Возможна ли резка отражающих металлов лазером?

• Можно ли резать лазером отражающие металлы?
• Материалы с высоким коэффициентом отражения: проблема ли это?
• Что делает металл "высокоотражающим"?
• Почему сложно резать отражающий металл? 
• Волоконные лазеры для резки металла 
• Что необходимо для резки меди и латуни волоконным лазером?
• Скорость резки: настройка баланса
• Положение фокуса
• Регуляция мощности
• Режущий газ: Повышение надежности
• Гидроабразивная резка
• Рекомендуемые методы резки отражающих материалов 

Лазерная резка отражающих металлов выполняется с особой аккуратностью из-за потенциального риска повреждения системы линз. Резка цветных и высокоотражающих материалов с помощью CO2 лазеров обычно сопряжена с определенными трудностями. Из-за потенциальных проблем многие профильные компании избегают использование лазеров для резки металлов.

Цель этой статьи - рассказать, почему лазерная резка отражающих металлов вызывает трудности и с помощью какого оборудования можно резать данные материалы. 

Можно ли резать лазером отражающие металлы?

Короткий ответ - да, но есть риск отражения лучей и поломки лазерного станка.

Если резка  выполняется со стабильными параметрами и правильными настройками, вероятность повреждения, вызванного отражением, может быть значительно снижена, что позволяет использовать CO2-лазер для резки таких материалов, как алюминий.

Кроме того, многие современные лазерные станки оснащены системой защиты от сбоев, предотвращающей повреждение оборудования для резки. Датчики в лазерной головке контролируют уровень излучения и автоматически отключают лазер, если слишком много излучения отражается обратно в линзу, прежде чем будет нанесен какой-либо ущерб.

Рис. 1. Лазерная резка латуни 

Медь и латунь (медно-цинковый сплав) являются хорошими отражателями (и, следовательно, плохими поглотителями) инфракрасного (ИК) лазерного света, особенно в твердом состоянии.

Материалы с высоким коэффициентом отражения: проблема ли это?

Проблемы возникают из-за свойств определенных материалов и связаны с законами физики, в частности оптики, согласно которым каждый луч света отражается и преломляется (а также поглощается) в большей или меньшей степени в зависимости от отражающей способности поверхности, на которую он воздействует. Поэтому, если поверхность имеет высокую отражательную способность, падающий луч будет отражен. 

Это ключевой момент для понимания проблемы: отраженный луч или его часть следует в направлении, которое вернет его обратно к источнику. Однако источник предназначен для передачи, а не для приема, поэтому это явление влияет на его работу. Известное как обратное отражение, это явление чрезвычайно опасно, поскольку вызывает частые прерывания процесса, что может исключить обработку определенных материалов, привести к некачественной отделке, и навсегда повредить сам лазер.

Рис. 2.  Медь различной толщины, обработанная лазером мощностью 8 кВт. Слева направо 12 мм и 5 мм кислородная резка, 5 мм азотная резка.

Что делает металл "высокоотражающим"?

Металлическая поверхность имеет большой коэффициент отражения. Это обусловлено наличием в металлах большого числа «свободных» электронов (т.е. электронов не связанных с конкретным атомом, а могущих перемещаться внутри кристаллической решетки). Вторичные волны, обусловленные вынужденными колебаниями этих электронов, ведут к образованию сильной отраженной волны (отражается 95% и больше) и слабой волны, идущей внутрь металла. 

Серебро и алюминий считаются двумя самыми отражающими металлами на земле (серебро само по себе может отражать до 95% видимого света) и широко используются в зеркалах, солнечных стеклах, солнцезащитных очках и ювелирных изделиях. Другие отражающие металлы, которые трудно поддаются лазерной резке с помощью CO2-лазеров, включают желтые металлы, такие как золото, медь, латунь и бронза. 

Хотя нержавеющая сталь обычно не считается отражающим металлом, она может проявлять некоторые отражающие свойства при зеркальной полировке. Это может вызвать проблемы при лазерной резке, поэтому обычно поставляется с пластиковым покрытием со стороны резки, чтобы минимизировать риск.

Таб. 1. Необходимая мощность лазера для резки меди 

Почему сложно резать отражающий металл? 

