Основи на ласерско сечење и систем за негова обработка —Опрема за ласерско сечење

II. Состав на опремата за ласерско сечење

2.1 Компоненти и принцип на работа на машината за ласерско сечење

Машината за ласерско сечење се состои од ласерски емитер, глава за сечење, склоп за пренос на сноп, работна маса на машински алати, систем за нумеричка контрола (NC), компјутер (хардвер и софтвер), ладилник, цилиндар за заштитен гас, собирач на прашина и сушач на воздух.

Ласерски генератор

Ласерскиот генератор е уред што произведува ласерски извори на светлина. За апликации за ласерско сечење, повеќето машини користат ласери со CO₂ гас кои се одликуваат со висока ефикасност на електрооптичка конверзија и висока излезна моќност, освен во неколку случаи каде што се користат YAG ласери во цврста состојба. Не сите ласери се погодни за сечење, бидејќи ласерското сечење наметнува строги барања за квалитетот на зракот.
Глава за сечење

Главно се состои од компоненти како што се млазница, леќа за фокусирање и систем за следење на фокусот.

Уредот за погон на главата за сечење се користи за погон на главата за сечење за да се движи по Z-оската според претходно поставените програми. Се состои од серво мотор и делови за пренос како што се завртки или запчаници.

(1) Млазница: Постојат три главни типа на млазници: паралелен тип, конвергентен тип и конусен тип.

(2) Фокусирачки објектив: За да се изврши сечење со употреба на енергија од ласерски зрак, оригиналниот зрак емитиран од ласерот мора да се фокусира низ објектив за да се формира светлосна точка со висока густина на енергија. Леќите со средна и долга фокусна должина се погодни за сечење на дебели плочи и имаат пониски барања за стабилност на растојанието на системот за следење. Леќите со кратка фокусна должина се погодни само за сечење на тенки плочи под 3 mm; тие имаат строги барања за стабилност на растојанието на системот за следење, но можат значително да ја намалат потребната излезна моќност на ласерот.

(3) Систем за следење: Системот за следење на фокусот на машината за ласерско сечење генерално се состои од глава за сечење со фокусирање и систем на сензори за следење. Главата за сечење ги интегрира функциите на водење и фокусирање на зракот, ладење со вода, дување со гас и механичко прилагодување.

Сензорот е составен од сензорски елементи и контролна единица за засилување. Системите за следење се разликуваат целосно во зависност од типот на сензорските елементи. Достапни се два главни типа: едниот е капацитивен систем за следење со сензори, познат и како бесконтактен систем за следење; другиот е индуктивен систем за следење со сензори, познат и како систем за следење со контакт.
Склоп на пренос на сноп

Надворешна оптичка патека: Рефлективните огледала се користат за насочување на ласерскиот зрак во посакуваната насока. За да се спречат дефекти во патеката на зракот, сите рефлективни огледала се заштитени со штитови, а се внесува чист заштитен гас со позитивен притисок за да се заштитат огледалата од контаминација. Високоефикасните леќи можат да фокусираат недивергентен зрак во бесконечно мала точка. Најчесто се користи леќа со фокусна должина од 5,0 инчи, додека леќа од 7,5 инчи е применлива само за сечење материјали подебели од 12 mm.
Работна маса за машински алатки

Главно тело на машината: Делот од машинскиот алат намашина за ласерско сечењее механички дел што го реализира движењето на оските X, Y и Z, вклучувајќи ја и работната платформа за сечење.
Нумерички систем за контрола

NC системот ја контролира машинската алатка за да постигне движења на X, Y и Z-оската и истовремено ја регулира излезната моќност на ласерот.
Систем за ладење

Единица за ладење: Се користи за ладење на ласерскиот генератор. Ласерот е уред што ја претвора електричната енергија во светлосна енергија. На пример, ефикасноста на конверзија на ласер со CO₂ гас е генерално 20%, при што преостанатата енергија се претвора во топлина. Водата за ладење ја отстранува вишокот топлина за да се одржи нормалното функционирање на ласерскиот генератор. Единицата за ладење, исто така, ги лади надворешните огледала на оптичкиот пат и леќите за фокусирање на машинската алатка, обезбедувајќи стабилен квалитет на пренос на зракот и ефикасно спречувајќи деформација или пукање на леќите поради прегревање.
Плински цилиндри

Гасните цилиндри вклучуваат цилиндри со работен медиум и помошни гасни цилиндри за машината за ласерско сечење, кои се користат за дополнување на индустриските гасови за ласерска осцилација и снабдување со помошни гасови за главата за сечење.
Систем за отстранување прашина

Ги извлекува чадот и прашината што се создаваат за време на преработката и спроведува филтрациски третман за да се осигури дека емисиите на издувни гасови ги исполнуваат стандардите за заштита на животната средина.
Сушач и филтер со воздушно ладење

Тој снабдува чист, сув воздух до ласерскиот генератор и патеката на зракот, одржувајќи го нормалното функционирање на патеката на зракот и рефлектирачките огледала.

