СПОСОБ ЛАЗЕРНОЙ РЕЗКИ МЕТАЛЛА ИЛИ СПЛАВА
METHOD OF LASER CUTTING OF METALS OR ALLOYS

Изобретение относится к способам обработки, а именно к резке металлических изделий воздействием лазерного излучения. Настоящий способ может найти применение в различных отраслях промышленности, в том числе в машиностроении, а также в ювелирной и медицинской сферах деятельности.
Резку металлических изделий воздействием лазерного излучения осуществляют перемещением пучка лазерного излучения относительно поверхности изделия. Выполняемый разрез металлического изделия состоит из совокупности линий различных длин. Глубина данных линий, которая может быть получена за единицу времени, определяет скорость реза металлических изделий и, на практике, определяется параметрами лазерного маркирующего комплекса, пучка лазерного излучения, программой перемещения пучка излучения относительно поверхности изделия. С целью обеспечить наиболее быстрый разрез на данном лазерном маркирующем комплексе, обычно выбирают соответствующие параметры пучка лазерного излучения и программу перемещения пучка лазерного излучения относительно поверхности изделия. При этом параметры пучка лазерного излучения, обычно, определяются техническими характеристиками маркирующего комплекса, а программа перемещения пучка излучения относительно поверхности изделия может варьироваться оператором практически произвольно. При резке металла или сплава при помощи пучка лазерного излучения, часть материала разрезаемого изделия неизбежно испаряется в окружающую атмосферу, ухудшая общую экологию и создавая угрозу здоровью оператору комплекса.
Известен способ лазерной резки металлической пластины (см. патент US 6060687, МПК B23K 26/00; B23K 26/12, опубликован 09.05.2000), по которому одновременно с пучком лазерного излучения в область реза подают смесь по меньшей мере одного инертного газа и водорода для исключения образования заусенцев и бороздок.
Для реализации известного способа требуется сложное технологическое оборудование. Удаляемый лазерным излучением материал разрезаемого изделия частично подхватывается газом в окружающую атмосферу, что ограничивает область применения указанного способа помещениями с принудительной вентиляцией.
Известен способ лазерной резки металлической пластины (см. заявка EP 1920873, МПК B23K 26/38; B23K 26/00, опубликована 14.05.2008), заключающийся в том, что линию резки многократно проходят пучком лазерного излучения, при этом при каждом проходе увеличивают глубину прорезаемой щели.
Многократный проход пучком лазерного излучения линии пропила, осуществляемый в известном способе, значительно снижает производительность резки. Удаляемый лазерным излучением материал разрезаемого изделия частично испаряется в окружающую атмосферу, что ухудшает общую экологию и создает угрозу здоровью оператору комплекса.
Известен способ лазерной резки металла или сплава (см. заявка DE 102008047761, МПК B23K 26/073; B23K 26/38, опубликована 15.04.2010), который включает предварительное построение градуировочной кривой зависимости глубины реза образца заданного металла или его сплава от параметров падающего на поверхность лазерного излучения и проплавления металла по линии реза поступательным перемещением пучка лазерного излучения. При этом диаметр пучка выбирают таким, что расплавленный материал удаляется из реза без использования газа.
Недостатком известного способа является недостаточно высокая скорость резки и малая производительность процесса. Кроме того, разрезаемый материал частично испаряется в окружающую атмосферу.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков к заявляемому техническому решению является способ газолазерной резки композиционных материалов (патент RU 2382693, МПК B23K 26/38, B23K 26/14, опубликован 27.02.2010). Способ включает подачу лазерного луча на обрабатываемую поверхность, подачу соосно с лазерным лучом технологического газа, коллимирование лазерного луча, заглубление его в обрабатываемое изделие и перемещение по заданной программе. Резку производят в жидкостной среде. Изделие размещают в ванне с водой на конусовидных штырьках с превышением уровня воды над поверхностью изделия, равным 10-15 мм. Резку производят иттербиевым лазером с заглублением лазерного луча в обрабатываемое изделие на 0,2-0,4 его толщины. Перемещение лазерного луча осуществляют со скоростью 1,2-1,8 м/мин. В результате достигается расширение технологических возможностей и улучшение экологии при обработке композиционных материалов, а также обеспечивается высокое качество реза изделий.
