Технология и оборудование лазерной обработки. Часть 2

Московский государственный технический университет  
имени Н. Э. Баумана 

Б.М. Федоров 
Н.А. Смирнова 
 
 
ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ 
ЛАЗЕРНОЙ ОБРАБОТКИ 

Часть 2 

Методические указания 
к лабораторным работам по курсу 
«Технология лазерной обработки» 
 
 
 
 
 
 
 

 
 

Москва 2014 

УДК 621.375.826 
ББК 32.86-5 
Ф33 

Издание доступно в электронном виде на портале ebooks.bmstu.ru 
по адресу: http://ebooks.bmstu.ru/catalog/41/book203.html 

Факультет «Машиностроительные технологии» 

Кафедра «Лазерные технологии в машиностроении» 

Рекомендовано Учебно-методической комиссией Научноучебного комплекса «Машиностроительные технологии» 
МГТУ им. Н. Э. Баумана. 
 
Р е ц е н з е н т  канд. техн. наук, доцент В.П. Морозов  

                      Федоров Б. М. 
Технология и оборудование лазерной обработки : метод. 
указания к лабораторным работам по курсу «Технология лазерной обработки» : в 2 ч. Ч. 2  / Б. М. Федоров, Н. А. Смирно- 
               ва. — М. : Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2014. — 32, [4] с. 

  ISBN 978-5-7038-3831-0 
 

Рассмотрены направления лазерной обработки, часто встречающиеся в машиностроении — гравировка, прецизионная резка, сварка 
миниатюрных изделий. 
Для студентов МГТУ им. Н. Э. Баумана, изучающих курс «Технология лазерной обработки». 
 
 
УДК 621.375.826 
       ББК 32.86-5 
 
 
   МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2014  
   Оформление. Издательство МГТУ        
ISBN 978-5-7038-3831-0                                              им. Н. Э. Баумана, 2014 
 

Ф33 

 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

 
В первой части методических указаний к лабораторным работам по курсу «Технология лазерной обработки» были рассмотрены 
виды лазерной обработки, которые часто встречаются в машиностроении: сварка, резка, термообработка, прошивка отверстий в 
металлах. Другие виды лазерной обработки, такие как гравировка, 
прецизионная резка, сварка миниатюрных изделий, рассмотрены 
во второй части методических указаний. 
В работе № 9 описаны гравировка и резка неметаллических 
материалов излучением СО2-лазера с плоттерным перемещением 
изделия. Для гравировки и резки, сварки, маркировки металлических материалов эффективно применяют излучение твердотельного лазера (работы № 10, 11, 13—15). Лазерная сварка миниатюрных изделий представлена в работе № 12.  
Выполнение каждой лабораторной работы рассчитано на 4 ч 
для группы студентов из трех человек; результаты обрабатываются индивидуально. 
Все работы заканчиваются составлением отчета и собеседованием с преподавателем. Отчет должен содержать наименование, 
цели и задачи лабораторной работы, порядок выполнения, краткую характеристику применяемого оборудования, эскизы изделий, 
схемы, расчеты режимов обработки, экспериментальные результаты, графики и выводы. В процессе собеседования студенты должны показать понимание физической сущности экспериментальных 
результатов. 
ВНИМАНИЕ! Без изучения инструкции по технике безопасности к работе не приступать! 

Работа № 9. ТЕХНОЛОГИЯ ЛАЗЕРНОЙ ГРАВИРОВКИ 
И РЕЗКИ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ 

Цель работы — изучить технологию лазерной гравировки и 
прецизионной резки на установке плоттерного типа. 