2.2 Факел за сечење за ласерско сечење

Структурната шема на факелот за ласерско сечење е прикажана подолу. Тој е составен главно од тело на факелот, фокусирачка леќа, рефлективно огледало и помошна млазница за гас. За време на ласерското сечење, факелот за сечење мора да ги исполнува следниве барања:

① Факелот може да исфрли доволен проток на гас.

② Насоката на исфрлање на гасот во факелот мора да биде коаксијална со оптичката оска на рефлектирачкото огледало.

③ Фокусната должина на факелот може лесно да се прилагоди.

④ За време на сечењето, металната пареа и прскањата од сечениот метал не смеат да го оштетат рефлектирачкото огледало.

Движењето на секачката факелка се прилагодува со NC систем за движење. Постојат три сценарија за релативно движење помеѓу секачката факелка и обработуваниот дел:

① Факелот останува неподвижен додека работниот дел се движи низ работната маса — главно погодно за мали работни парчиња.

② Работното парче останува неподвижно додека се движи факелот.

③ И факелот и работната маса се движат истовремено.

2.2.1 Глава за сечење

Главата за ласерско сечење се наоѓа на крајот од системот за пренос на зракот и се состои од фокусирачка леќа и млазница за сечење.

Фокусирачките леќи се класифицираат главно според фокусната должина. Поголемиот дел од опремата за ласерско сечење е опремен со неколку глави за сечење со различни фокусни должини. Земајќи го сечењето со CO₂ ласер како пример, вообичаените фокусни должини се 127 mm (5 инчи) и 190 mm (7,5 инчи). Леќите со кратка фокусна должина произведуваат мала фокусна точка и кратка фокусна длабочина, што е погодно за намалување на ширината на засекот и постигнување пофини сечења. Леќите со долга фокусна должина даваат поголема фокусна точка и подолга фокусна длабочина. Во споредба со леќите со кратка фокусна должина, леќите со долга фокусна должина можат да обезбедат фокусиран зрак со густина на ласерска енергија доволна за обработка на материјал во близина на фокусната точка. Затоа, леќите со кратка фокусна должина најчесто се користат за прецизно сечење на тенки плочи, додека леќите со долга фокусна должина се потребни за подебели материјали за да се добие соодветна фокусна длабочина, обезбедувајќи минимална варијација во дијаметарот на точката и доволна густина на моќност во опсегот на дебелина на сечење.

Фокусирачките леќи се користат за фокусирање на паралелниот ласерски зрак што паѓа во факелот за сечење, со што се постигнува помала големина на точката и поголема густина на моќност. Леќите се направени од материјали што можат да ја пропуштат брановата должина на ласерот. Оптичкото стакло најчесто се користи за ласери во цврста состојба, додека материјали како ZnSe, GaAs и Ge се користат за ласери со CO₂ гас (бидејќи обичното стакло не е транспарентно за CO₂ ласерските зраци), меѓу кои ZnSe е најшироко користен.

За ласерско сечење, пожелно е минимизирање на дијаметарот на фокусната точка за да се зголеми густината на моќност и да се овозможи сечење со голема брзина. Сепак, пократката фокусна должина на објективот резултира со помала фокусна длабочина, што го отежнува постигнувањето на нормална површина за сечење при сечење на дебели плочи. Покрај тоа, пократката фокусна должина го намалува растојанието помеѓу објективот и работниот дел, зголемувајќи го ризикот објективот да биде контаминиран со распрскување на стопени честички за време на сечењето и да влијае на нормалното работење. Затоа, соодветната фокусна должина треба да се одреди сеопфатно врз основа на фактори како што се дебелината на сечењето и барањата за квалитет на сечење.