Недостатками указанного способа являются ряд технологических ограничений. Использование исключительно иттербиевого лазера не позволяет применить данный способ на установках предыдущего поколения на базе неодимого лазера (например, типа «Бетамаркер») или на основе углекислотных лазеров. Предлагаемое в способе превышение уровня воды над поверхностью изделия, равное 10-15 мм, ограничивает применение способа на лазерных установках умеренной мощности (например, 10-20 Вт), в особенности в непрерывном режиме излучения. Способ не позволяет проводить обработку металлических изделий. Определенная в способе скорость перемещения лазерного луча 1,2-1,8 м/мин слишком высока для выполнения реза сверхпрочных композитных материалов и/или слишком низка для относительно легкоплавких. Подача соосно с лазерным лучом технологического газа, в том числе под давлением до 1 МПа, его взаимодействия с композиционным материалом может приводить к образованию опасных для здоровья человека или взрывоопасных газов, что приведет к ухудшению экологии и безопасности процесса обработки.
Задачей заявляемого изобретения являлась разработка такого способа резки метала или сплава, который бы обеспечивал более быстрый разрез обрабатываемого материала, т.е. наиболее эффективно использовалась бы энергия пучка лазерного излучения и при этом не происходило загрязнение окружающей среды распыляемым лазерным излучением гравируемым материалом.
Поставленная задача решается тем, что способ лазерной резки металла или сплава включает предварительное определение величины удельной мощности лазерного излучения, при которой производится сквозной рез образца заданного металла или его сплава. Затем строят градуировочную кривую зависимости доли металла или сплава, распыленного лазерным излучением с определенным уровнем мощности, задержанного жидкой средой, практически прозрачной для лазерного излучения, от глубины погружения в жидкую среду поверхности разрезаемого металла или сплава. При этом увеличивают глубину погружения от минимальной величины, определяемой образованием пленки жидкой среды, полностью укрывающей разрезаемую поверхность, до глубины, при которой лазерное излучение поглощается в жидкой среде. После чего погружают разрезаемый металл или сплав в жидкую среду на глубину, определенную по градуировочной кривой, и проплавляют металл или его сплав по линии реза пучком лазерного излучения. При этом перемещают пучок лазерного излучения поступательно со скоростью V и одновременно вращают его с радиусом R при угловой скорости вращения ω, причем радиус R, мкм, и угловая скорость вращения ω, кГц, лазерного луча удовлетворяют соотношениям:
где d - ширина реза пучком лазерного излучения, мкм;
r - радиус пучка лазерного излучения, мкм;
V - скорость поступательного перемещения пучка лазерного излучения, м/с.
В качестве жидкой среды может быть использовано любое вещество, которое, во-первых, при условиях гравировки (например, нормальных или комнатных) находится в жидком фазовом состоянии. Во-вторых, коэффициент поглощения лазерного излучения этим веществом таков, что при выбранной толщине жидкой среды над поверхностью гравируемого изделия, суммарное поглощение лазерного излучения не вызывает кипение вещества, т.е. перехода его в газовое фазовое состояние. Например, в качестве жидкой среды можно использовать воду или углеводородсодержащую жидкость, в частности, минеральное масло или спирт.
Сквозной рез можно выполнять непрерывным лазерным или импульсным лазерным излучением с длительностью импульса от 1 нс до 100 мкс.
Сквозной рез можно выполнять при поступательном перемещения пучка лазерного излучения со скоростью 0,1-100000 мм/с.
Заявляемый способ позволяет осуществлять резку металлических изделий быстрее, по сравнению, например, с традиционным поступательным перемещением, что позволяет говорить о более высоком КПД излучения лазерной установки при реализации заявляемого способа, а также снижать загрязнение окружающей среды за счет удержания распыляемого лазерным излучением материала разрезаемого изделия.
Вторичным, но не менее важным оказалась эффективная резка изделий из материалов с низким коэффициентом поглощения (в первую очередь - изделий из золота). Представляется, что общей для всех полученных эффектов причиной является повторный заход пучка лазерного излучения на уже облученную поверхность при его вращении. Вращение пучка лазерного излучения, таким образом, можно рассматривать в качестве своеобразного механического модулятора лазерного излучения.