Причина, по которой использование технологии лазерной резки CO2 на вышеупомянутых отражающих материалах является проблематичным, заключается в том, что лазерные резаки используют пучки света и зеркала. При разрезании такого материала, как алюминий, лазерный луч может отразиться от металлического листа и попасть обратно в линзу или зеркала.

Длина волны излучения волоконных лазеров составляет около 1,07 мкм, по сравнению с 10,6 мкм у традиционных альтернатив CO2. Лазерный свет с длиной волны 1,07 мкм не только меньше отражается и, следовательно, легче поглощается, но и более короткая длина волны может быть сфокусирована в пятно, диаметр которого составляет примерно 1/10 диаметра луча CO2.

Поверхность металлического листа - не единственный источник, который может вызвать вредное отражение. В силу присущей лазерной резке природы существует вероятность присутствия некоторого количества расплавленного металла в процессе резки, часть расплавленного металла также может обладать высокой отражающей способностью и стать источником опасного отражения. 

Волоконные лазеры для резки металла 

Волоконные лазеры используют оптические волокна, которые направляют лазерный луч, вместо сложной системы зеркал. Волоконно-оптические кабели вместо зеркал и газов более экономичный и быстрый метод резки тонких листов отражающих материалов.

Без использования зеркал и хрупких линз отражающая природа алюминия, латуни, меди и т.д. не представляет опасности повреждения оборудования для резки, что означает, что оно быстрее и безопаснее в настройке.

Рис. 4. Лазерная резка отражающего металла 

Что необходимо для резки меди и латуни волоконным лазером?

Скорость резки: настройка баланса

Одним из важнейших аспектов, который необходимо учитывать при резке меди и латуни волоконными лазерами, является скорость резки. Рекомендуется работать со скоростью подачи немного ниже максимальной примерно на 10-15%. Это небольшое снижение помогает минимизировать риск того, что резка пойдет не по плану, поскольку обеспечивает применение высокого уровня энергии луча к материалу, когда он находится в наиболее отражающем состоянии. Если вы не уверены, рекомендуется начать с более низкой скорости, чем та, которую может выдержать процесс. 

Положение фокуса

Как при прожиге, так и при резке положение фокуса играет важную роль в достижении оптимальных результатов. В идеале, фокусное положение должно быть установлено настолько близко к верхней поверхности, насколько позволяет желаемое качество резки. Такой подход уменьшает взаимодействие между лучом и материалом поверхности в начале процесса, максимизируя плотность мощности луча и ускоряя процесс плавления. Точная настройка положения фокуса позволяет повысить эффективность и точность резки.

Рис. 5. Фокус лазерного станка 

Регуляция мощности

Для оптимизации процесса резки очень важно использовать максимальную пиковую мощность. Такая стратегия минимизирует время, в течение которого материал остается в наиболее отражающем состоянии. Используя весь потенциал пиковой мощности как для прожига, так и для резки, вы можете значительно повысить эффективность и результативность операций волоконной лазерной резки.

Режущий газ: Повышение надежности

Выбор подходящего газа для резки является важным критерием  для обеспечения надежности и качества резки. При работе с медью в качестве газа для резки обычно используется кислород высокого давления (от 100 до 300 фунтов на квадратный дюйм, в зависимости от толщины). Чистая медь в твердом состоянии отражает> 95% ближнего ИК-излучения (длина волны ~ 1 мкм). Использование кислорода помогает уменьшить отражательную способность, способствуя образованию оксида меди на поверхности. При резке латуни для достижения оптимальных результатов рекомендуется использовать азотный газ. Тщательно выбирая газ для резки, вы можете повысить производительность и надежность процесса. 

Гидроабразивная резка

Несмотря на все свои положительные стороны, у волоконно-лазерной резки есть недостаток. Волоконные лазеры действительно эффективны только на тонких листах толщиной до 5 мм. При превышении этой толщины шероховатость среза и скорость резки значительно ухудшаются, и гидроабразивная резка становится более быстрым и эффективным вариантом. Технология CO2-лазера может обрабатывать алюминий толщиной только до 10 мм. 

Рекомендуемые методы резки отражающих материалов 

В приведенной ниже таблице указаны рекомендуемые методы резки для различных материалов разной толщины.