Лазерная резка это способ обработки металла при котором в качестве режущего «инструмента» выступает лазерный луч, который за счет обеспечения фокусировки энергии на маленьком участке поверхности может разрезать практически любой материал. В месте фокусировки лазерного луча материал начинает плавиться, затем гореть или же сразу минуя плавление горит и испаряется, или выбивается струей газа. Тут надо пояснить, откуда берется тот самый газ, которым выбивается рез в материале. Рассмотрим этот вопрос на примере металла. Для того чтобы разрезать металл методом лазерной резки надо нагреть его сначала до температуры плавления, а потом и до температуры при которой жидкий металл перейдет в газообразное состояние и начнет испаряться. Но описанный процесс очень энергозатратный, а любое коммерческое применение технологии требует снижения издержек и поэтому при лазерной резке металлов часто применяют газ: воздух, кислород, азот, гелий или аргон, который подается в место реза и помогает удалять расплавленный металл, а так же усиливает процесс горения. Таким образом нет необходимости делать энергозатратный переход от жидкого к газообразному состоянию металла. При этом экономится не только энергия, но и время.
Для лазерной резки применяются различные виды лазерных установок: газовые лазеры (CO2), твердотельные и волоконные, которые целесообразно использовать для разных металлов в виду особенностей их характеристик. Так например для стали (легированной, углеродистой) используются маломощные лазеры, мощность которых не превышает 1 кВт, т.к. рез стали толщиной в 1 мм требует всего лишь 100 Вт, а для листа толщиной в 2,2 мм — 850 Вт.
Для реза углеродистой или легированной стали используется в качестве газа усиливающего процесс горения и вытеснение расплавленного металла - кислород, а для нержавеющей стали – азот подающийся под давлением в 20 атмосфер. Алюминий и цветные металлы имеют высокую теплопроводность, а значит для раскроя этих металлов потребуется затратить в разы больше энергии. Часто для их резки используется твердотельный лазер, работающий в режиме импульсов.
Чтобы лучше понимать принцип работы технологии лазерной резки, давайте разберем из чего же состоит сама лазерная установка:
1. Источник лазерного излучения — рабочая среда.
2. Источник энергии — система накачки.
3. Оптический резонатор — два параллельно установленных зеркала, одно из которых непрозрачно, а другое — полупрозрачно.
В основе явления лазерного излучения лежит тот факт, что возбуждённые атомы могут излучать кванты света под действием другого кванта света, без поглощения последнего. При этом излучаемые кванты света имеют ту же частоту, направленность излучения и вообще являются точной копией, кванту света, вызвавшему излучение. Таким образом, при определенном состоянии атомов в рабочей среде может происходит лавинообразное усиление света. Физический состав рабочей среды характеризуется тем, что у каждого атома в ней есть как минимум три энергетических уровня. Низший уровень - в спокойном состоянии атома. Возбужденное состояние, которое характерно для более высокого энергетического уровня, который приобретается атомом в процессе накачки рабочей среды энергией. Атомы поглощая энергию накачки, поднимаются на следующий уровень и по меркам атомов долго пребывают на этом энергетическом уровне. Электроны атома занимают определенные орбиты, окружающие ядро. Атом, получая энергию извне переходит в состояние возбуждения, в котором электроны меняют свои орбиты на орбиты с более высокими уровнями энергии. Длительное нахождение электронов на высокоэнергетических орбитах невозможно из-за чего происходит их самопроизвольное спрыгивание на орбиты с более низким энергетическим уровнем. При таком переходе электрон испускает квант света, который запускает лавинообразный процесс испускания фотонов электронами других атомов, с одновременным переходом этих электронов на орбиты с более низким энергетическим уровнем. Чтобы обеспечить одно направление излучения и убрать фотоны рожденные спонтанно используется оптический резонатор, который выводит из игры «случайные» фотоны, формируя сонаправленным поток фотонов. Такой поток и является лазерным лучом.