляется заготовка. Вместе со станиной и балкой он образует так называемый «хост» (основную несущую конструкцию). В хосте размещены различные серводвигатели для обеспечения перемещения по оси Z.

ЧПУ‑контроллер

Одно из главных преимуществ станка для волоконной лазерной резки — возможность автоматизации с помощью системы ЧПУ. ЧПУ‑контроллер считывает программные инструкции и передаёт команды различным узлам станка. Он управляет перемещением режущей головки по осям X, Y и Z.

Система вспомогательного газа

Система вспомогательного газа нужна для удаления расплавленного материала с заготовки. Лазерный луч только расплавляет материал — без системы вспомогательного газа расплав остывал бы и происходила бы сварка. Система подаёт газ под давлением, выдувая расплавленный материал. В качестве газа может использоваться кислород, азот или сжатый воздух.

Панель управления

Панель управления — это интерфейс, через который оператор взаимодействует со станком и настраивает различные параметры. На панели предусмотрены функции вроде кнопки аварийной остановки. Обычно здесь же есть дисплей: он позволяет просматривать настройки, а также получать сообщения об ошибках и коды неисправностей.

Как работает лазерная резка?

Ниже представлено пошаговое описание работы систем лазерной резки:

Генерация лазерного излучения. Процесс лазерной резки начинается с генерации лазерного луча. Для этого используется отдельная система генерации. Это многоэтапный процесс, который стартует с создания света в лазерных диодах. Получаемый на этом этапе свет называют «накачивающим» (pump light).
Направленная передача накачивающего света в оптоволоконный кабель. Оптоволоконные кабели передают накачивающий световой луч к другим узлам станка. Система состоит из сердцевины и оболочки (cladding). Оболочка окружает сердцевину и действует как зеркало, обеспечивая полное внутреннее отражение лазерного луча. Благодаря конструкции оптического кабеля свет не выходит за пределы сердцевины — это гарантирует максимальную эффективность передачи.
Усиление света. Усиление света происходит в специальной камере оптоволоконного кабеля. Эта камера легирована редкоземельными элементами — например, иттербием. Когда световые лучи взаимодействуют с легирующими частицами, электроны этих частиц переходят в возбуждённое состояние с более высоким уровнем энергии. При возвращении в исходное состояние электроны высвобождают энергию в виде света. Непрерывное возбуждение и релаксация фотонов создаёт излучение высокой интенсивности — так получается усиленный лазерный луч. Для ориентации света в нужном направлении в лазерной камере используется система зеркал. На этом этапе проявляются различия в длине волны излучения для разных материалов. У разных веществ — разные уровни возбуждения и релаксации электронов, поэтому они испускают фотоны разного типа. В результате лазерный луч приобретает характеристики длины волны, специфичные для конкретного легирующего материала.
Фокусировка лазерного луча. Лазерный луч поступает к режущей головке через внутреннюю оптическую систему станка. Станок может перемещаться относительно заготовки — поэтому оптическая система обеспечивает сохранение требуемой фокусировки и диаметра луча. Некоторые станки обходятся без сложной внутренней оптики, вместо этого позволяя перемещать заготовку вокруг неподвижной режущей головки. Луч выходит из станка через режущую головку, которая оснащена высококачественной линзой. Она фокусирует лазерный луч до очень малой ширины.
Взаимодействие с материалом. Лазерный луч попадает на материал в заданной точке. Энергия луча передаётся частицам материала, мгновенно нагревая и расплавляя их. Лазер работает совместно с системой вспомогательного газа: она выдувает расплавленный материал сразу после того, как лазер его расплавил. Благодаря этому и получается характерный чистый рез, которым славится технология волоконной лазерной резки.

Каковы основные параметры лазерной резки волоконным лазером?

Работа с волоконно-оптическими лазерами требует понимания ряда параметров, связанных с этим процессом. К этим параметрам относятся:
1. Режимы работы лазера
Волоконный лазер может работать в двух режимах:

непрерывном (CW, Continuous Wave);
импульсном (PW, Pulsed Wave).

