Основе ласерског сечења и његовог система обраде —Опрема за ласерско сечење

II. Састав опреме за ласерско сечење

2.1 Компоненте и принцип рада машине за ласерско сечење

Машина за ласерско сечење састоји се од ласерског емитера, главе за сечење, склопа за пренос зрака, радног стола машине, система за нумеричко управљање (НЦ), рачунара (хардвера и софтвера), хладњака, боце заштитног гаса, сакупљача прашине и сушача ваздуха.

Ласерски генератор

Ласерски генератор је уређај који производи изворе ласерске светлости. За примене ласерског сечења, већина машина користи CO₂ гасне ласере који се одликују високом ефикасношћу електрооптичке конверзије и великом излазном снагом, осим у неколико случајева где се користе YAG чврсти ласери. Нису сви ласери погодни за сечење, јер ласерско сечење намеће строге захтеве за квалитет снопа.
Глава за сечење

Углавном се састоји од компоненти као што су млазница, фокусирајуће сочиво и систем за праћење фокуса.

Уређај за погон главе за сечење користи се за покретање главе за сечење дуж Z-осе према унапред подешеним програмима. Састоји се од серво мотора и делова за пренос као што су водећи вијаци или зупчаници.

(1) Млазница: Постоје три главне врсте млазница: паралелни тип, конвергентни тип и конусни тип.

(2) Фокусирајуће сочиво: Да би се извршило сечење помоћу енергије ласерског зрака, оригинални зрак који емитује ласер мора бити фокусиран кроз сочиво да би се формирала светлосна тачка са високом густином енергије. Сочива средње и велике жижне даљине су погодна за сечење дебелих плоча и имају ниже захтеве за стабилност размака система за праћење. Сочива кратке жижне даљине су погодна само за сечење танких плоча испод 3 мм; имају строге захтеве за стабилност размака система за праћење, али могу значајно смањити потребну излазну снагу ласера.

(3) Систем за праћење: Систем за праћење фокуса машине за ласерско сечење се генерално састоји од главе за фокусирање и система сензора за праћење. Глава за сечење интегрише функције вођења и фокусирања снопа, хлађења водом, дувања гасом и механичког подешавања.

Сензор се састоји од сензорских елемената и јединице за управљање појачавањем. Системи за праћење се потпуно разликују у зависности од типа сензорских елемената. Постоје два главна типа: један је капацитивни систем за праћење сензора, познат и као бесконтактни систем за праћење; други је индуктивни систем за праћење сензора, познат и као контактни систем за праћење.
Склоп за пренос снопа

Спољашња оптичка путања: Рефлектујућа огледала се користе за вођење ласерског снопа у жељеном смеру. Да би се спречили кварови на путањи снопа, сва рефлектујућа огледала су заштићена штитовима, а уводи се чисти заштитни гас позитивног притиска како би се огледала заштитила од контаминације. Високоперформансно сочиво може фокусирати недивергентни сноп у бесконачно малу тачку. Уобичајено се користи сочиво са жижном даљином од 5,0 инча, док је сочиво од 7,5 инча применљиво само за сечење материјала дебљих од 12 мм.
Радни сто машинског алата

Главно тело машине: Део машинског алатамашина за ласерско сечењеје механички део који остварује кретање X, Y и Z оса, укључујући платформу за сечење.
Нумерички управљачки систем

НЦ систем контролише машински алат како би постигао кретања по X, Y и Z осама и истовремено регулише излазну снагу ласера.
Систем хлађења

Расхладна јединица: Користи се за хлађење ласерског генератора. Ласер је уређај који претвара електричну енергију у светлосну енергију. На пример, ефикасност конверзије CO₂ гасног ласера је генерално 20%, док се преостала енергија претвара у топлоту. Расхладна вода уклања вишак топлоте како би се одржао нормалан рад ласерског генератора. Расхладна јединица такође хлади спољашња оптичка огледала и фокусирајућа сочива алатне машине, обезбеђујући стабилан квалитет преноса снопа и ефикасно спречавајући деформацију или пуцање сочива услед прегревања.
Гасне боце