Основные теоретические сведения 

Лазерная гравировка широко применяется для изготовления 
изделий машиностроения и изделий широкого потребления. В зависимости от обрабатываемого материала используют разные лазерные установки, поэтому важно уметь определять, для какого 
класса материалов целесообразна та или иная установка. 
В зависимости от класса материала поглощательная способность неодинакова при изменении длины волны лазерного излучения. Большая часть неметаллических материалов, которые все шире применяют в промышленности, обладает высокой поглощательной способностью излучения СО2-лазера с длиной волны 10,6 мкм, 
коэффициент поглощения при этом достигает 0,9. При высоких 
скоростях обработки излучением лазера, малом диаметре пятна и 
низкой теплопроводности материала можно считать, что теплота 
распространяется, как от мощного концентрированного источника 
в полубесконечном теле. 
При воздействии лазерного излучения на неметаллические материалы происходят разные химические реакции: деструкция, испарение, сублимация, термические диссоциации с выделением газов. Наряду с ними возможно образование свободного углерода 
(сажи) и аэрозоли в виде частиц испаренного вещества. 
Даже при небольшой плотности мощности (103…104 Вт/см2) 
образуется эрозионный факел, экранирующий обрабатываемую 

поверхность и снижающий эффективность процесса гравировки. 
Для устранения влияния эрозионного факела в зону воздействия 
подается активный или нейтральный газ (в зависимости от материала). Поток газа удаляет частицы испаренного вещества, плазму, 
расплав, выдувает разрушившийся материал, что увеличивает эффективность процесса. 
Устранить отрицательное воздействие эрозионного факела 
можно также импульсной подачей энергии с частотой, превышающей частоту его возникновения (как правило, более сотни герц). 
Следует обратить внимание на то, что при гравировке ширина 
реза меньше, чем диаметр сфокусированного лазерного излучения. 
Это связывают с возникновением слоя газа, выделяющегося из обрабатываемого материала и образующего раскаленную газовую 
струю, прорезающую материал. 
Оборудование: установка ILS-IV компании Laser Tools & 
Technics — СО2-лазер отпаянного типа с высокочастотной накачкой 
и плоттерным перемещением изделия, профилометр мод. 170622, 
микроскоп МБС-10.  
Краткая техническая характеристика установки 

Максимальная средняя мощность  
излучения, Вт .................................................................... 50 
Длина волны излучения, мкм .......................................... 10,6  
Длительность импульса, мкс ........................................... 1…3 
Частота повторения  
импульса, кГц ................................................................... 1…5  
Максимальная скорость  
перемещения, м/с .............................................................. До 1,5  
Фокусное расстояние линзы, мм ..................................... 50 
Диаметр сфокусированного  
луча, мм ............................................................................. 0,05…0,15  
Материал для обработки  .................................................. Пластмасса, 
 
 стекло,  
 
 дерево,  
 
 бумага,  
 анодирован- 
ный алюминий 
Плавная регулировка мощности излучения, Вт ..........  0…50 

Чтобы установить требуемые параметры лазерной обработки, 
следует рассчитать необходимую мощность P. Для расчета можно 
использовать уравнение теплового баланса 

и
р
η
ρ
P
V
S

, 
(9.1) 

где η — КПД процесса; Vи — объем материала, удаляемого за один 
импульс, см3;  — плотность материала, г/см3; Ѕр — удельная 
энергия разрушения, Дж/г. 
Исходные данные приведены в таблице. 

Для расчета скорости обработки используют формулу 

 
р
η
,
P
Fv

 
                        (9.2) 

где F — поперечное сечение реза, см2; 
р
v  — скорость реза, см/c. 
Толщина материала, удаляемого за один импульс, определяется как  

 
и
δ =
τ,
V

 
(9.3) 

где 
и
и
/
V
L
q


 ( q  — плотность мощности, Вт/см2;   — плотность материала, г/см3; 
и
L  — удельная теплота испарения). 

Плотность мощности  

 
л
η
/
q
P S

,                       
(9.4) 

где 
л
S  — площадь лазерного пятна, см2. 

Длительность импульса находят как  

 
τ = 1/ f ,                  
(9.5) 

где f — частота следования импульсов. 

