Laserlõikuse ja selle töötlemissüsteemi põhitõed —Laserlõikusseadmed

II. Laserlõikusseadmete koostis

2.1 Laserlõikusmasina komponendid ja tööpõhimõte

Laserlõikusmasin koosneb laserkiirgurist, lõikepeast, kiire ülekandekomplektist, tööpingi töölauast, numbrilisest juhtimissüsteemist (NC), arvutist (riist- ja tarkvarast), jahutist, kaitsegaasi silindrist, tolmukogujast ja õhukuivatist.

Lasergeneraator

Lasergeneraator on seade, mis tekitab laservalgusallikaid. Laserlõikuse rakenduste jaoks kasutab enamik masinaid CO₂ gaaslasereid, millel on kõrge elektrooptilise muundamise efektiivsus ja suur võimsus, välja arvatud mõned juhud, kus kasutatakse YAG tahkislasereid. Kõik laserid ei sobi lõikamiseks, kuna laserlõikus seab kiire kvaliteedile ranged nõuded.
Lõikepea

See koosneb peamiselt sellistest komponentidest nagu otsik, teravustamislääts ja teravustamise jälgimissüsteem.

Lõikepea ajamiseadet kasutatakse lõikepea liigutamiseks mööda Z-telge vastavalt etteantud programmidele. See koosneb servomootorist ja ülekandeosadest, näiteks juhtkruvidest või hammasratastest.

(1) Düüs: Düüse on kolme peamist tüüpi: paralleelsed, koonduvad ja koonilised.

(2) Fokuseeriv lääts: Laserkiire energia abil lõikamiseks tuleb laseri kiirgav algne kiir fokuseerida läbi läätse, et moodustada suure energiatihedusega valguslaik. Keskmise ja pika fookuskaugusega läätsed sobivad paksude plaatide lõikamiseks ning neil on jälgimissüsteemi vahekauguse stabiilsuse nõuded madalamad. Lühikese fookuskaugusega läätsed sobivad ainult õhukeste, alla 3 mm paksuste plaatide lõikamiseks; neil on jälgimissüsteemi vahekauguse stabiilsuse nõuded ranged, kuid need võivad oluliselt vähendada vajalikku laseri väljundvõimsust.

(3) Jälgimissüsteem: Laserlõikusmasina fookusjälgimissüsteem koosneb üldiselt fokuseerivast lõikepeast ja jälgimisandurite süsteemist. Lõikepea ühendab endas kiire suunamise ja fokuseerimise, veejahutuse, gaasipuhumise ja mehaanilise reguleerimise funktsioonid.

Andur koosneb anduritest ja võimenduse juhtseadmest. Jälgimissüsteemid varieeruvad täielikult olenevalt anduritest. Saadaval on kaks peamist tüüpi: üks on mahtuvuslik andurijälgimissüsteem, tuntud ka kui kontaktivaba jälgimissüsteem; teine on induktiivne andurijälgimissüsteem, mida nimetatakse ka kontaktjälgimissüsteemiks.
Kiireülekande komplekt

Väline optiline rada: Laserkiire suunamiseks soovitud suunas kasutatakse peegeldavaid peegleid. Kiiretee talitlushäirete vältimiseks on kõik peegeldavad peeglid kaitstud kilpidega ja peeglite saastumise vältimiseks juhitakse sisse puhast positiivse rõhuga kaitsegaasi. Suure jõudlusega lääts suudab hajutamata kiire fokuseerida lõpmatult väikesesse kohta. Tavaliselt kasutatakse 5,0-tollise fookuskaugusega läätse, samas kui 7,5-tolline lääts sobib ainult üle 12 mm paksuste materjalide lõikamiseks.
Tööpingi töölaud

Peamine masina kere: masina tööriistaosalaserlõikusmasinon mehaaniline osa, mis teostab X-, Y- ja Z-telgede liikumist, sealhulgas lõiketööplatvormi.
Numbriline juhtimissüsteem

NC-süsteem juhib tööpinki X-, Y- ja Z-telje liikumise saavutamiseks ning reguleerib samal ajal laseri väljundvõimsust.
Jahutussüsteem

Jahutusseade: Seda kasutatakse lasergeneraatori jahutamiseks. Laser on seade, mis muundab elektrienergia valgusenergiaks. Näiteks CO₂ gaaslaseri muundamise efektiivsus on üldiselt 20%, ülejäänud energia muundatakse soojuseks. Jahutusvesi eemaldab liigse soojuse, et säilitada lasergeneraatori normaalne töö. Jahutusseade jahutab ka tööpingi väliseid optilise tee peegleid ja fokuseerimisläätsi, tagades stabiilse kiireülekande kvaliteedi ja ennetades tõhusalt läätse deformatsiooni või pragunemist ülekuumenemise tõttu.
Gaasiballoonid