Гасне боце укључују боце радног медијума и помоћне гасне боце за машину за ласерско сечење, које се користе за допуњавање индустријских гасова за ласерске осцилације и снабдевање помоћним гасовима за главу за сечење.
Систем за уклањање прашине

Уклања дим и прашину настале током обраде и спроводи филтрацију како би се осигурало да емисије издувних гасова испуњавају стандарде заштите животне средине.
Сушач и филтер за хлађење ваздуха

Доводи чист, сув ваздух до ласерског генератора и путање снопа, одржавајући нормалан рад путање снопа и рефлектујућих огледала.

2.2 Резач за ласерско сечење

Структурни дијаграм горионика за ласерско сечење је приказан испод. Углавном се састоји од тела горионика, фокусирајућег сочива, рефлектујућег огледала и помоћне гасне млазнице. Током ласерског сечења, горионик мора да испуњава следеће захтеве:

① Пламеник може да избацује довољан проток гаса.

② Правац избацивања гаса унутар горионика мора бити коаксијалан са оптичком осом рефлектујућег огледала.

③ Жижна даљина лампе се може лако подесити.

4 Током сечења, метална пара и прскање резаног метала не смеју оштетити рефлектујуће огледало.

Кретање горионика за сечење подешава се помоћу НЦ система за кретање. Постоје три сценарија за релативно кретање између горионика за сечење и радног предмета:

① Горионик остаје непокретан док се радни предмет креће преко радног стола — углавном погодно за радне предмете малих димензија.

② Радни предмет остаје непокретан док се горионик креће.

③ И горионик и радни сто се крећу истовремено.

2.2.1 Глава за сечење

Глава за ласерско сечење налази се на крају система за пренос снопа, који се састоји од фокусирајућег сочива и млазнице за сечење.

Фокусна сочива се углавном класификују према жижној даљини. Већина опреме за ласерско сечење опремљена је са неколико глава за сечење са различитим жижним даљинама. Узимајући за пример сечење CO₂ ласером, уобичајене жижне даљине су 127 мм (5 инча) и 190 мм (7,5 инча). Сочиво са кратком жижном даљином производи малу жижну тачку и кратку жижну дубину, што доприноси смањењу ширине реза и постизању финијих резова. Сочиво са дугом жижном даљином даје већу жижну тачку и већу жижну дубину. У поређењу са сочивима са кратком жижном даљином, сочива са дугом жижном даљином могу да обезбеде фокусирани сноп са густином ласерске енергије довољном за обраду материјала у близини жижне тачке. Стога се сочива са кратком жижном даљином углавном користе за прецизно сечење танких плоча, док су сочива са дугом жижном даљином потребна за дебље материјале како би се добила одговарајућа жижна дубина, обезбеђујући минималне варијације у пречнику тачке и довољну густину снаге унутар опсега дебљине резања.

Фокусирајућа сочива се користе за фокусирање паралелног ласерског снопа који пада на горионик за сечење, постижући мању величину тачке и већу густину снаге. Сочива су направљена од материјала који могу да преносе таласну дужину ласера. Оптичко стакло се обично користи за чврсте ласере, док се материјали попут ZnSe, GaAs и Ge усвајају за CO₂ гасне ласере (пошто обично стакло није провидно за CO₂ ласерске зраке), међу којима је ZnSe најчешће коришћен.

За ласерско сечење, минимизирање пречника жижне тачке је пожељно како би се повећала густина снаге и омогућило сечење великом брзином. Међутим, краћа жижна даљина сочива резултира мањом жижном дубином, што отежава постизање нормалне површине реза при сечењу дебелих плоча. Поред тога, краћа жижна даљина смањује растојање између сочива и радног предмета, повећавајући ризик од контаминације сочива растопљеним прскањем током сечења и утичући на нормалан рад. Стога, одговарајућу жижну даљину треба свеобухватно одредити на основу фактора као што су дебљина резања и захтеви за квалитет резања.