В импульсном режиме лазер излучает очень короткие импульсы, разделённые небольшими паузами.

2. Мощность лазера
Мощность лазера — это средняя энергия, запасённая в лазерных импульсах. Она измеряется в ваттах (Вт). Чем выше мощность, тем более сложные материалы способен резать станок.
Важно понимать, что речь идёт о средней выходной мощности:

непрерывный лазер мощностью 100 Вт излучает стабильные импульсы по 100 Вт;
импульсный лазер мощностью 100 Вт может генерировать импульсы до 10000 Вт.

3. Частота импульсов
Частота импульсов — это количество импульсов в секунду, измеряемое в герцах (Гц). Более высокая частота передаёт больше тепла частицам материала, что приводит к:

увеличению скорости резки;
получению более гладких краёв.

4. Диаметр луча
Диаметр луча — это толщина лазерного луча. Меньший диаметр предпочтителен для:

минимальной ширины реза (керфа);
высокоточной резки.

5. Давление вспомогательного газа
Этот параметр относится к системе вспомогательного газа. Он определяет давление (а в некоторых случаях — скорость потока) газа, который выдувает расплавленный материал из зоны реза.

6. Скорость резки
Скорость резки — это длина материала, которую станок может обработать за единицу времени. Измеряется в дюймах в минуту (IPM) или миллиметрах в минуту (мм/мин).
Как правило, скорость резки повышается при:

работе с тонкими материалами;
использовании высокомощных лазеров.

7. Толщина материала
Толщина материала влияет на:

требуемую мощность лазера;
скорость резки;
качество реза.

Чем толще материал, тем сложнее добиться высокого качества резки.

8. Состояние линзы
Состояние линзы — это показатель исправности и чистоты фокусирующих линз в режущей головке. Линза должна быть:

без царапин;
без загрязнений.

Повреждённые или грязные линзы снижают качество и производительность резки.

9. Фокальная точка

Фокальная точка — зона с максимальной концентрацией энергии лазерного луча. Заготовка размещается именно в этой точке, а её положение регулируется в зависимости от:
толщины материала;
глубины реза.

10. Тип материала
Разные материалы обладают разными физическими свойствами. На эффективность лазерной резки влияют:

отражательная способность материала;
теплопроводность.

11. Предварительный нагрев материала
Некоторые материалы сложно расплавить и разрезать лазером из‑за их свойств. В таких случаях заготовку предварительно нагревают перед резкой — это ускоряет процесс.

12. Траектория резки
Траектория реза напрямую влияет на скорость и сложность процесса:

линейная траектория — самая быстрая и простая;
сложные контуры — снижают скорость и требуют более точного управления лазером;
острые углы — самые «медленные» участки: здесь скорость резки минимальна.

Какие существуют типы волоконных лазеров?

Существует множество различных систем классификации волоконных лазеров. К ним относятся:

По типу легирующего материала

Волоконные лазеры классифицируют в зависимости от легирующих материалов. Рассмотрим основные виды:

1. Волоконные лазеры с легированием иттербием (Ytterbium‑doped Fiber Lasers)

Длина волны: 1064 нм.
Отличаются высокой мощностью и эффективностью.
Применяются не только для резки, но и для лазерной маркировки, гравировки и сварки.

2. Волоконные лазеры с легированием эрбием (Erbium‑doped Fiber Lasers)

Имеют переменную длину волны. Наиболее распространённые значения — 980 нм и 1480 нм.
Благодаря длине волны способны передавать сигнал на большие расстояния.
Находят применение в медицине, телекоммуникациях и спектроскопии.

3. Волоконные лазеры с легированием тулием (Thulium‑doped Fiber Lasers)

Диапазон длины волны: от 1810 нм до 2100 нм.
Широко используются в датчиках и медицинских приложениях.

По режиму работы

Станки для лазерной резки могут работать в разных режимах:

1. Лазер непрерывного действия (Continuous Wave Laser, CW)

Излучает один непрерывный лазерный луч на протяжении всего цикла работы.
Подходит как для лазерной резки, так и для сварки.
Номинальная мощность в этом режиме соответствует фактической выходной мощности лазера.

