Podstawy cięcia laserowego i jego system przetwarzania —Sprzęt do cięcia laserowego

II. Skład sprzętu do cięcia laserowego

2.1 Elementy i zasada działania maszyny do cięcia laserowego

Maszyna do cięcia laserowego składa się z emitera lasera, głowicy tnącej, zespołu przekładni wiązki, stołu roboczego obrabiarki, systemu sterowania numerycznego (NC), komputera (sprzęt i oprogramowanie), chłodziarki, butli z gazem osłonowym, odpylacza i osuszacza powietrza.

Generator laserowy

Generator laserowy to urządzenie wytwarzające źródła światła laserowego. Do cięcia laserowego większość maszyn wykorzystuje lasery gazowe CO₂, które charakteryzują się wysoką wydajnością konwersji elektrooptycznej i wysoką mocą wyjściową, z wyjątkiem kilku przypadków, w których stosuje się lasery półprzewodnikowe YAG. Nie wszystkie lasery nadają się do cięcia, ponieważ cięcie laserowe nakłada rygorystyczne wymagania dotyczące jakości wiązki.
Głowica tnąca

Składa się głównie z takich elementów jak dysza, soczewka skupiająca i układ śledzenia ostrości.

Napęd głowicy tnącej służy do napędzania głowicy tnącej, aby poruszała się wzdłuż osi Z zgodnie z zaprogramowanymi programami. Składa się on z serwosilnika i elementów przekładni, takich jak śruby pociągowe lub koła zębate.

(1) Dysza: Istnieją trzy główne typy dysz: równoległe, zbieżne i stożkowe.

(2) Soczewka skupiająca: Aby wykonać cięcie z wykorzystaniem energii wiązki laserowej, pierwotna wiązka emitowana przez laser musi zostać skupiona przez soczewkę, tworząc plamkę świetlną o dużej gęstości energii. Soczewki o średniej i długiej ogniskowej nadają się do cięcia grubych płyt i mają niższe wymagania dotyczące stabilności odstępu układu śledzenia. Soczewki o krótkiej ogniskowej nadają się jedynie do cięcia cienkich płyt o grubości poniżej 3 mm; mają one surowe wymagania dotyczące stabilności odstępu układu śledzenia, ale mogą znacznie zmniejszyć wymaganą moc wyjściową lasera.

(3) Układ śledzenia: Układ śledzenia ostrości laserowej maszyny tnącej składa się zazwyczaj z głowicy tnącej z funkcją ogniskowania oraz układu czujników śledzących. Głowica tnąca integruje funkcje prowadzenia wiązki i ogniskowania, chłodzenia wodnego, nadmuchu gazu oraz regulacji mechanicznej.

Czujnik składa się z elementów czujnikowych i jednostki sterującej wzmocnieniem. Systemy śledzenia różnią się w zależności od rodzaju elementów czujnikowych. Dostępne są dwa główne typy: pojemnościowy system śledzenia czujników, znany również jako bezkontaktowy system śledzenia; drugi to indukcyjny system śledzenia czujników, znany również jako kontaktowy system śledzenia.
Zespół przekładni belki

Zewnętrzna ścieżka optyczna: Lustra odbiciowe służą do kierowania wiązki laserowej w pożądanym kierunku. Aby zapobiec awariom na ścieżce wiązki, wszystkie lustra odbiciowe są chronione osłonami, a w celu ochrony przed zanieczyszczeniami wprowadzany jest czysty gaz osłonowy pod ciśnieniem dodatnim. Soczewka o wysokiej wydajności może skupić wiązkę nierozbieżną w nieskończenie małym obszarze. Powszechnie stosuje się soczewki o ogniskowej 5,0 cala, natomiast soczewki 7,5 cala nadają się wyłącznie do cięcia materiałów o grubości powyżej 12 mm.
Stół roboczy obrabiarki

Główny korpus maszyny: Sekcja obrabiarkimaszyna do cięcia laserowegojest częścią mechaniczną, która realizuje ruch osi X, Y i Z, łącznie z platformą roboczą do cięcia.
System sterowania numerycznego

System NC steruje obrabiarką w celu wykonania ruchów w osiach X, Y, Z i jednocześnie reguluje moc wyjściową lasera.
Układ chłodzenia

Jednostka chłodząca: Służy do chłodzenia generatora laserowego. Laser to urządzenie, które zamienia energię elektryczną na energię świetlną. Na przykład, sprawność konwersji lasera gazowego CO₂ wynosi zazwyczaj 20%, a pozostała energia jest przekształcana w ciepło. Woda chłodząca usuwa nadmiar ciepła, zapewniając prawidłową pracę generatora laserowego. Jednostka chłodząca chłodzi również zewnętrzne lustra toru optycznego i soczewki ogniskujące obrabiarki, zapewniając stabilną jakość transmisji wiązki i skutecznie zapobiegając deformacji lub pękaniu soczewek w wyniku przegrzania.
Butle gazowe

Butle gazowe obejmują butle z czynnikiem roboczym i butle z gazem pomocniczym do maszyny do cięcia laserowego. Stosuje się je w celu uzupełnienia gazów przemysłowych do oscylacji laserowej i dostarczenia gazów pomocniczych do głowicy tnącej.
System usuwania pyłu

Zajmuje się usuwaniem dymu i pyłu powstających w procesie przetwarzania oraz przeprowadza oczyszczanie filtracyjne, aby zapewnić, że emisja gazów spalinowych spełnia normy ochrony środowiska.
Osuszacz i filtr powietrza chłodzącego

Dostarcza czyste, suche powietrze do generatora laserowego i ścieżki wiązki, zapewniając prawidłowe działanie ścieżki wiązki i luster odblaskowych.

