Лазерна різка алюмінієвих деталей: Повний посібник для отримання чистих та точних розрізів

Якщо ви хочете різати алюмінієві деталі лазером, ви, ймовірно, вже зіткнулися з неприємною перешкодою. Висока відбивна здатність та теплопровідність алюмінію роблять його відомо складним у роботі. Я більше десяти років працюю на виробничому підприємстві, керуючи тисячами проектів — від тонких корпусів електроніки до потужних радіаторів. Різниця між деталлю з краями, покритими шлаком, і чистою, готовою до використання, залежить від кількох ключових, перевірених на практиці принципів. У цьому посібнику описано, як саме досягти ідеального різу.

Чому волоконні лазери революціонізували різання алюмінію

Скажемо прямо: якщо ви намагаєтеся різати алюміній традиційним CO2-лазером, ви працюєте проти течії. Довжина хвилі CO2-лазера — 10,6 мкм — в основному відбивається від поверхні алюмінію, що призводить до надмірного нагрівання, широких розрізів і поганої якості країв.

Революцією є волоконний лазер з довжиною хвилі 1 мкм. Його коротша довжина хвилі набагато ефективніше поглинається алюмінієм. Перехід нашої майстерні з CO2-лазера потужністю 4 кВт на волоконний лазер потужністю 3 кВт призвів до скорочення часу різання на 65 % і практично повного усунення кромкового шлаку на листах товщиною до 8 мм. Для різання алюмінію вам потрібен волоконний лазер.

Опанування параметрів: перевірена практикою установка

Успіх у лазерному різанні алюмінію — це точна наука. Ось наш стандартний протокол для поширених марок алюмінію, таких як 5052 і 6061.

Критична трійця: газ, сопло та фокус

По-перше, завжди використовуйте азот високої чистоти (99,99% або вище) як допоміжний газ, ніколи не використовуйте кисень. Кисень створює шорстку, оксидовану кромку, тоді як азот забезпечує чистий, безоксидний розріз. Тиск має важливе значення — для 3-кіловатного лазера, що ріже 3-мм алюміній, ми встановлюємо тиск близько 16–18 бар. Недостатній тиск залишає переплавлений матеріал на нижній кромці.

По-друге, важливо правильно вибрати сопло. Використовуйте високоякісне цільне сопло з діаметром, оптимізованим для товщини вашого матеріалу, наприклад, сопло 2,0 мм або 2,5 мм. Зношене або низькоякісне сопло призводить до турбулентності газу, що погіршує якість краю.

По-третє, правильно встановіть фокусну точку. Для алюмінію зазвичай встановлюють її трохи нижче поверхні матеріалу — близько -0,5 мм до -1 мм для листа 3 мм. Це створює більш вузький і енергійний промінь у нижній частині різу, що допомагає видалити розплавлений матеріал.

Практичні параметри різання

Це наші початкові параметри, відточені в умовах власного виробництва. Завжди спочатку виконуйте пробний розріз.

Для алюмінію 5052-H32 товщиною 1 мм ми використовуємо швидкість різання 30 метрів на хвилину, сопло 1,5 мм, тиск азоту 14 Бар і потужність лазера близько 1,8 кВт. Це зазвичай забезпечує дзеркально-гладкий край, майже без подуту.

Для алюмінію 6061-T6 товщиною 3 мм ми знижуємо швидкість до приблизно 10 метрів на хвилину. Використовуємо сопло 2,0 мм, збільшуємо тиск азоту до 16 Бар і застосовуємо більшу потужність лазера — близько 2,7 кВт. Результат — гладкий зріз із мінімальним утворенням наплавлень.

Для матеріалу 5052-H32 товщиною 6 мм ми ріжемо зі швидкістю приблизно 4,2 метра на хвилину, використовуючи сопло 2,5 мм, тиск 18 Бар і повну потужність 3,0 кВт. Край матиме трохи шорстку структуру, а наплавлення можна механічно видалити.

Для алюмінію 6061-T6 товщиною 8 мм ми працюємо ще повільніше — приблизно 2,0 метри на хвилину — з соплом 2,5 мм, тиском 20 Бар і потужністю 3,0 кВт. Очікуйте шорсткий край, який, ймовірно, знадобиться легко зачистити.

Головне правило: завжди ріжте 6061-T6 повільніше, ніж 5052. Більший вміст кремнію робить його більш в’язким у розплавленому стані, що вимагає меншої швидкості для чистого видалення матеріалу.

Порівняння лазерного різання з іншими методами

Коли слід використовувати лазерне різання, а коли обирати інший процес?

Для прототипів та невеликих партій із складними 2D-геометріями з алюмінієвого листа найкращим вибором є лазерний різання волоконним лазером. Воно забезпечує найшвидшу підготовку — від цифрового файлу до деталі за кілька хвилин — з чудовою якістю краю, яка потребує мінімальної подальшої обробки. Найкраще підходить для товщин до приблизно 12–15 мм.

