Osnove laserskega rezanja in njegov obdelovalni sistem —Oprema za lasersko rezanje

II. Sestava opreme za lasersko rezanje

2.1 Komponente in princip delovanja laserskega rezalnega stroja

Stroj za lasersko rezanje je sestavljen iz laserskega oddajnika, rezalne glave, sklopa za prenos žarka, delovne mize obdelovalnega stroja, sistema numeričnega krmiljenja (NC), računalnika (strojne in programske opreme), hladilnika, jeklenke z zaščitnim plinom, zbiralnika prahu in sušilnika zraka.

Laserski generator

Laserski generator je naprava, ki proizvaja laserske svetlobne vire. Za lasersko rezanje večina strojev uporablja CO₂ plinske laserje, ki imajo visoko učinkovitost elektrooptične pretvorbe in visoko izhodno moč, razen v nekaj primerih, ko se uporabljajo YAG trdno-tesni laserji. Vsi laserji niso primerni za rezanje, saj lasersko rezanje nalaga stroge zahteve glede kakovosti žarka.
Rezalna glava

V glavnem je sestavljen iz komponent, kot so šoba, fokusna leča in sistem za sledenje ostrenju.

Pogon rezalne glave se uporablja za pogon rezalne glave, da se premika vzdolž osi Z v skladu z vnaprej določenimi programi. Sestavljen je iz servo motorja in prenosnih delov, kot so vodilni vijaki ali zobniki.

(1) Šoba: Obstajajo tri glavne vrste šob: vzporedne, konvergentne in stožčaste.

(2) Fokusirna leča: Za rezanje z energijo laserskega žarka je treba prvotni žarek, ki ga oddaja laser, fokusirati skozi lečo, da se tvori svetlobna točka z visoko gostoto energije. Leče s srednjo in dolgo goriščno razdaljo so primerne za rezanje debelih plošč in imajo nižje zahteve glede stabilnosti razmika sledilnega sistema. Leče s kratko goriščno razdaljo so primerne le za rezanje tankih plošč pod 3 mm; imajo stroge zahteve glede stabilnosti razmika sledilnega sistema, vendar lahko znatno zmanjšajo potrebno izhodno moč laserja.

(3) Sistem sledenja: Sistem sledenja ostrenja laserskega rezalnega stroja je običajno sestavljen iz rezalne glave za fokusiranje in sistema sledilnih senzorjev. Rezalna glava združuje funkcije vodenja in fokusiranja žarka, vodnega hlajenja, vpihovanja plina in mehanskega nastavljanja.

Senzor je sestavljen iz zaznavnih elementov in ojačevalne krmilne enote. Sledilni sistemi se zelo razlikujejo glede na vrsto zaznavnih elementov. Na voljo sta dve glavni vrsti: eden je kapacitivni senzorski sistem sledenja, znan tudi kot brezkontaktni sistem sledenja; drugi je induktivni senzorski sistem sledenja, imenovan tudi kontaktni sistem sledenja.
Sklop za prenos žarka

Zunanja optična pot: Za vodenje laserskega žarka v želeno smer se uporabljajo odsevna ogledala. Da bi preprečili okvare na poti žarka, so vsa odsevna ogledala zaščitena z ščiti, vanje pa se dovaja čist zaščitni plin s pozitivnim tlakom, ki preprečuje onesnaženje ogledal. Visokozmogljiva leča lahko nedivergentni žarek fokusira v neskončno majhno točko. Običajno se uporablja leča z goriščno razdaljo 5,0 palca, medtem ko je 7,5-palčna leča uporabna le za rezanje materialov, debelejših od 12 mm.
Delovna miza za strojno orodje

Glavno ohišje stroja: Oddelek strojnega orodjastroj za lasersko rezanjeje mehanski del, ki uresničuje gibanje osi X, Y in Z, vključno z rezalno delovno ploščadjo.
Numerični krmilni sistem

NC sistem krmili obdelovalni stroj za doseganje gibov po oseh X, Y in Z ter hkrati uravnava izhodno moč laserja.
Hladilni sistem

Hladilna enota: Uporablja se za hlajenje laserskega generatorja. Laser je naprava, ki pretvarja električno energijo v svetlobno energijo. Na primer, učinkovitost pretvorbe CO₂ plinskega laserja je običajno 20 %, preostala energija pa se pretvori v toploto. Hladilna voda odvaja odvečno toploto, da se ohrani normalno delovanje laserskega generatorja. Hladilna enota hladi tudi zunanja optična zrcala in fokusne leče obdelovalnega stroja, kar zagotavlja stabilno kakovost prenosa žarka in učinkovito preprečuje deformacijo ali razpoke leč zaradi pregrevanja.
Plinske jeklenke