2.2.2 Рефлектујуће огледало

Функција рефлектујућег огледала је да промени смер снопа који емитује ласер. За снопове чврстих ласера могу се користити рефлектујућа огледала направљена од оптичког стакла. Насупрот томе, рефлектујућа огледала у уређајима за сечење ласером CO₂ гасом обично су направљена од бакра или метала са високом рефлективношћу. Да би се спречила оштећења изазвана прегревањем од ласерског зрачења током рада, рефлектујућа огледала се обично хладе водом.

2.2.3 Млазница

Млазница се користи за прскање помоћног гаса у зону сечења, а њена структура има одређени утицај на ефикасност и квалитет сечења. Слика 4.11 приказује уобичајене облике млазница за ласерско сечење; облици отвора млазнице укључују цилиндричне, конусне и конвергентно-дивергентне типове.

Избор млазнице се генерално одређује тестовима на основу материјала и дебљине радног предмета, као и притиска помоћног гаса. Ласерско сечење обично користи коаксијалне млазнице (где је проток гаса коаксијалан са оптичком осом). Ако проток гаса и ласерски сноп нису коаксијални, вероватно је да ће током сечења доћи до прекомерног прскања. Унутрашњи зид отвора млазнице треба да буде глатак како би се обезбедио несметан проток гаса и избегла турбуленција која може утицати на квалитет реза. Да би се осигурала стабилност сечења, растојање између крајње површине млазнице и површине радног предмета треба да буде минимизирано, обично у распону од 0,5 мм до 2,0 мм. Пречник отвора млазнице мора омогућити ласерском снопу да глатко пролази, спречавајући да сноп додирне унутрашњи зид отвора. Што је пречник отвора мањи, теже је колимирати сноп. За дати притисак помоћног гаса постоји оптималан опсег пречника отвора млазнице. Претерано мали или велики отвор ће ометати уклањање растопљених производа из реза и утицати на брзину сечења.

Утицај пречника отвора млазнице на брзину резања при фиксној снази ласера и притиску помоћног гаса приказан је на сликама 4.12 и 4.13. Може се видети да постоји оптималан пречник отвора млазнице који постиже максималну брзину резања. Ова оптимална вредност је приближно 1,5 мм без обзира да ли се као помоћни гас користи кисеоник или аргон.

Тестови ласерског сечења тврдих легура (које је тешко сећи) показују да је оптимални пречник отвора млазнице веома близак горе наведеним резултатима, као што је илустровано на слици 4.14. Пречник отвора млазнице такође утиче на ширину реза и ширину зоне утицаја топлоте (ЗУТ). Као што је приказано на слици 4.15, са повећањем пречника отвора млазнице, ширина реза се повећава, док се ширина ЗУТ сужава. Главни разлог за сужавање ЗУТ је побољшани ефекат хлађења помоћног протока гаса на основни материјал у зони резања.

2.3 Параметри опреме за ласерско сечење

2.3.1 Опрема за сечење са гориоником

Код опреме за сечење са погоном горионика, горионик је монтиран на покретни портал и креће се хоризонтално дуж порталне греде (Y-оса). Портал покреће горионик да се креће дуж X-осе, док је радни предмет фиксиран на радном столу. Пошто су ласер и горионик за сечење распоређени одвојено, карактеристике преноса ласера, паралелизам дуж правца скенирања зрака и стабилност рефлектујућих огледала су све погођене током процеса сечења.

Опрема за сечење са гориоником може да обрађује велике радне комаде. Заузима релативно малу површину пода за производну зону сечења и може се лако интегрисати са другом опремом како би се формирала производна линија. Међутим, њена тачност позиционирања је само ±0,04 мм.

Типична структура опреме за сечење покретане гориоником приказана је на слици 4.19. Усвојена је машина за сечење континуалним CO₂ ласером, са растојањем од ласера до горионика за сечење од 18 м. Да би се осигурало да промена пречника снопа преко ове удаљености преноса не омета операције сечења, комбинација осцилаторних огледала мора бити пажљиво пројектована.