2. Импульсный лазер (Pulsed Wave Laser, PW)

Генерирует короткие импульсы лазерного излучения.
Мощность каждого импульса значительно превышает номинальную мощность лазера.
Существует несколько типов импульсных режимов, например, с модуляцией добротности (q‑switched) и с переключением усиления (gain‑switched).

По характеристикам дальнего поля (Far‑field Distribution)

Классификация основана на распределении интенсивности лазерного луча на расстоянии:

1. Одномодовый лазер (Single‑Mode Laser)

Имеет один пик интенсивности с колоколообразной формой.
Обладает малой шириной луча, что приводит к небольшой площади контакта и относительно низкому уровню передачи энергии.
Идеален для задач, требующих высокой точности и тонкого реза.

2. Многомодовый лазер (Multi‑Mode Laser)

Характеризуется несколькими пиками интенсивности и большим диаметром сердцевины.
За счёт увеличенного диаметра сердцевины способен передавать более высокую мощность на обрабатываемый материал.
Подходит для резки толстых материалов и задач, где требуется высокая скорость обработки.

Какие материалы может резать волоконный лазер?

Станок для лазерной резки волоконным лазером может работать с широким спектром материалов, таких как:

Металлы и сплавы

Лазеры могут резать любые металлы и их сплавы — как чёрные, так и цветные. Вот примеры:

алюминий;
медь;
сталь;
нержавеющая сталь;
титан;
латунь;
углеродистая сталь.

Дерево

Волоконный лазер способен резать дерево без образования опилок — это работает для всех типов древесины. Однако при работе нужно соблюдать меры пожарной безопасности. Также важно убедиться, что на древесине нет легковоспламеняющихся покрытий — красок или масел.
Чаще всего лазером режут:

твёрдую древесину;
мягкую древесину;
ламинированные материалы, например, МДФ.

Бумага и бумажные изделия

Лазер позволяет выполнять сложные, детализированные резы на бумаге и картоне. Эта возможность активно используется при изготовлении:

декоративных открыток;
свадебных приглашений;
элементов упаковки и полиграфии.

Пластики и композиты

Резка пластика требует особой осторожности: выделяющиеся при нагреве газы могут повредить оптику волоконного лазера. Поэтому для лазерной обработки подходит ограниченный набор пластиков.
При этом волоконный лазер отлично справляется с твёрдыми композитными материалами — например, с углепластиком (карбоном).

Прочие материалы

Помимо перечисленных, волоконный лазер может обрабатывать и многие другие материалы:

алмазы;
керамику;
вольфрам;
графит;
кремний.

В чём преимущества лазерной резки волоконным лазером?

Волоконно-лазерная резка обладает рядом преимуществ по сравнению с альтернативными промышленными технологиями резки. Некоторые из них:

Отсутствие пыли при резке

При лазерной резке материал не срезается, а расплавляется и удаляется из зоны реза. Благодаря этому не образуется пыли — рабочее пространство остаётся чистым, что улучшает условия труда и снижает затраты на уборку.

Отсутствие режущего инструмента

В волоконном лазере нет физического режущего инструмента, а процесс не основан на трении. Это значит, что вам не придётся регулярно менять изношенные инструменты — экономия времени и денег гарантирована.

Высокая точность

Волоконная лазерная резка — одна из самых точных технологий. Её превосходная точность обусловлена исключительно тонким профилем лазерного луча: он позволяет получать чёткие контуры и минимальные допуски, что критично для сложных деталей.

Универсальность

Волоконный лазерный станок может резать практически любые материалы — как проводники, так и изоляторы. Вам не нужно закупать разное оборудование или оснастку для разных типов сырья: один станок справится с металлом, пластиком, деревом и другими материалами.

Автоматизация

Волоконные лазерные станки легко интегрируются с системами автоматизации — например, с ЧПУ. Программы полностью управляют движением станка без ручного вмешательства, что повышает повторяемость операций и снижает влияние человеческого фактора.