Gaasiballoonide hulka kuuluvad töökeskkonna balloonid ja laserlõikusmasina abigaasiballoonid, mida kasutatakse laserostsillatsiooni tööstusgaaside täiendamiseks ja lõikepea abigaaside varustamiseks.
Tolmu eemaldamise süsteem

See eemaldab töötlemise käigus tekkiva suitsu ja tolmu ning teostab filtreerimist, et tagada heitgaaside vastavus keskkonnakaitsestandarditele.
Õhujahutuskuivati ja -filter

See varustab lasergeneraatorit ja kiirteed puhta ja kuiva õhuga, säilitades kiirtee ja peegelduvate peeglite normaalse töö.

2.2 Lõikepõleti laserlõikuseks

Laserlõikuse lõikepõleti struktuuriskeem on näidatud allpool. See koosneb peamiselt põleti korpusest, fokuseerivast läätsest, peegeldavast peeglist ja abigaasi otsikust. Laserlõikuse ajal peab lõikepõleti vastama järgmistele nõuetele:

① Põleti suudab väljastada piisava gaasivoolu.

② Gaasi väljutussuund põleti sees peab olema peegeldava peegli optilise teljega koaksiaalne.

③ Taskulambi fookuskaugust saab hõlpsalt reguleerida.

4. Lõikamise ajal ei tohi lõigatud metallilt eralduvad metalliaurud ja -pritsmed peegeldavat peeglit kahjustada.

Lõikepõleti liikumist reguleerib NC-liikumissüsteem. Lõikepõleti ja tooriku vahelise suhtelise liikumise jaoks on kolm stsenaariumi:

① Põleti jääb paigale, kuni toorik liigub töölaua kaudu – sobib peamiselt väikeste toorikute jaoks.

② Töödeldav detail jääb põleti liikumise ajal paigale.

③ Nii põleti kui ka töölaud liiguvad samaaegselt.

2.2.1 Lõikepea

Laserlõikuspea asub kiire ülekandesüsteemi lõpus ning koosneb fokuseerivast läätsest ja lõikeotsikust.

Fokuseerimisläätsi liigitatakse peamiselt fookuskauguse järgi. Enamik laserlõikusseadmeid on varustatud mitme lõikepeaga, millel on erinevad fookuskaugused. Näiteks CO₂ laserlõikuse puhul on tavalised fookuskaugused 127 mm (5 tolli) ja 190 mm (7,5 tolli). Lühikese fookuskaugusega lääts annab väikese fookuspunkti ja lühikese fookussügavuse, mis aitab vähendada lõikelaiust ja saavutada peenemaid lõikeid. Pikk fookuskaugusega lääts annab suurema fookuspunkti ja pikema fookussügavuse. Võrreldes lühikese fookuskaugusega läätsedega suudavad pika fookuskaugusega läätsed anda fokuseeritud kiire, mille laseri energiatihedus on piisav materjali töötlemiseks fookuspunkti lähedal. Seetõttu kasutatakse lühikese fookuskaugusega läätsesid enamasti õhukeste plaatide täppislõikamiseks, samas kui pika fookuskaugusega läätsesid on vaja paksemate materjalide jaoks piisava fookussügavuse saavutamiseks, tagades minimaalse kõikumise punkti läbimõõdus ja piisava võimsustiheduse lõikepaksuse vahemikus.

Fokuseerimisläätsi kasutatakse lõikepõletisse langeva paralleelse laserkiire fokuseerimiseks, saavutades väiksema täpi suuruse ja suurema võimsustiheduse. Läätsed on valmistatud materjalidest, mis suudavad laserlainepikkust läbi lasta. Tahkislaserites kasutatakse tavaliselt optilist klaasi, CO₂ gaaslaserites aga selliseid materjale nagu ZnSe, GaAs ja Ge (kuna tavaline klaas ei ole CO₂ laserkiirte jaoks läbipaistev), mille hulgas on ZnSe kõige laialdasemalt kasutatav.

Laserlõikuse puhul on fookuspunkti läbimõõdu minimeerimine soovitav, et suurendada võimsustihedust ja võimaldada kiiret lõikamist. Lühem fookuskaugus toob aga kaasa väiksema fookussügavuse, mistõttu on paksude plaatide lõikamisel raske saavutada risti lõikepinda. Lisaks vähendab lühem fookuskaugus läätse ja tooriku vahelist kaugust, suurendades läätse saastumise ohtu sulapritsmetega lõikamise ajal ja mõjutades normaalset tööd. Seetõttu tuleks sobiv fookuskaugus määrata igakülgselt, lähtudes sellistest teguritest nagu lõikepaksus ja lõikekvaliteedi nõuded.

