лазерная резка история создания
История технологии лазерной резки
Впервые это предположение выдвинул Альберт Эйнштейн.Спустя одиннадцать лет гипотеза получила научное обоснование П. Дираком, использовавшим принципы квантовой механики, а еще через одиннадцать лет существование вынужденного излучения подтвердилось экспериментами Г. Копферманна и Р. Ладенбурга.
В 1953 году американец Дж. Веббер презентовал на публичной лекции в Оттаве первый квантовый усилитель, помогающий усилить мощность лазерного излучения.
Вторая половина пятидесятых прошлого столетия ознаменовалась теоретизированием и изобретением твердотелых молекулярных усилителей, которые охватывали СВЧ-диапазон и поэтому стали называться мазерами.
В 1958г. принципы квантовой электроники были соотнесены с оптическими. Возможность их совместного применения была наглядно продемонстрирована русскими и американскими исследователями Прохоровым, Таунсом и Шавловым.
В 1960г. Майманом изобретен лазер на рубиновом стержне, положившем начало стремительному развитию аналогичных лазерных технологий.
С этой целью были созданы технологические установки, имеющие в основе лазеры трех типов:газовые СО2;твердотельные;волоконные.
Сейчас лазерную технику используют в промышленности как метод обработки металла: лазерная резка, гибка металла, сварка, плавление, гравировка.
Преимущества лазерной резки
Резка металла лазером представляет собой сосредоточение энергии высокой концентрации в точке, используемой для прожига металла. Металл с резкой лазером меньше подвержен механическим повреждениям и возникновению деформаций, как во время раскроя, так и после. Лазерная резка имеет множество преимуществ:
История возниконовения лазерной резки
Знаменитый немецкий физик Альберт Энштейн в 1916-ом году создал теорию «Вынужденного излучения», в которой молекула (атом), под воздействием электромагнитного поля, может перейти с низкого энергетического уровня на высокий, с поглощением фотона. Также, молекула (атом) может перейти с высокого уровня на низкий, с излучением фотона. Так было положено начало теоретической разработке лазера, которая в 1960-ом году вылилась в первую рабочую установку силами американского физика Теодора Маймана.
За более чем полвека разработок и усовершенствований было изобретено довольно много способов получения лазерного луча: твердотельные и полупроводниковые, лазеры на красителях и химические, на свободных электронах и другие. А в промышленности основное распространение получили газодинамические лазеры. Это оказался наиболее дешёвый способ получения луча очень большой мощности, а полезная нагрузка может достигать 20%. Но в любой модели устройство лазера состоит из трёх частей: рабочей среды, системы накачки (источника энергии) и оптического резонатора состоящего из зеркал.
Наиболее универсальные из всех лазеров углекислотные, и их можно применять для резки почти любых материалов. Для разрезания чёрных металлов нужна мощность от 0,5 Квт, а для цветных от 1 Квт. Поэтому промышленные установки малой мощности имеют самый нижний порог не ниже последнего. СО2 лазеры мощностью 3 – 4 Квт способны разрезать лист углеродистой стали толщиной до 20 мм, нержавеющей – до 12 мм. А толщина алюминиевых листов будет около 8 мм, медных – 5мм. Это связано с высокой теплопроводностью алюминиевых и медных сплавов.
Чем тоньше материал, тем быстрее скорость реза, которая может достигать 24 метров в минуту и более. При этом чистота поверхности может достигать 6-го класса. Такая шероховатость бывает после чистового точения или фрезерования и не требует дальнейшей обработки. Благодаря программному обеспечению и механической координатной части станка детали режутся с очень высокой точностью, а толщина изделия может изменяться. К тому же малая зона нагрева и отсутствие механических нагрузок устраняет остаточную деформацию обрабатываемой детали. Это даёт возможность разрезать тонкие листы повышенной твёрдости. А толщина реза может быть от 0,1 мм до 1 мм.
Во время работы луч лазера очень сильно разогревает зеркала и линзы. Поэтому их покрытие делают из серебра или золота, а фокусирующие линзы изготавливают из германия или селенида цинка. Для их охлаждения используется вода или воздух. Плюс высокоточная механическая часть установки делают оборудование довольно дорогим. А чтобы разрезать металл толщиной более 20 мм, мощность лазера надо увеличивать до 15 Квт и более. Это очень значительно увеличит энергозатраты. И всё равно лазерная установка значительно уступит кислородно – ацетиленовой и конечно плазменной резке. Особенно это касается цветных и нержавеющих сплавов. А для металлов толщиной выше 40 мм лазеры практически не применяются. Поэтому он целесообразен для толщин до 6 мм. И несмотря на это промышленность уже не может обходиться без применения лазерных технологий, использование которых будет только нарастать.