Материал 
ρ , г/см3 
Ѕр, Дж /г 

Текстолит 
1,3 
50000 

Пластик 
1,4 
2000 

Дерево (дуб) 
0,75 
5400 

Картон 
0,69 
800 

Резина 
1,1 
2500 

Керамика 
2,1 
30000 

Стекло обыкновенное 
1,2 
31000 

После этого определяют количество импульсов 
и
n  на одну 
точку: 
 
и
δ/ δ .

n
                  
(9.6) 

Здесь δ — толщина материала, удаляемого за 
и
n  импульсов. 
Для расчета скорости гравировки воспользуемся формулой  
 
гр
п /
,
v
d
n f

                   
(9.7) 

где 
п
d  — диаметр лазерного пятна, см. 

Включение установки и работу на ней проводят под наблюдением учебного мастера или преподавателя. 

Порядок выполнения работы 

1. Ознакомиться с порядком проведения работ на лазерной 
установке. 
2. Предварительно отредактировать программу и вывести ее на 
монитор. 
3. Рассчитать необходимую скорость лазерной обработки. 
4. Загрузить программу. 
5. Выполнить тестирование — позиционирование и настройку 
фокуса. 
6. Провести гравировку, резку. Обрабатываемый материал — 
акрил толщиной 3 мм, картон, анодированный алюминий, алюминий с покрытием (электрофорезная смола), двухслойный полимерный материал и (для сравнения) коррозионно-стойкая сталь. Програвировать пластины, плавно изменяя мощность излучения от  
50 Вт до 0, и выполнить резку их с максимальной мощностью излучения P = 50 Вт и разными скоростями обработки. 
 Провести гравировку оргстекла толщиной 4 мм: а) P = var (10; 
20; 30; 40 Вт) при v = const = 90 % от v max = 1,5 м/с; 
п
d  = 50 мкм;  
f = 5 кГц; б) v  = var (20; 30; 40; 50; 60; 70; 80; 90 % от vmax = 1,5 м/с) 
при P = const = 35 Вт (70 % от Pmax = 50 Вт), 
п
d  = 50 мкм f = 5 кГц. 
 Выполнить резку оргстекла толщиной 4 мм: а) v = var (0,5; 
1,0; 2,0; 5,0; 8,0; 12,0; 15,0 % от v max = 1,5 м/с) при P = const = 
= 45 Вт (90 % от Pmax = 50 Вт), f = 5 кГц; б) P = var (65; 70; 75; 80; 
85; 90; 95 % от Pmax = 50 Вт) при v = const = 1 % от v max = 1,5 м/с.  
 Выполнить резку металлизированного картона толщиной 
0,28 мм: а) P = var (15; 25; 35 Вт) при v = const = 1 % мм/с от  

vmax = 1,5 м/с, 
п
d  = 50 мкм,  f = 5 кГц; б) v = var (20, 50, 80 % от  
v max = 1,5 м/с) при P = const = 35 Вт (70 % от Pmax = 50 Вт),  

п
d  = 50 мкм, f = 5 кГц. 
 Выполнить резку двухслойного пластика толщиной 0,5 мм: 
а) при v = const = 5 % от v max = 1,5 м/с, P = var (5, 50, 90 % от  
P max = 50 Вт), f =5 кГц, dп =100 мкм; б) при P = const = 45 Вт  
(90 % от P max = 50 Вт), v = var (5, 10, 20 % от v max = 1,5 м/с),  
f = 5 кГц, dп = 100 мкм. 
7. Проконтролировать качество гравировки и реза. Пользуясь 
профилометром мод. 170622, микроскопом МБС-10, определить 
шероховатость обрабатываемой поверхности образцов, ширину 
реза, количество грата с лицевой и обратной стороны, воспроизводимость геометрических размеров (точность 0,1 мм). 
8. Построить зависимости изменения параметров качества обрабатываемой поверхности от скорости обработки. 
9. Сравнить полученные зависимости для разных мощностей 
излучения и сделать выводы о влиянии режимов гравировки и резки на качество обрабатываемой поверхности для рассмотренных 
материалов.  
10. Определить оптимальные режимы гравировки и резки для 
различных материалов. 
11. Провести гравировку и резку изделия на оптимальных режимах обработки. 
Требования к отчету. Отчет должен включать название, цель 
работы, расчеты параметров лазерной обработки, графики зависимости изменения параметров качества обрабатываемой поверхности от режимов обработки, эскиз изделия. 

