Технология резки волоконным лазером произвела революцию в металлообработке, обеспечив высокоточную и эффективную обработку. Критически важным фактором, определяющим ее эффективность, является мощность лазера, которая напрямую влияет на максимальную толщину и качество резки различных металлов. В этой статье рассматривается, как различные уровни мощности влияют на возможности резки углеродистой стали, нержавеющей стали, алюминия и меди, что подтверждается эмпирическими данными и отраслевой практикой.

1. Фундаментальная связь между мощностью лазера и толщиной резки

Мощность лазера, измеряемая в ваттах (Вт), определяет плотность энергии, подаваемой на материал. Более высокая мощность обеспечивает более глубокое проникновение и более высокую скорость резки, но эта зависимость нелинейна. Например, удвоение мощности может не удвоить толщину резки из-за тепловых свойств материала, таких как отражательная способность и теплопроводность.
Углеродистая сталь: этот материал относительно легко резать из-за его умеренной отражательной способности и теплопроводности. Лазер мощностью 500 Вт может резать углеродистую сталь толщиной до 6 мм, а машина мощностью 2000 Вт — 16 мм. Для промышленного применения лазеры мощностью 3000–6000 Вт часто используются для резки углеродистой стали толщиной 20–36 мм, хотя для более толстых резов требуются более низкие скорости и оптимизированная газовая поддержка.
Нержавеющая сталь: высокое содержание хрома увеличивает отражательную способность и термостойкость. Лазер мощностью 1000 Вт режет нержавеющую сталь толщиной до 5 мм, а машина мощностью 2000 Вт — 8 мм. Высокомощные лазеры (например, 12 кВт) могут резать нержавеющую сталь толщиной 25–50 мм, но качество поверхности ухудшается после 12 мм.
Алюминий: Алюминий с высокой отражательной способностью и теплопроводностью требует большей мощности. Лазер мощностью 2000 Вт режет алюминий толщиной 5 мм, а машины мощностью 6000 Вт — 12–14 мм. Примечательно, что зеленые лазеры (с длиной волны 532 нм) более эффективны для отражающих металлов, таких как алюминий и медь.
Медь: Подобно алюминию, отражательная способность меди бросает вызов обычным лазерам. Волоконный лазер мощностью 2000 Вт режет медь толщиной до 5 мм, но специализированные зеленые лазеры (100–500 Вт) все чаще используются для лучшего поглощения.

2. Производительность резки в зависимости от мощности

Отраслевые стандарты предусматривают приблизительные пределы толщины для обычных металлов при различных уровнях мощности (таблица 1). На эти значения влияют вспомогательные факторы, такие как тип газа, конструкция сопла и качество луча.

Таблица 1: Общие пределы толщины резки по материалу и мощности (данные собраны из ).
Например, лазер мощностью 6000 Вт режет алюминий толщиной 12 мм со скоростью 1,3 м/мин, а углеродистую сталь толщиной 1 мм — со скоростью 70 м/мин, что наглядно демонстрирует компромисс между толщиной и скоростью.

3. Проблемы, связанные с конкретными материалами, и их решения

Отражающие металлы (алюминий, медь)
Эти материалы отражают энергию лазера, снижая эффективность. Решения включают:
Более высокая мощность: компенсирует потери энергии (например, 6000 Вт для алюминия толщиной 12 мм).
Зеленые лазеры: коротковолновые (532 нм) лазеры улучшают поглощение, обеспечивая эффективную резку меди и алюминия даже при более низкой мощности (100–500 Вт).
Вспомогательные газы: азот или сжатый воздух предотвращают окисление и улучшают качество кромки.
Нержавеющая сталь и углеродистая сталь
Кислород против азота: кислород ускоряет резку углеродистой стали за счет экзотермических реакций, тогда как азот предпочтительнее для нержавеющей стали, поскольку позволяет избежать окисления.
Преимущества высокой мощности: лазер мощностью 10 кВт режет нержавеющую сталь толщиной 8 мм в два раза быстрее, чем станок мощностью 6 кВт, что повышает производительность.

4. Экономические и практические соображения

Экономическая эффективность: более мощные лазеры (например, 10 кВт) обеспечивают более высокую скорость и более толстые разрезы, оправдывая свою 40%-ную надбавку к цене по сравнению с моделями мощностью 6 кВт за счет снижения затрат на рабочую силу и электроэнергию.
Компромиссы точности: лазеры мощностью 3000–6000 Вт могут резать углеродистую сталь толщиной 20–36 мм, но качество кромок снижается при толщине более 12 мм, что требует последующей обработки.

5. Тенденции будущего

Достижения в области лазерных технологий, такие как многолучевые системы и улучшенная стабильность (колебание мощности ±1% в течение 24 часов), повышают однородность резки толстых материалов. Кроме того, такие инновации, как гибридные лазеры (сочетающие волоконные и зеленые длины волн), направлены на решение проблем с отражающими металлами.
Заключение
Связь между мощностью волоконного лазера и толщиной резки зависит от материала, регулируется отражательной способностью, тепловыми свойствами и параметрами процесса. В то время как более высокая мощность расширяет возможности толщины, оптимальные результаты требуют баланса между скоростью, качеством кромки и стоимостью. По мере развития лазерных технологий отрасль готова достичь еще большей эффективности, особенно для сложных материалов, таких как алюминий и медь.
Ссылки
Выбор мощности в зависимости от толщины материала и бюджета.
Влияние свойств материала на потребляемую мощность.
Подробные таблицы мощности, толщины и скорости
Инновации в стабильности лазера и длине волны.
Экономические и технические показатели для мощных лазеров.
Практические ограничения для промышленного применения.