Энергоэффективность

Потребление энергии у волоконного лазерного станка значительно ниже, чем у традиционных режущих машин. Это делает технологию экономически выгодной и более экологичной — особенно при больших объёмах производства.

Скорость работы

Станок для волоконной лазерной резки способен обрабатывать материал со скоростью до 3 метров в минуту. Такая высокая скорость напрямую ведёт к росту производительности и сокращению времени выполнения заказов.

Низкие эксплуатационные расходы

У волоконного лазерного станка нет затрат на оснастку, а текущие расходы минимальны:

не нужны сменные инструменты;
обслуживание проще и реже;
энергопотребление снижено.

В результате общие эксплуатационные затраты остаются на очень низком уровне — что делает технологию выгодной в долгосрочной перспективе.

Ограничения лазерной резки

Лазерная резка обладает высокой универсальностью и является широко распространенной технологией. Тем не менее, для некоторых пользователей станки для лазерной резки с волоконным лазером могут иметь определенные ограничения. К таким ограничениям относятся:

Ограничения по материалам

Не все материалы подходят для резки волоконным лазером. В первую очередь это касается пластиков, при нагреве которых выделяются токсичные газы. К таким материалам относятся:

ПВХ (PVC);
АБС‑пластик (ABS);
поликарбонат (Polycarbonate);
полиэтилен высокой плотности (HDPE).

Работа с этими материалами не только может повредить оборудование, но и представляет серьёзную опасность для здоровья персонала. Перед резкой всегда проверяйте состав и свойства материала.

Обслуживание и сервис

Волоконный лазерный станок требует регулярного технического обслуживания. Пренебрежение этим правилом может привести к повреждению внутренних компонентов — например, фокусирующих линз. В результате:

снижается точность резки;
ухудшается качество кромки;
падает общая производительность станка.

Плановое обслуживание помогает избежать дорогостоящего ремонта и продлить срок службы оборудования.

Первоначальные затраты

Хотя эксплуатационные расходы у волоконного лазера низкие (практически единственный расходный ресурс — электроэнергия), для приобретения самого станка требуется значительное первоначальное вложение. Это важный фактор при планировании бюджета: окупаемость достигается за счёт длительной эксплуатации и экономии на обслуживании, но стартовые инвестиции могут быть существенными.

Толщина материала

Волоконный лазер эффективен для резки материалов толщиной до нескольких сантиметров. В некоторых случаях этого может быть недостаточно — например, при работе с особо толстыми металлическими листами или массивными заготовками. Перед покупкой станка обязательно оцените максимальную толщину материалов, с которыми планируете работать.

Как выбрать станок для лазерной резки волоконным лазером?

При выборе волоконного лазерного резака оцените доступные варианты, исходя из следующих параметров:

Тип материала

Прежде всего определитесь с типом и толщиной материалов, которые планируете резать. Это сразу сузит круг подходящих вариантов:

разные станки рассчитаны на работу с разными металлами, сплавами, пластиками и другими материалами;
толщина заготовки напрямую влияет на требуемую мощность лазера.

Например, для тонких листов стали подойдёт менее мощный станок, а для толстого титана потребуется оборудование с высокой мощностью.

Скорость резки

У разных станков — разная рабочая скорость. Выбирайте модель, которая обеспечит необходимую производительность для ваших задач:

если у вас крупносерийное производство, нужна высокая скорость резки;
для мелкосерийного или штучного производства можно выбрать станок с меньшей скоростью — это сэкономит бюджет.

Ориентируйтесь на показатели в мм/мин или м/мин — они покажут, сколько материала станок может обработать за единицу времени.

Автоматизация

Если вы планируете внедрить автоматизированную систему, выбирайте станок с поддержкой ЧПУ. Преимущества такого решения:

программы полностью управляют движением режущей головки;
повышается точность и повторяемость операций;
снижается влияние человеческого фактора;
можно легко интегрировать станок в автоматизированную производственную линию.