Фрезерування або маршрутизація CNC можуть обробляти будь-яку товщину й забезпечують дуже гарну якість краю, хоча залишаються видимі сліди інструменту. Час підготовки повільніший, а вартість для тонких листів вища через вимоги до кріплення. Не є ідеальним для складних 2D-профілів у тонких матеріалах.

Гідроабразивне різання може обробляти будь-яку товщину без термічних обмежень, створюючи гарну, але матову поверхню з незначним конусом. Має помірну швидкість налаштування, але постійна вартість абразиву накопичується, а для тонких матеріалів воно повільніше, ніж лазерне.

Тиснення або вирубка підходять лише для масового виробництва — наприклад, 10 000+ деталей. Ці процеси мають дуже високі початкові витрати та тривалі терміни підготовки, але ефективно забезпечують якісні, хоча й трохи заусенці, краї при великому обсязі виробництва тонких листів товщиною менше 3 мм.

Вердикт очевидний: для прототипування, невеликих і середніх обсягів, а також складних двовимірних форм з алюмінієвого листа, фіберлазерне різання забезпечує найкраще поєднання швидкості, точності та економічної ефективності.

Вирішення поширених проблем та більових точок

Ось рішення найпоширеніших проблем, які ми виявили у нашому цеху.

Якщо зрізи покриті твердим, грубим шлаком, який неможливо видалити, найімовірнішою причиною є недостатній тиск допоміжного газу або забруднений азот. Збільште тиск азоту на 2-3 Бар і переконайтеся, що використовуєте азот «лазерного класу» з чистотою 99,99%.

Якщо лазерна головка постійно виходить з ладу або ви отримуєте нестабільні розрізи, ймовірно, виникає зворотне відбиття через блискучої поверхні алюмінію. Нанесіть легке покриття маркувальної рідини, придатної для лазерної обробки, на лист — це значно підвищує поглинання променя, стабілізує розріз і захищає ваше обладнання. Після різання рідину легко змити.

Якщо краї потемніли або мають помітну зону теплового впливу, швидше за все, швидкість занадто низька або потужність надто висока, що призводить до надмірного нагрівання матеріалу. Оптимізуйте параметри для максимальної швидкості, яка все ще забезпечує чистий розріз. Швидший, «холодніший» розріз мінімізує тепловий вплив, що особливо важливо, якщо ви плануєте анодування деталей.

Післяобробка та закінчувальні роботи

Лазерна різка деталі рідко є остатнім етапом. Ось що зазвичай роблять далі.

По-перше, зачистка: навіть якісний розріз може мати мікрозагин. Швидке проходження абразивним блоком з дрібним зерном або вібраційною машиною для видалення загару ідеально очищає край.

Для оздоблення поверхні лазерно вирізані краї добре піддаються матовому або полірованому фінішу. Після обробки дробоструменем перед анодуванням досягається особливо рівномірний вигляд.

Найголовніше, якщо ви плануєте анодувати свої деталі: лазерно вирізані краї мають тонкий аморфний оксидний шар, який може перешкоджати анодуванню, призводячи до неоднорідного вигляду. Завжди вказуйте, що краї мають бути хімічно очищені або слабко протравлені перед анодуванням — цей важливий крок часто ігнорують на багатьох підприємствах.

ЧаП: Швидкі відповіді на ваші головні запитання

1. Яка максимальна товщина для лазерного різання алюмінію?

За допомогою сучасних потужних волоконних лазерів (6–12 кВт) технічно можливе різання до 25 мм. Однак для практичних цілей, з отриманням якісного результату без заусенців і з гарними допусками, ми рекомендуємо максимум 12 мм для сплаву 5052 і 10 мм для 6061. При товщинах понад ці значення надійнішими стають гідроабразивне різання або фрезерування.

2. Чи впливає лазерне різання на твердість алюмінієвих сплавів, таких як T6?

Так, але дуже локально. Зона термічного впливу зазвичай має глибину лише 0,1–0,3 мм від краю різу. Для більшості застосувань це не погіршує якість деталі. Якщо сам край є конструктивно важливим, можна зробити легку механічну обробку, щоб видалити ЗТВ.

3. Чи можна різати анодований алюміній лазером?

Так, але обережно. Кольоровий анодований шар по-іншому поглинає лазерне випромінювання, тому завжди спочатку робіть пробний різ. Можливо, знадобиться налаштувати параметри, а також на краю розрізу з’явиться вузька смужка сирого алюмінію. Через нагрівання анодування поблизу розрізу може трохи змінити колір.

4. Як отримати точну пропозицію щодо вирізання алюмінієвих деталей лазером?

Надайте постачальнику чотири ключові дані: марку та товщину матеріалу (наприклад, 6061-T6, 3 мм), чистий векторний файл у форматі DXF або DWG, кількість деталей та потребу в додатковій обробці, наприклад, усунення заусенців або анодування.

Практична нотатка: зазначені параметри отримані на основі нашого досвіду роботи з конкретним обладнанням волоконного лазера IPG. Ваші точні налаштування можуть потребувати коригування залежно від вашого обладнання, партії матеріалу та умов оточення. Завжди проводьте пробні розрізи для остаточного підтвердження параметрів виробництва.