2.2.2 Peegeldav peegel

Peegeldava peegli ülesanne on muuta laserist kiirgava kiire suunda. Tahkislaserite kiirte puhul saab kasutada optilisest klaasist valmistatud peegeldavaid peegleid. Seevastu CO₂ gaasilaserlõikusseadmetes olevad peegeldavad peeglid on tavaliselt valmistatud vasest või suure peegeldusvõimega metallidest. Laserkiirguse ülekuumenemisest tingitud kahjustuste vältimiseks töötamise ajal jahutatakse peegeldavaid peegleid tavaliselt veega.

2.2.3 Otsik

Düüsi kasutatakse abigaasi pihustamiseks lõiketsooni ja selle struktuuril on teatav mõju lõiketõhususele ja -kvaliteedile. Joonis 4.11 näitab laserlõikuse jaoks tavalisi düüsikujusid; düüsi ava kujude hulka kuuluvad silindrilised, koonilised ja koonduvad-lahkuvad.

Düüsi valik määratakse üldiselt katsete abil, mis põhinevad töödeldava detaili materjalil ja paksusel ning abigaasi rõhul. Laserlõikusel kasutatakse tavaliselt koaksiaalseid düüse (kus gaasivool on optilise teljega koaksiaalne). Kui gaasivool ja laserkiir ei ole koaksiaalsed, on lõikamise ajal tõenäoline liigne pritsimine. Düüsi ava sisemine sein peaks olema sile, et tagada takistusteta gaasivool ja vältida turbulentsi, mis võib mõjutada lõikekvaliteeti. Lõike stabiilsuse tagamiseks tuleks düüsi otsapinna ja töödeldava pinna vaheline kaugus minimeerida, tavaliselt vahemikus 0,5 mm kuni 2,0 mm. Düüsi ava läbimõõt peab võimaldama laserkiirel sujuvalt läbida, takistades kiirel puudutada ava sisemist seina. Mida väiksem on ava läbimõõt, seda raskem on kiirt kollimeerida. Antud abigaasi rõhu jaoks on olemas optimaalne düüsi ava läbimõõtude vahemik. Liiga väike või suur ava takistab sulanud toodete eemaldamist lõikepinnast ja mõjutab lõikekiirust.

Düüsi ava läbimõõdu mõju lõikekiirusele fikseeritud laservõimsuse ja abigaasi rõhu korral on näidatud joonistel 4.12 ja 4.13. On näha, et maksimaalse lõikekiiruse saavutamiseks on olemas optimaalne düüsi ava läbimõõt. See optimaalne väärtus on ligikaudu 1,5 mm, olenemata sellest, kas abilaasina kasutatakse hapnikku või argooni.

Kõvade sulamite (mida on raske lõigata) laserlõikamise katsed näitavad, et optimaalne düüsi ava läbimõõt on ülaltoodud tulemustele väga lähedal, nagu on näidatud joonisel 4.14. Düüsi ava läbimõõt mõjutab ka lõikelõike laiust ja kuummõjutsooni (HAZ) laiust. Nagu on näidatud joonisel 4.15, suureneb düüsi ava läbimõõdu suurenemisega lõikelõike laius, samas kui HAZ laius kitseneb. HAZi kitsenemise peamine põhjus on abigaasivoolu suurenenud jahutav mõju alusmaterjalile lõiketsoonis.

2.3 Laserlõikusseadmete parameetrid

2.3.1 Põletiga lõikeseadmed

Põletiga töötavas lõikeseadmes on lõikepõleti paigaldatud liikuvale portaalile ja liigub horisontaalselt mööda portaali tala (Y-telge). Portaal paneb põleti liikuma mööda X-telge, samal ajal kui toorik on töölauale fikseeritud. Kuna laser ja lõikepõleti on paigutatud eraldi, mõjutavad lõikamisprotsessi ajal laserkiire läbilaskevõimet, paralleelsust kiire skaneerimise suunas ja peegelduspeeglite stabiilsust.

Põletiga lõikeseadmed suudavad töödelda suuri toorikuid. Need võtavad lõiketsoonis suhteliselt väikese põrandapinna ja neid saab hõlpsasti integreerida teiste seadmetega tootmisliini moodustamiseks. Nende positsioneerimistäpsus on aga vaid ±0,04 mm.

Põletiga töötava lõikeseadme tüüpiline konstruktsioon on näidatud joonisel 4.19. Kasutatakse pidevlaine CO₂ laserlõikusmasinat, mille kaugus laserist lõikepõletini on 18 m. Selleks, et kiire läbimõõdu muutus selle edastuskauguse jooksul ei häiriks lõiketoiminguid, tuleb ostsillaatorite peeglite kombinatsioon hoolikalt kavandada.