Plinske jeklenke vključujejo jeklenke z delovnim medijem in pomožne plinske jeklenke za laserski rezalni stroj, ki se uporabljajo za dopolnjevanje industrijskih plinov za lasersko nihanje in dovajanje pomožnih plinov za rezalno glavo.
Sistem za odstranjevanje prahu

Odstranjuje dim in prah, ki nastaneta med predelavo, ter izvaja filtracijsko obdelavo, da zagotovi, da emisije izpušnih plinov ustrezajo okoljskim standardom.
Sušilnik in filter za hlajenje zraka

Dovaja čist, suh zrak laserskemu generatorju in poti žarka, s čimer ohranja normalno delovanje poti žarka in odsevnih ogledal.

2.2 Rezalni gorilnik za lasersko rezanje

Strukturni diagram rezalnega gorilnika za lasersko rezanje je prikazan spodaj. Sestavljen je predvsem iz telesa gorilnika, fokusirne leče, odsevnega zrcala in pomožne plinske šobe. Med laserskim rezanjem mora rezalni gorilnik izpolnjevati naslednje zahteve:

① Gorilnik lahko izbrizga zadosten pretok plina.

② Smer izmeta plina znotraj gorilnika mora biti soosna z optično osjo odsevnega zrcala.

③ Goriščno razdaljo svetilke je mogoče enostavno nastaviti.

④ Med rezanjem kovinski hlapi in brizgi rezane kovine ne smejo poškodovati odsevnega zrcala.

Gibanje rezalnega gorilnika se prilagaja s sistemom NC za gibanje. Obstajajo trije scenariji za relativno gibanje med rezalnim gorilnikom in obdelovancem:

① Gorilnik ostane mirujoč, medtem ko se obdelovanec premika po delovni mizi – primerno predvsem za manjše obdelovance.

② Obdelovanec ostane mirujoč, medtem ko se gorilnik premika.

③ Gorilnik in delovna miza se premikata hkrati.

2.2.1 Rezalna glava

Laserska rezalna glava se nahaja na koncu sistema za prenos žarka in je sestavljena iz fokusne leče in rezalne šobe.

Fokusne leče so v glavnem razvrščene glede na goriščno razdaljo. Večina opreme za lasersko rezanje je opremljena z več rezalnimi glavami z različnimi goriščnimi razdaljami. Če vzamemo za primer rezanje s CO₂ laserjem, sta običajni goriščni razdalji 127 mm (5 palcev) in 190 mm (7,5 palcev). Leča s kratko goriščno razdaljo ustvari majhno goriščno točko in kratko goriščno globino, kar prispeva k zmanjšanju širine reza in doseganju natančnejših rezov. Leča z dolgo goriščno razdaljo zagotavlja večjo goriščno točko in daljšo goriščno globino. V primerjavi z lečami s kratko goriščno razdaljo lahko leče z dolgo goriščno razdaljo zagotovijo fokusiran žarek z gostoto laserske energije, ki zadostuje za obdelavo materiala v bližini goriščne točke. Zato se leče s kratko goriščno razdaljo večinoma uporabljajo za natančno rezanje tankih plošč, medtem ko so leče z dolgo goriščno razdaljo potrebne za debelejše materiale, da se doseže ustrezna goriščna globina, kar zagotavlja minimalno odstopanje premera točke in zadostno gostoto moči znotraj območja debeline reza.

Fokusne leče se uporabljajo za fokusiranje vzporednega laserskega žarka, ki pada v rezalni gorilnik, s čimer se doseže manjša velikost pike in večja gostota moči. Leče so izdelane iz materialov, ki lahko prepuščajo lasersko valovno dolžino. Optično steklo se običajno uporablja za trdne laserje, medtem ko se materiali, kot so ZnSe, GaAs in Ge, uporabljajo za plinske laserje CO₂ (ker navadno steklo ni prozorno za laserske žarke CO₂), med katerimi je ZnSe najpogosteje uporabljen.

Pri laserskem rezanju je zaželeno zmanjšanje premera goriščne točke, da se poveča gostota moči in omogoči rezanje z visoko hitrostjo. Vendar pa krajša goriščna razdalja leče povzroči manjšo goriščno globino, zaradi česar je težko doseči pravokotno površino reza pri rezanju debelih plošč. Poleg tega krajša goriščna razdalja zmanjša razdaljo med lečo in obdelovancem, kar poveča tveganje, da se leča med rezanjem kontaminira s brizganjem staljene tekočine in vpliva na normalno delovanje. Zato je treba ustrezno goriščno razdaljo določiti celovito na podlagi dejavnikov, kot so debelina reza in zahteve glede kakovosti rezanja.