История появления и развития лазерной резки
Лазерная резка является чрезвычайно распространенным процессом во многих отраслях. Она используется на производственных предприятиях, для лазерной хирургии и даже в качестве инструмента искусства. Несмотря на это использование, резка вместе со всеми процессами остается относительно новой технологией. Ниже вы увидите краткую историю резки лазерами.
Открытие
Многие из процессов, с которыми вы знакомы, чрезвычайно похожи, и один лазер способен выполнять несколько процессов. Например, режущий лазер также может быть использован для гравировки, маркировки и сверления.
Альберт Эйнштейн считается основоположником лазерных технологий (теория генераторов-усилителей когерентного света). 1960 год датируется временем, когда появился первый действующий лазер, но в то время он практически не использовался и вместо этого был назван «решением проблемы».
Возможность резки лазерным лучом стала сразу ясна. Способность доставлять интенсивное узкое излучение только с одной длиной волны означала, что технология может использоваться в десятках отраслей промышленности.
Новая техника в то время вызвала ажиотаж в научном сообществе и, по сути, в обществе; люди не знали, насколько далеко зайдет эта технология. Разговоры о лучах «смерти» часто посещали первые страницы газет.
История различных типов резки
Всегда существовали какие-то фантазии про технологию в качестве смертельных лучей, которые увековечили благодаря чрезвычайно популярной франшизе «Звездных войн». Научное и производственное сообщество начало видеть практическое использование лазерных лучей вскоре после их открытия в 1960 году.
Резка была одним из самых ранних обнаруженных процессов, в которых использовался лазерный луч, причем одновременно было изобретено несколько типов. Процесс лазерной резки с использованием смеси углекислого газа был впервые изобретен инженером-электриком Кумаром Пателем в 1964 году в лаборатории Bell Labs, штат Нью-Джерси. В том же году был разработан процесс лазерной резки кристаллом, который также был найден в Bell Labs, хотя и другим инженером по имени Дж. Э. Гойсич.
Первые использования
В этой статье кратко изложена история лазеров. Но в то же время подробно изложена история использования лазеров для резки и во что технология превратилась сегодня.
Если вы ищете дополнительную информацию об этом процессе или хотите больше узнать о том, как он работает, а также о качестве и надежности, которые он может вам предложить, обратитесь в компанию “LaserMy”. Это одна из лучших компаний по лазерной резке металла в Запорожье. Компания уже давно на рынке металлообработки, имеет современное оборудование и придёт на помощь в любой ситуации.
Еще в 1960-х годах, после того как преимущества лазера были установлены, не потребовалось много времени, чтобы его можно было использовать в десятках отраслей для различных применений. Резка и бурение, два аналогичных процесса, использовались в 1965 году на алмазных шахтах. Различный процесс резки был принят уже в масштабе всей Британии в 1967 году.
Western Electric быстро производила лазерные режущие станки, и к 1970-м годам этот процесс вошел в аэрокосмическую промышленность.
К 1980-м годам в различных отраслях промышленности по всему миру было установлено около 20 000 коммерческих станков для лазерной резки на общую сумму около 7,5 миллиардов долларов. Профессор Билл Стин написал в своей книге «Лазерная обработка материалов», что с момента изобретения лазера мы вступили в новую промышленную революцию. Вероятно, мы увидим, что лазерные технологии продолжат развиваться в ближайшие годы, и подумайте, куда этот выгодный процесс нас приведет. Так может начинаться светлое будущее человечества.
Где мы сейчас?
Резка с использованием смеси углекислого газа является одной из самых популярных форм сегодня. Тем не менее, подход, который используется для резки волоконным лазером, является новой технологией. Она берет своё начало примерно с 2008 года. Технология считается передовой формой лазерной резки, и поэтому все больше принимается компаниями.
Резка лазерами превратилась в один из самых полезных процессов, используемых в отраслях промышленности по всему миру. Она нашла применение в:
Сами лазеры распространились и используются во всем, начиная с кассовых терминалов и заканчивая телефонной сетью.
Технологии
Немного истории создания установок лазерной резки
Преимущества лазерной обработки:
Типы источников
Широкое практическое применение получили следующие виды источников: твердотельные, газовые, полупроводниковые.
На сегодня, в машиностроении, твердотельные лазерные установки одержали сокрушительную победу над СO2- лазерами благодаря развитию оптоволоконных лазеров. Простота технологии производства и эксплуатации волоконного источника позволила удешевить технологию производства автоматизированных лазерных установок портального типа. Что сделало их самыми востребованным видом оборудования, если речь заходит о раскрое листового металла.