Põletiga lõikeseadmete peamised tehnilised parameetrid on järgmised:

Laseri väljundvõimsus: 1,5 kW (üherežiimne), 3 kW (mitmerežiimne)
Põleti käik: X-telg 6,2 m, Y-telg 2,6 m
Sõidukiirus: 0–10 m/min (reguleeritav)
Põleti Z-telje ujuvkäik: 150 mm
Põleti Z-telje reguleerimiskiirus: 300 mm/min
Töödeldud terasplaadi maksimaalne suurus: 12 mm × 2400 mm × 6000 mm
Juhtimissüsteem: integreeritud NC juhtimisrežiim

2.3.2 XY-lauaga lõikeseadmed

XY-lauaga töötavas lõikeseadmes on lõikepõleti kinnitatud raamile ja toorik asetatakse lõikelauale. Lõikelaud liigub X- ja Y-teljel vastavalt NC-käskudele, reguleeritava liikumiskiirusega, mis on tavaliselt vahemikus 0–1 m/min või 0–5 m/min. Kuna lõikepõleti jääb tooriku suhtes paigale, minimeerib see laserkiire joondamisele ja tsentreerimisele avaldatavat mõju lõikeprotsessi ajal, tagades ühtlase ja stabiilse lõiketulemuse. Väikese ja suure mehaanilise täpsusega lõikelauaga varustatuna saavutab masin positsioneerimistäpsuse ±0,01 mm.suurepärane lõiketäpsus, mistõttu sobib see eriti hästi väikeste komponentide täppislõikamiseks. Lisaks on suurte toorikute töötlemiseks saadaval suuremad lõikelauad X-telje käiguga 2300–2400 mm ja Y-telje käiguga 1200–1300 mm.

XY-lauaga lõikeseadmete peamised tehnilised parameetrid on järgmised:

Laserallikas: CO₂ gaaslaser (poolsuletud sirge toruga tüüp)
Laseri toiteallikas: sisendpinge 200 VAC; väljundpinge 0–30 kV; maksimaalne väljundvool 100 mA
Laseri väljundvõimsus: 550 W
Lõikelaua käik: X-telg 2300 mm, Y-telg 1300 mm
Lõikelaua kiirus (astmeliselt reguleeritav): 0,4–5,0 m/min, 0,2–2,5 m/min, 0,1–1,3 m/min, 0,05–0,6 m/min
Põleti Z-telje ujuvkäik: 180 mm
Töödeldud plaadi maksimaalne suurus: 6 mm × 1300 mm × 2300 mm
Juhtimissüsteem: numbriline juhtimisrežiim (NC)

2.3.3 Kahe ajamiga lõikeseadmed (põleti ja laud)

Kahe ajamiga lõikeseade (põleti ja laud) jääb disainilt põletiga ja XY-lauaga lõikemasinate vahele. Lõikepõleti on paigaldatud portaalile ja liigub horisontaalselt mööda portaali tala (Y-telg), samal ajal kui lõikelauda juhitakse pikisuunas. See hübriiddisain ühendab endas suure lõiketäpsuse ja ruumisäästliku efektiivsuse eelised. Positsioneerimistäpsusega ±0,01 mm ja reguleeritava lõikekiiruse vahemikuga 0–20 m/min on see üks turul enimkasutatavaid lõikemasinaid. Selle masina suuremad mudelid pakuvad Y-telje käiku 2000 mm ja X-telje käiku 6000 mm, mis võimaldab lõigata suuri toorikuid.

Laserostsillaator on paigaldatud lõikepõleti kõrvale gantryle. See konfiguratsioon tagab ümmarguste aukude lõikamisel erakordse täpsuse. Masinal on ka kõrge tootmistõhusus: see suudab 1 mm paksusele terasplaadile lõigata 46 ümmargust auku (läbimõõduga 10 mm) minutis.

2.3.4 Integreeritud lõikeseadmed

Ühesintegreeritud lõikemasin, laserallikas on paigaldatud raamile ja liigub sellega pikisuunas, samal ajal kui lõikepõleti on integreeritud oma ajamimehhanismiga, et liikuda horisontaalselt mööda raami tala. Masin kasutab erineva kujuga komponentide lõikamiseks numbrilist juhtimist. Lõikepõleti horisontaalse liikumise põhjustatud optilise tee pikkuse kõikumise kompenseerimiseks on tavaliselt varustatud optilise tee pikkuse reguleerimise mooduliga. See moodul tagab lõikepiirkonnas homogeense laserkiire ja säilitab ühtlase lõikepinna kvaliteedi.

Postituse aeg: 17. detsember 2025

Laserlõikuse põhitõed ja töötlemissüsteem — laserlõikusseadmed