2.2.2 Odsevno ogledalo

Funkcija odsevnega ogledala je spreminjanje smeri laserskega žarka. Za žarke trdnotenskih laserjev se lahko uporabijo odsevna ogledala iz optičnega stekla. Nasprotno pa so odsevna ogledala v napravah za lasersko rezanje s CO₂ plinom običajno izdelana iz bakra ali kovin z visoko odbojnostjo. Da bi preprečili poškodbe zaradi pregrevanja zaradi laserskega obsevanja med delovanjem, se odsevna ogledala običajno hladijo z vodo.

2.2.3 Šoba

Šoba se uporablja za vbrizgavanje pomožnega plina v območje rezanja, njena struktura pa ima določen vpliv na učinkovitost in kakovost rezanja. Slika 4.11 prikazuje običajne oblike šob za lasersko rezanje; oblike odprtin šobe vključujejo valjaste, stožčaste in konvergentno-divergentne tipe.

Izbira šobe se običajno določi s preizkusi glede na material in debelino obdelovanca ter tlak pomožnega plina. Pri laserskem rezanju se običajno uporabljajo koaksialne šobe (kjer je pretok plina koaksialni z optično osjo). Če pretok plina in laserski žarek nista koaksialna, lahko med rezanjem pride do prekomernega brizganja. Notranja stena odprtine šobe mora biti gladka, da se zagotovi neoviran pretok plina in prepreči turbulenca, ki lahko vpliva na kakovost reza. Za zagotovitev stabilnosti rezanja je treba razdaljo med čelno ploskvijo šobe in površino obdelovanca čim bolj zmanjšati, običajno med 0,5 mm in 2,0 mm. Premer odprtine šobe mora omogočati nemoten prehod laserskega žarka, pri čemer se prepreči stik žarka z notranjo steno odprtine. Manjši kot je premer odprtine, težje je usmerjati žarek. Za dani tlak pomožnega plina obstaja optimalno območje premerov odprtin šobe. Pretirano majhna ali pretirano velika odprtina bo ovirala odstranjevanje staljenih izdelkov iz reza in vplivala na hitrost rezanja.

Vpliv premera odprtine šobe na hitrost rezanja pri fiksni moči laserja in tlaku pomožnega plina je prikazan na slikah 4.12 in 4.13. Vidimo lahko, da obstaja optimalen premer odprtine šobe, ki doseže največjo hitrost rezanja. Ta optimalna vrednost je približno 1,5 mm, ne glede na to, ali se kot pomožni plin uporablja kisik ali argon.

Preskusi laserskega rezanja trdih zlitin (ki jih je težko rezati) kažejo, da je optimalni premer odprtine šobe zelo blizu zgornjim rezultatom, kot je prikazano na sliki 4.14. Premer odprtine šobe vpliva tudi na širino reza in širino območja toplotnega vpliva (HAZ). Kot je prikazano na sliki 4.15, se z naraščanjem premera odprtine šobe širina reza povečuje, medtem ko se širina HAZ zožuje. Glavni razlog za zoženje HAZ je povečan hladilni učinek pomožnega plinskega toka na osnovni material v območju rezanja.

2.3 Parametri opreme za lasersko rezanje

2.3.1 Rezalna oprema z gorilnikom

Pri rezalni opremi, ki jo poganja gorilnik, je rezalni gorilnik nameščen na premičnem portalu in se premika vodoravno vzdolž portalnega nosilca (os Y). Portal poganja gorilnik, da se premika vzdolž osi X, medtem ko je obdelovanec pritrjen na delovno mizo. Ker sta laser in rezalni gorilnik nameščena ločeno, so med postopkom rezanja prizadete značilnosti laserskega prenosa, vzporednost vzdolž smeri skeniranja žarka in stabilnost odsevnih ogledal.

Rezalna oprema z gorilnikom lahko obdeluje velike obdelovance. Zaseda relativno majhno površino za rezalno proizvodno cono in jo je mogoče enostavno integrirati z drugo opremo v proizvodno linijo. Vendar pa je njena natančnost pozicioniranja le ±0,04 mm.

Tipična struktura rezalne opreme z gorilnikom je prikazana na sliki 4.19. Uporabljen je stroj za rezanje z neprekinjenim CO₂ laserjem, pri čemer je razdalja med laserjem in rezalnim gorilnikom 18 m. Da sprememba premera žarka na tej prenosni razdalji ne bi motila rezalnih operacij, je treba kombinacijo oscilatornih zrcal skrbno zasnovati.