Контрольные вопросы 

1. Какие типы лазеров применяют для обработки неметаллических материалов? 
2. Какие явления снижают эффективность процесса гравировки? 
3. Какие мероприятия необходимы для устранения влияния 
эрозионного факела? 
4. Как рассчитать параметры лазерной обработки? 
5. Какой метод необходим для изображения параметров обработки материалов? 

 

Работа № 10. ТЕХНОЛОГИЯ ЛАЗЕРНОЙ ГРАВИРОВКИ 
МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ НА УСТАНОВКАХ  
С РАСТРОВЫМ ПЕРЕМЕЩЕНИЕМ ЛУЧА 

Цель работы — изучить технологию лазерной гравировки металлических изделий. 

Основные теоретические сведения 

Несмотря на широкое внедрение в машиностроении прогрессивных материалов (пластики, композиты) более 90 % изделий 
выполняют традиционно из металлических материалов. В связи с 
этим актуально внедрение в их обработку новых технологий, в 
частности, в области формообразования — гравировки с окислением и без окисления, изготовления клише, многопроходной гравировки. 
Эффективность процессов обработки металлических изделий 
лазерным лучом во многом определяется поглощательной способностью металла. В особенности это характерно для процессов поверхностной обработки, где нет «кинжального» проплавления, 
возникающего при сварке и резке больших толщин. Чтобы увеличить поглощательную способность металла, можно нанести на поверхность изделия специальное покрытие. Однако это решение не 
является технологичным, так как нанесение и последующее удаление покрытия — задача достаточно сложная и ведет к увеличению 
продолжительности технологического процесса.  
Другим способом повышения поглощательной способности 
металла является подбор лазерного излучения с оптимальной длиной волны. Известно, что с уменьшением длины волны поглощение лазерного излучения металлами увеличивается, поэтому 
наиболее часто используют лазеры с активным элементом из 
алюмоиттриевого граната (АИГ-лазеры) с длиной волны 1,06 мкм. 
Эти лазеры обладают достаточно высокой эффективностью съема 
энергии с единицы объема рабочего тела, что послужило основанием для их серийного выпуска.  
Оборудование: установка Silver Track-гравер с твердотельным 
АИГ-лазером и диодной накачкой, микроскоп МБС-10, профилометр мод. 170622. 

Краткая техническая характеристика установки 

Cредняя мощность излучения, Вт .........................  До 15 
Длина волны излучения, мкм ................................  1,06 
Индикатор области маркировки  
(красный диод), нм .................................................  635 
Длительность импульса, мкс .................................  0,1…20 
Частота повторения импульса, кГц .......................  5…50  
Фокусное расстояние линзы, мм ...........................  100 
Диаметр светового пятна, мкм ..............................  30 и 50  
Максимальная скорость перемещения, м/с ..........  До 7,0  
Материал для обработки, м/с ................................  Металл,  металл  
с покрытием, некоторые виды неметаллов 

Установка предназначена для лазерной гравировки изделий. 
Конструктивно она спроектирована таким образом, что возможна 
обработка как с растровым, так и векторным перемещением луча. 
Это позволяет производительно и высокоточно сканировать его по 
поверхности изделия. 
Изменяя параметры лазерной обработки, можно в достаточно 
широких пределах изменять ее условия. Основным процессом при 
обработке металлических изделий является испарение. 
Как известно, процесс испарения для каждого металла зависит 
от плотности мощности 
3
q : 

 
3
и
γ
,
τ
a
L
q 
 
(10.1) 

где  — плотность материала, г/см3; Lи — удельная теплота испарения, Дж/г; а — коэффициент температуропроводности, см2/c;  
τ — длительность импульса, с. 
Для начала процесса испарения плотность мощности q должна 
быть более q3. Определив q3, рассчитывают энергию в импульсе 

 
3τ
,
E
q
S

 
(10.2)  

где S — площадь лазерного пятна, см2.