2.2.2 Рефлективно огледало

Функцијата на рефлектирачкото огледало е да ја промени насоката на зракот што го емитува ласерот. За зраци од ласери во цврста состојба, може да се користат рефлективни огледала направени од оптичко стакло. Спротивно на тоа, рефлектирачките огледала во уредите за сечење со ласер на CO₂ гас обично се направени од бакар или метали со висока рефлективност. За да се спречи оштетување предизвикано од прегревање од ласерско зрачење за време на работата, рефлектирачките огледала обично се ладат со вода.

2.2.3 Млазница

Млазницата се користи за прскање на помошен гас во зоната на сечење, а нејзината структура има одредено влијание врз ефикасноста и квалитетот на сечењето. Слика 4.11 ги прикажува вообичаените облици на млазниците за ласерско сечење; облиците на отворите на млазниците вклучуваат цилиндрични, конусни и конвергентно-дивергентни типови.

Изборот на млазницата генерално се одредува преку тестови врз основа на материјалот и дебелината на обработуваниот дел, како и притисокот на помошниот гас. Ласерското сечење обично користи коаксијални млазници (каде што протокот на гас е коаксијален со оптичката оска). Ако протокот на гас и ласерскиот зрак не се коаксијални, веројатно е дека ќе се појави прекумерно прскање за време на сечењето. Внатрешниот ѕид на отворот на млазницата треба да биде мазен за да се обезбеди непречен проток на гас и да се избегне турбуленција што може да влијае на квалитетот на засекот. За да се обезбеди стабилност на сечењето, растојанието помеѓу крајната површина на млазницата и површината на обработуваниот дел треба да се минимизира, обично од 0,5 mm до 2,0 mm. Дијаметарот на отворот на млазницата мора да овозможи ласерскиот зрак да поминува непречено, спречувајќи го зракот да го допре внатрешниот ѕид на отворот. Колку е помал дијаметарот на отворот, толку е потешко да се колимира зракот. За даден притисок на помошниот гас, постои оптимален опсег на дијаметри на отворите на млазницата. Претерано мал или голем отвор ќе го попречи отстранувањето на стопените производи од засекот и ќе влијае на брзината на сечење.

Влијанието на дијаметарот на отворот на млазницата врз брзината на сечење под фиксна моќност на ласер и притисок на помошен гас е прикажано на сликите 4.12 и 4.13. Може да се види дека постои оптимален дијаметар на отворот на млазницата со кој се постигнува максимална брзина на сечење. Оваа оптимална вредност е приближно 1,5 mm без оглед на тоа дали како помошен гас се користи кислород или аргон.

Тестовите за ласерско сечење на тврди легури (кои тешко се сечат) покажуваат дека оптималниот дијаметар на отворот на млазницата е многу блиску до горенаведените резултати, како што е илустрирано на Слика 4.14. Дијаметарот на отворот на млазницата, исто така, влијае на ширината на засекот и ширината на зоната погодена од топлина (HAZ). Како што е прикажано на Слика 4.15, со зголемување на дијаметарот на отворот на млазницата, ширината на засекот се зголемува, додека ширината на HAZ се стеснува. Главната причина за стеснувањето на HAZ е зголемениот ефект на ладење на помошниот проток на гас врз основниот материјал во зоната на сечење.

2.3 Параметри на опремата за ласерско сечење

2.3.1 Опрема за сечење со факел

Кај опремата за сечење со факел, факелот за сечење е монтиран на подвижен портален механизам и се движи хоризонтално по должината на порталната греда (Y-оска). Порталниот механизам го движи факелот да се движи по X-оската, додека работниот дел е фиксиран на работната маса. Бидејќи ласерот и факелот за сечење се распоредени одделно, карактеристиките на преносот на ласерот, паралелизмот по должината на насоката на скенирање на зракот и стабилноста на рефлектирачките огледала се засегнати за време на процесот на сечење.

Опремата за сечење со факел може да обработува големи обработливи парчиња. Зафаќа релативно мала површина на подот за зоната за производство на сечење и може лесно да се интегрира со друга опрема за да формира производствена линија. Сепак, нејзината точност на позиционирање е само ±0,04 mm.

Типичната структура на опремата за сечење со факел е прикажана на Слика 4.19. Усвоена е машина за сечење со континуиран CO₂ ласер, со растојание од ласерот до факелот за сечење од 18 m. За да се осигури дека промената на дијаметарот на зракот на ова растојание на пренос не се меша во операциите на сечење, комбинацијата на осцилаторни огледала мора внимателно да се дизајнира.