Glavni tehnični parametri rezalne opreme z gorilnikom so naslednji:

Izhodna moč laserja: 1,5 kW (enomodni), 3 kW (večmodni)
Hod gorilnika: os X 6,2 m, os Y 2,6 m
Hitrost vožnje: 0–10 m/min (nastavljiva)
Plavajoči hod gorilnika po osi Z: 150 mm
Hitrost nastavitve osi Z gorilnika: 300 mm/min
Največja velikost obdelane jeklene plošče: 12 mm × 2400 mm × 6000 mm
Krmilni sistem: Integriran NC krmilni način

2.3.2 XY rezalna oprema z miznim pogonom

Pri rezalni opremi z mizo XY je rezalni gorilnik pritrjen na okvir, obdelovanec pa je nameščen na rezalni mizi. Rezalna miza se premika vzdolž osi X in Y v skladu z NC ukazi, z nastavljivo hitrostjo vožnje, ki se običajno giblje od 0 do 1 m/min ali od 0 do 5 m/min. Ker rezalni gorilnik ostane mirujoč glede na obdelovanec, se zmanjša vpliv na poravnavo in centriranje laserskega žarka med postopkom rezanja, kar zagotavlja enakomerno in stabilno rezanje. Ko je stroj opremljen z majhno rezalno mizo z visoko mehansko natančnostjo, doseže natančnost pozicioniranja ±0,01 mm inodlična natančnost rezanja, zaradi česar je še posebej primeren za natančno rezanje majhnih komponent. Poleg tega so za obdelavo velikih obdelovancev na voljo večje rezalne mize z hodom osi X 2300–2400 mm in hodom osi Y 1200–1300 mm.

Glavni tehnični parametri rezalne opreme z XY miznim pogonom so naslednji:

Vir laserja: plinski CO₂ laser (polzaprt tip z ravno cevjo)
Napajanje laserja: vhodna napetost 200 VAC; izhodna napetost 0–30 kV; največji izhodni tok 100 mA
Izhodna moč laserja: 550 W
Hod rezalne mize: os X 2300 mm, os Y 1300 mm
Hitrost rezalne mize (stopenjsko nastavljiva): 0,4–5,0 m/min, 0,2–2,5 m/min, 0,1–1,3 m/min, 0,05–0,6 m/min
Plavajoči hod gorilnika po osi Z: 180 mm
Največja velikost obdelane plošče: 6 mm × 1300 mm × 2300 mm
Krmilni sistem: numerični krmiljeni (NC) način

2.3.3 Dvojno gnana rezalna oprema (gorilnik in miza)

Dvojno gnana rezalna oprema (gorilnik in miza) se po zasnovi uvršča med rezalne stroje z gorilnikom in rezalne stroje z XY mizo. Rezalnik je nameščen na portalu in se premika vodoravno vzdolž portalnega nosilca (os Y), medtem ko je rezalna miza gnana vzdolžno. Ta hibridna zasnova združuje prednosti visoke natančnosti rezanja in učinkovitosti prihranka prostora. Z natančnostjo pozicioniranja ±0,01 mm in nastavljivim območjem hitrosti rezanja od 0 do 20 m/min je eden najbolj razširjenih rezalnih strojev na trgu. Večji modeli tega stroja ponujajo hod osi Y 2000 mm in hod osi X 6000 mm, kar omogoča rezanje velikih obdelovancev.

Laserski oscilator je nameščen na portalu poleg rezalnega gorilnika. Ta konfiguracija zagotavlja izjemno natančnost pri rezanju okroglih lukenj. Stroj se ponaša tudi z visoko proizvodno učinkovitostjo: na 1 mm debelo jekleno ploščo lahko izreže 46 okroglih lukenj (premera 10 mm) na minuto.

2.3.4 Integrirana oprema za rezanje

Vintegrirani rezalni strojLaserski vir je nameščen na okvirju in se vzdolžno premika skupaj z njim, medtem ko je rezalni gorilnik integriran s svojim pogonskim mehanizmom za vodoravno premikanje vzdolž nosilca okvirja. Stroj uporablja numerično krmiljenje za rezanje različnih oblikovanih komponent. Za kompenzacijo spremembe dolžine optične poti, ki jo povzroča vodoravno premikanje rezalnega gorilnika, je običajno opremljen z modulom za nastavitev dolžine optične poti. Ta modul zagotavlja homogen laserski žarek znotraj območja rezanja in ohranja dosledno kakovost rezalne površine.

Čas objave: 17. dec. 2025

Osnove laserskega rezanja in njegov procesni sistem — Oprema za lasersko rezanje