Волоконные лазеры. Относятся к твердотельным и являются, по сути, их логическим продолжением. Активной средой служит кристалл иттербия, Yb, длиной несколько десятков метров, диаметром 6-8мкм. Сердцевина обернута кварцевой оболочкой (шириной 400-600мкм). Сердцевину, то есть кристалл иттербия накачивают излучением от диодов. Излучение направляют прямо в кварцевую оболочку по всей длине. Оптоволоконные лазеры обладают весьма высокой эффективностью (до 80%) преобразования оптического в лазерное излучение.
В атомах иттербия происходят физические процессы, которые приводят к возникновению лазерного излучения. На концах волокна, на сердцевине делают два дифракционных зеркала в форме набора насечек, которые служат резонатором. В итоге, на выходе получаем идеальный, одномодовый пучок, с равномерным распределением мощности, что делает возможным сфокусировать пятно меньшего размера и получить большую, по сравнению с обычными твердотельными лазерами – глубину резкости.
В оптоволоконном лазере отсутствуют дефекты которые мешали получению максимальной эффективности твердотельных систем:
— отсутствует термолинза в кристалле
— искажение волнового фронта из-за дефектов в кристалле
— девиация пучка со временем
Излучение до выхода из устройства не соприкасается с окружающей средой, это обуславливает его надежность, высокую устойчивость к внешним механическим и климатическим воздействиям. Оптоволоконный генератор проще в изготовлении, у него значительный ресурс работы и он практически не нуждается в обслуживании при эксплуатации. Также легко управляется по мощности, при этом время включения и выключения до полной мощности составляет десятки микросекунд.
Сравнение эффективности резания металлов оптоволоконными и CO2-лазерами
Крайне актуальная тема для потенциальных заказчиков, а также, для тех, кто задумывается сменить СO2 лазерную установку на оптоволоконную.
Сравнение скоростей на примере резки конкретных сталей
Конструкционная сталь
Зависимость скорости резания конструкционной стали от ее толщины
Заготовка: специальная лазерная конструкционная сталь
Режущий газ: кислород О2
Мощность лазеров:
Выводы:
Нержавеющая сталь
Зависимость скорости резания нержавеющей стали от ее толщины
Заготовка: нержавеющая сталь
Режущий газ: азот N2
Мощность лазеров:
Выводы:
Алюминий
Зависимость скорости резания сплава алюминия ALMg3 от его толщины
Заготовка: сплав алюминия ALMg3
Режущий газ: азот N2
Мощность лазеров:
Применяемый газ при лазерной резке
Резка кислородом легированных сталей затруднена тем, что легирующие элементы образуют с кислородом тугоплавкие оксиды, которые значительно затрудняют процесс лазерной резки.
Лазерная резка история создания
Впервые квантовым излучением и его влиянием на материалы заинтересовался Альберт Эйнштейн — это произошло в 1916 году. Вплоть до второй половины XIX века создание лазерного оборудование обсуждалось лишь теоретически. В середине 50-х годов был создан первый квантовый генератор. Его разработкой активно занимались Н. Басов и А. Прохоров, известные советские физики. Устройство представляло собой усилитель микроволн, работающий на базе аммиака. В то же время исследователи из США, А. Шавлов и Ч. Таунсу работали над моделью современного лазера. В результате в 1957 году был разработан резонатор из двух зеркал, закрепленных друг против друга. Собственно, основная задача, стоящая перед учеными, была выполнена — в результате изменения энергетического уровня молекул (с высокого на низкий и в обратном направлении) выделялся/поглощался фотон.
Результаты исследований и доработок
На протяжении более полувека исследователи модернизировали лазерные станки. Всего менее 50 лет потребовалось, чтобы существенно расширить список оборудования. В результате интенсивной работы в этой сфере были созданы установки следующих типов:
основанные на свойствах свободных электронов.
В результате появились газодинамические лазеры высокой мощности. В частности, для раскроя черных и цветных металлов (алюминий и его сплавы, медь), нержавеющей стали. Мощность станков достигала 1000 Вт. Это дало возможность раскраивать углеродную сталь до 20 мм, нержавеющую — до 12 мм, медь и алюминий до 5 и 8 мм, соответственно.
Современное оборудование для лазерной резки
Станки последнего поколения обеспечивают максимальную продуктивность раскроя. Так, в отдельных моделях скорость реза достигает 24 метров в минуту. Кроме того, они обеспечивают высший класс точности. Идеально ровная кромка не нуждается в шлифовке, не имеет дефектов. Технология лазерной резки исключает деформацию в результате нагрева — термическому воздействию подергается только линия реза.
Зеркала и линзы высокоточного оборудования оснащены тончайший слоем серебра или позолотой — за счет такого покрытия их поверхность не расплавляется. Для изготовления зеркал с линзами для лазерных установок применяют германий (селенид цинка), дополнительно предусмотрено охлаждение: воздушное, газом или водой.