Главните технички параметри на опремата за сечење со факел се следниве:

Ласерска излезна моќност: 1,5 kW (еднорежимски), 3 kW (повеќережимски)
Работен момент на факелот: X-оска 6,2 м, Y-оска 2,6 м
Брзина на возење: 0–10 м/мин (прилагодливо)
Пловечки ход на факелот на Z-оската: 150 mm
Брзина на прилагодување на Z-оската на факелот: 300 mm/min
Максимална големина на обработена челична плоча: 12 mm × 2400 mm × 6000 mm
Контролен систем: Интегриран NC режим на контрола

2.3.2 XY опрема за сечење со погон на маса

Во опремата за сечење со XY маса, факелот за сечење е фиксиран на рамката, а работниот дел е поставен на масата за сечење. Масата за сечење се движи по X и Y оските според NC командите, со прилагодлива брзина на движење што обично се движи од 0–1 m/min или 0–5 m/min. Бидејќи факелот за сечење останува неподвижен во однос на работниот дел, се минимизира влијанието врз усогласувањето и центрирањето на ласерскиот зрак за време на процесот на сечење, обезбедувајќи униформни и стабилни перформанси на сечење. Кога е опремена со мала маса за сечење со висока механичка прецизност, машината постигнува точност на позиционирање од ±0,01 mm иодлична прецизност на сечење, што го прави особено погоден за прецизно сечење на мали компоненти. Дополнително, достапни се поголеми маси за сечење со движење на X-оската од 2300–2400 mm и движење на Y-оската од 1200–1300 mm за обработка на големи работни парчиња.

Главните технички параметри на опремата за сечење со погон на маса XY се следниве:

Извор на ласер: CO₂ гасен ласер (полузатворен тип со права цевка)
Ласерско напојување: Влезен напон 200 VAC; Излезен напон 0–30 kV; Максимална излезна струја 100 mA
Ласерска излезна моќност: 550 W
Работен ход на масата за сечење: X-оска 2300 mm, Y-оска 1300 mm
Брзина на движење на масата за сечење (чекорно прилагодлива): 0,4–5,0 м/мин, 0,2–2,5 м/мин, 0,1–1,3 м/мин, 0,05–0,6 м/мин
Пловечки ход на факелот на Z-оската: 180 mm
Максимална големина на обработена плоча: 6 mm × 1300 mm × 2300 mm
Контролен систем: Режим на нумеричка контрола (NC)

2.3.3 Опрема за сечење со двоен погон (факел и маса)

Опремата за сечење со двоен погон (факел и маса) по дизајн спаѓа помеѓу машините за сечење со факел и машините за сечење со XY погон. Факелот за сечење е монтиран на портален механизам и се движи хоризонтално по должината на порталната греда (Y-оска), додека масата за сечење се движи лонгитудинално. Овој хибриден дизајн ги комбинира предностите на висока прецизност на сечење и ефикасност на заштеда на простор. Со точност на позиционирање од ±0,01 mm и опсег на прилагодлива брзина на сечење од 0–20 m/min, таа е една од најчесто користените машини за сечење на пазарот. Поголемите модели на оваа машина нудат движење по Y-оската од 2000 mm и движење по X-оската од 6000 mm, овозможувајќи сечење на големи работни парчиња.

Ласерскиот осцилатор е монтиран на порталот покрај факелот за сечење. Оваа конфигурација овозможува исклучителна прецизност при сечење кружни дупки. Машината се одликува и со висока производствена ефикасност: може да сече 46 кружни дупки (10 mm во дијаметар) во минута на челична плоча со дебелина од 1 mm.

2.3.4 Интегрирана опрема за сечење

Воинтегрирана машина за сечење, ласерскиот извор е инсталиран на рамката и се движи лонгитудинално со неа, додека факелот за сечење е интегриран со својот погонски механизам за да се движи хоризонтално по должината на снопот на рамката. Машината користи нумеричка контрола за сечење на различни обликувани компоненти. За да се компензира варијацијата на должината на оптичката патека предизвикана од хоризонталното движење на факелот за сечење, обично е опремен со модул за прилагодување на должината на оптичката патека. Овој модул обезбедува хомоген ласерски зрак во рамките на површината за сечење и одржува конзистентен квалитет на површината за сечење.

Време на објавување: 17 декември 2025 година