Стандарты безопасности

Безопасность станка — критически важный параметр, который защищает:

оператора от травм, воздействия лазерного излучения и вредных испарений;
рабочее пространство от возгораний и других аварийных ситуаций.

Убедитесь, что оборудование:

соответствует действующим отраслевым стандартам безопасности;
оснащено защитными кожухами, блокировками и системами аварийного отключения;
имеет эффективную систему вентиляции для удаления дыма и газов.

Бренд

При выборе тяжёлого промышленного оборудования, такого как лазерный станок, репутация бренда имеет большое значение. Почему это важно:

волоконный лазер содержит чувствительные компоненты (оптические линзы, серводвигатели, систему охлаждения), которые должны быть высокого качества;
надёжные производители обеспечивают стабильную работу без частых поломок;
известные бренды предлагают качественную техническую поддержку и сервис;
хорошее гарантийное и постгарантийное обслуживание сокращает время простоев.

Выбирайте оборудование от проверенных производителей с положительной репутацией на рынке — это поможет избежать частых сбоев и длительных простоев в работе.

Каковы области применения станка для лазерной резки волоконным лазером?

Волоконный лазерный станок используется в широком спектре отраслей, в том числе:

автомобилестроение;
металлообработка;
аэрокосмическая промышленность;
электроника;
производство декоративных изделий;
полиграфия;
производство кухонной утвари;
светотехника;
общее машиностроение и производство;
рекламная индустрия.

Существуют ли какие-либо сложности при лазерной резке волоконным лазером?

Основная сложность при использовании волоконной лазерной резки — ограничение по толщине обрабатываемого материала. Технологии лазерной резки отлично подходят для работы с листовыми материалами, но малоэффективны при обработке толстых заготовок.
Кроме того, резка материалов, выделяющих токсичные газы, несёт дополнительные риски: эти газы могут оседать на оптических элементах станка и необратимо их повреждать.

Какое техническое обслуживание требуется для системы лазерной резки с волоконным лазером?

Основное требование к обслуживанию системы лазерной резки — убедиться, что система охлаждения работает исправно. Это подразумевает периодическую проверку:

фильтров;
уровня охлаждающей жидкости.

Кроме того, линзы и зеркала необходимо регулярно очищать от осевшей пыли. Чистая оптоволоконная система обеспечивает более высокое качество лазерного луча.

Существуют ли какие-либо экологические аспекты или нормативные требования, связанные с лазерной резкой волоконным лазером?

Основное экологическое ограничение при использовании волоконного лазера для резки — образование дыма, газов и аэрозолей. Важно заранее ознакомиться с местными нормативными актами: они могут содержать специальные требования к утилизации таких отходов.

Как долго служит волоконно-оптическая лазерная система?

При правильном использовании и обслуживании волоконный лазерный станок может прослужить более 50 лет — это соответствует примерно 100 000 рабочим часам.
Для сравнения: срок службы станков для лазерной резки на основе CO₂ составляет всего около 10 лет.

Сколько стоит волоконный лазерный резак?

Стоимость станка для волоконной лазерной резки может сильно. Широкий ценовой диапазон объясняется различиями в ключевых параметрах:

функционале оборудования;
степени автоматизации;
мощности лазера и т. д.

Сосредоточение внимания на качестве станка, а не только на его начальной стоимости, позволит добиться лучших результатов и более высокой окупаемости инвестиций.

В чём разница между волоконно-оптической лазерной технологией и CO2-лазером?

Разница между волоконным лазером и CO2-лазером заключается в типе лазерной системы. Волоконный лазер использует лазерный резонатор из легированного редкоземельными элементами волокна для генерации усиленного светового луча.
С другой стороны, CO2-лазер использует газоразрядную трубку для генерации лазерного излучения.

Заключение

Станок для волоконной лазерной резки — отличное решение для обработки любых материалов без затрат на режущий инструмент.
Современные волоконные лазеры способны резать даже металлы с самой высокой твёрдостью и низкой обрабатываемостью. Благодаря этому лазерная резка становится выгодной инвестицией для самых разных промышленных задач.

Источник: www.accurl.com

Возврат к списку