Заявляемый способ лазерной резки металла или сплава поясняется чертежом, где:
на фиг.1 дано схематическое изображение резки вращающимся пучком лазерного излучения;
на фиг.2 приведен в увеличенном масштабе участок I, показанный на фиг.1;
на фиг.3 показано изделие из дюраля, полученное резкой заявляемым способом.
На фиг.1 обозначено: 1 - обрабатываемый металл или сплав, 2 - линия реза, 3 - траектория следования пучка лазерного излучения, 4 - положения пучка лазерного излучения в различные моменты времени, r - радиус пучка лазерного излучения, R - радиус вращения пучка, d - ширина реза.
Заявляемый способ осуществляют следующим образом. При помощи ЭВМ осуществляют генерацию программы перемещения пучка лазерного излучения в соответствии с топологией выполняемого реза и требуемой заранее толщиной d. Для эффективного расхода энергии лазерного излучения, а также ввиду того, что физические свойства различных металлов и сплавов, геометрические характеристики обрабатываемого изделия могут существенно различаться, предварительно определяют зависимость глубины реза образца заданного металла или его сплава от параметров падающего на поверхность лазерного излучения при монотонном возрастании удельной мощности лазерного излучения. Для этого в технологических пределах данного лазерного комплекса варьируют параметры воздействующего лазерного излучения. При этом, для того чтобы вся необходимая площадь внутри линии реза толщиной d подверглась воздействию пучка лазерного излучения, параметры V и ω выбирают, учитывая критерии (1) и (2). Затем строят градуировочную кривую зависимости доли металла или сплава, распыленного лазерным излучением с определенным уровнем мощности, задержанного жидкой средой, практически прозрачной для лазерного излучения, от глубины погружения в жидкую среду поверхности разрезаемого металла или сплава. При этом увеличивают глубину погружения от минимальной величины, определяемой образованием пленки жидкой среды, полностью укрывающей разрезаемую поверхность, до глубины, при которой лазерное излучение поглощается в жидкой среде. Погружают разрезаемый металл или сплав в жидкость так, чтобы поверхность металла или сплава находилась на глубине, определенной по градуировочной кривой. После этого осуществляют резку металла или его сплава 1 (см. фиг.1, фиг.2), проплавляя металл или его сплав 1 по линии реза пучком лазерного излучения, перемещая пучок лазерного излучения поступательно со скоростью V и одновременно вращая его с радиусом R при угловой скорости вращения ω, величины которых удовлетворяют соотношениям (1) и (2).
Пример. Была выполнена резка пластины размером 20×50 мм толщиной 100 мкм, материал - дюраль. Резка - контур букв "LASER CENTER Saint-Petersburg" (фиг.3). Резка выполнялась на универсальной установке прецизионной лазерной маркировки и гравировки на базе волоконного лазера «МиниМаркер 2» производства ООО «Лазерный Центр». Перемещение лазерного луча относительно поверхности изделия осуществлялось при помощи двухосевого сканатора на базе приводов VM2500+. Длительность моноимпульсов лазерного излучения составляла 35 нс, частота модуляции - 100 кГц, энергия моноимпульса, измеренная при помощи пироэлектрического датчика Ophir РЕ 25, 0,7 мДж, диаметр пучка излучения на поверхности изделия 100 мкм. Предварительно была определена величина удельной мощности лазерного излучения, при которой производится сквозной рез образца заданного сплава. Предварительно, используя образец материала, была построена градуировочная кривая зависимости доли распыленного металла или его сплава, задержанной жидкой средой, практически прозрачной для лазерного излучения, от глубины погружения в жидкую среду поверхности разрезаемого сплава. Были выбраны следующие параметры; скорость поступательного перемещения лазерного луча V=0,2 м/с, скорость вращения лазерного луча ω=50 кГц. Исходя из топологии гравируемого изображения, радиус вращения был выбран R=100 мкм. Резка пластины медали проводилась в минеральном масле на глубине 7 мм.
Время, затраченное на выполнение данного контурного реза, включающее время включения и выключения лазерного луча для перехода к следующей строке, составило 30 секунд. Таким образом, добавление вращения лазерного луча позволило выполнить требуемый контурный рез более чем в 8 раза быстрее.