Главни технички параметри опреме за сечење са гориоником су следећи:

Излазна снага ласера: 1,5 kW (једномодни), 3 kW (вишемодни)
Ход горионика: X-оса 6,2 м, Y-оса 2,6 м
Брзина вожње: 0–10 м/мин (подесиво)
Плутајући ход горионика по Z-оси: 150 mm
Брзина подешавања Z-осе горионика: 300 мм/мин
Максимална величина обрађене челичне плоче: 12 мм × 2400 мм × 6000 мм
Систем управљања: Интегрисани режим НЦ управљања

2.3.2 Опрема за сечење са XY столним погоном

Код опреме за сечење са XY столом, горионик за сечење је фиксиран на раму, а радни предмет се поставља на сто за сечење. Сто за сечење се креће дуж X и Y оса према NC командама, са подесивом брзином кретања која се обично креће од 0–1 м/мин или 0–5 м/мин. Пошто горионик за сечење остаје непокретан у односу на радни предмет, минимизира се утицај на поравнање и центрирање ласерског зрака током процеса сечења, обезбеђујући равномерне и стабилне перформансе сечења. Када је опремљена малим столом за сечење са високом механичком прецизношћу, машина постиже тачност позиционирања од ±0,01 мм иодлична прецизност сечења, што га чини посебно погодним за прецизно сечење малих компоненти. Поред тога, за обраду великих комада доступни су већи столови за сечење са ходом X-осе од 2300–2400 мм и ходом Y-осе од 1200–1300 мм.

Главни технички параметри опреме за сечење са XY столним погоном су следећи:

Извор ласера: CO₂ гасни ласер (полузатворени тип равне цеви)
Напајање ласера: Улазни напон 200 VAC; Излазни напон 0–30 kV; Максимална излазна струја 100 mA
Излазна снага ласера: 550 W
Ход стола за сечење: X-оса 2300 мм, Y-оса 1300 мм
Брзина кретања стола за сечење (постепено подесива): 0,4–5,0 м/мин, 0,2–2,5 м/мин, 0,1–1,3 м/мин, 0,05–0,6 м/мин
Плутајући ход горионика по Z-оси: 180 mm
Максимална величина обрађене плоче: 6 мм × 1300 мм × 2300 мм
Систем управљања: Режим нумеричког управљања (NC)

2.3.3 Опрема за сечење са двоструким погоном (пламеник и сто)

Опрема за сечење са двоструким погоном (пламеник и сто) по дизајну се налази између машина за сечење са погоном пламеника и машина за сечење са погоном XY стола. Пламеник је монтиран на портал и креће се хоризонтално дуж греде портала (Y-оса), док се сто за сечење покреће уздужно. Овај хибридни дизајн комбинује предности високе прецизности сечења и ефикасности уштеде простора. Са тачношћу позиционирања од ±0,01 мм и подесивим опсегом брзине сечења од 0–20 м/мин, једна је од најшире коришћених машина за сечење на тржишту. Већи модели ове машине нуде ход Y-осе од 2000 мм и ход X-осе од 6000 мм, што омогућава сечење великих радних предмета.

Ласерски осцилатор је монтиран на порталу поред горионика за сечење. Ова конфигурација пружа изузетну прецизност при сечењу кружних рупа. Машина се такође може похвалити високом ефикасношћу производње: може да исече 46 кружних рупа (пречника 10 мм) у минути на челичној плочи дебљине 1 мм.

2.3.4 Интегрисана опрема за сечење

Уинтегрисана машина за сечење, ласерски извор је инсталиран на раму и креће се уздужно са њим, док је горионик интегрисан са својим погонским механизмом за хоризонтално кретање дуж греде рама. Машина користи нумеричку контролу за сечење различитих обликованих компоненти. Да би се компензовала варијација дужине оптичке путање узрокована хоризонталним кретањем горионика, обично је опремљен модул за подешавање дужине оптичке путање. Овај модул обезбеђује хомогени ласерски зрак унутар подручја сечења и одржава конзистентан квалитет површине сечења.

Време објаве: 17. децембар 2025.