2.2 Palnik tnący do cięcia laserowego

Poniżej przedstawiono schemat konstrukcyjny palnika do cięcia laserowego. Składa się on głównie z korpusu palnika, soczewki skupiającej, zwierciadła odblaskowego i dodatkowej dyszy gazowej. Podczas cięcia laserowego palnik musi spełniać następujące wymagania:

① Palnik może wydmuchać odpowiedni strumień gazu.

② Kierunek wyrzutu gazu wewnątrz palnika musi być współosiowy z osią optyczną lustra odblaskowego.

③ Ogniskową latarki można łatwo regulować.

④ W trakcie cięcia opary metalu i odpryski powstające podczas cięcia nie mogą uszkodzić lustra odblaskowego.

Ruch palnika tnącego jest regulowany przez układ sterowania numerycznego (NC). Istnieją trzy scenariusze ruchu względnego między palnikiem tnącym a przedmiotem obrabianym:

① Palnik pozostaje nieruchomy, podczas gdy obrabiany element przesuwa się po stole roboczym — rozwiązanie to sprawdza się głównie w przypadku małych elementów obrabianych.

② Podczas ruchu palnika obrabiany przedmiot pozostaje nieruchomy.

③ Palnik i stół roboczy poruszają się jednocześnie.

2.2.1 Głowica tnąca

Głowica tnąca laserowo umieszczona jest na końcu układu transmisji wiązki, składającego się z soczewki skupiającej i dyszy tnącej.

Soczewki skupiające są klasyfikowane głównie według ogniskowej. Większość urządzeń do cięcia laserowego jest wyposażona w kilka głowic tnących o różnych ogniskowych. Biorąc za przykład cięcie laserem CO₂, typowe ogniskowe to 127 mm (5 cali) i 190 mm (7,5 cala). Soczewka o krótkiej ogniskowej zapewnia małą ogniskową i krótką głębokość ogniskową, co sprzyja zmniejszeniu szerokości szczeliny i uzyskaniu drobniejszych cięć. Soczewka o długiej ogniskowej zapewnia większą ogniskową i dłuższą głębokość ogniskową. W porównaniu z soczewkami o krótkiej ogniskowej, soczewki o długiej ogniskowej mogą zapewnić skupioną wiązkę o gęstości energii lasera wystarczającej do obróbki materiału w pobliżu ogniska. Dlatego soczewki o krótkiej ogniskowej są najczęściej używane do precyzyjnego cięcia cienkich blach, podczas gdy soczewki o długiej ogniskowej są wymagane do grubszych materiałów, aby uzyskać odpowiednią głębokość ogniskową, zapewniając minimalne wahania średnicy plamki i wystarczającą gęstość mocy w zakresie grubości cięcia.

Soczewki skupiające służą do skupiania równoległej wiązki laserowej padającej na palnik tnący, co pozwala uzyskać mniejszy rozmiar plamki i większą gęstość mocy. Soczewki wykonane są z materiałów, które mogą przenosić długość fali lasera. Szkło optyczne jest powszechnie stosowane w laserach na ciele stałym, natomiast materiały takie jak ZnSe, GaAs i Ge są stosowane w laserach gazowych CO₂ (ponieważ zwykłe szkło nie jest przezroczyste dla wiązek lasera CO₂), spośród których ZnSe jest najczęściej stosowany.

W przypadku cięcia laserowego minimalizacja średnicy ogniska jest pożądana, aby zwiększyć gęstość mocy i umożliwić szybkie cięcie. Jednak krótsza ogniskowa soczewki skutkuje mniejszą głębokością ogniskowania, co utrudnia uzyskanie prostopadłej powierzchni cięcia podczas cięcia grubych blach. Ponadto, krótsza ogniskowa zmniejsza odległość między soczewką a obrabianym przedmiotem, zwiększając ryzyko zanieczyszczenia soczewki rozpryskami stopionego metalu podczas cięcia i zakłócając normalną pracę. Dlatego odpowiednią ogniskową należy dobrać kompleksowo, biorąc pod uwagę takie czynniki, jak grubość cięcia i wymagania jakościowe.

2.2.2 Lustro odblaskowe

Funkcją zwierciadła odblaskowego jest zmiana kierunku wiązki emitowanej przez laser. W przypadku wiązek laserów na ciele stałym można stosować zwierciadła odblaskowe wykonane ze szkła optycznego. Natomiast zwierciadła odblaskowe w urządzeniach do cięcia laserem gazowym CO₂ są zazwyczaj wykonane z miedzi lub metali o wysokim współczynniku odbicia. Aby zapobiec uszkodzeniom spowodowanym przegrzaniem spowodowanym promieniowaniem laserowym podczas pracy, zwierciadła odblaskowe są zazwyczaj chłodzone wodą.

2.2.3 Dysza

Dysza służy do rozpylania gazu pomocniczego w strefie cięcia, a jej konstrukcja ma pewien wpływ na wydajność i jakość cięcia. Rysunek 4.11 przedstawia typowe kształty dysz do cięcia laserowego; kształty otworów dysz obejmują cylindryczne, stożkowe i zbieżno-rozbieżne.

Wybór dyszy jest zazwyczaj ustalany poprzez testy oparte na materiale i grubości przedmiotu obrabianego oraz ciśnieniu gazu pomocniczego. Cięcie laserowe zazwyczaj wykorzystuje dysze współosiowe (gdzie przepływ gazu jest współosiowy z osią optyczną). Jeśli przepływ gazu i wiązka laserowa nie są współosiowe, podczas cięcia prawdopodobnie wystąpi nadmierne rozpryskiwanie. Wewnętrzna ścianka otworu dyszy powinna być gładka, aby zapewnić niezakłócony przepływ gazu i uniknąć turbulencji, które mogą wpływać na jakość szczeliny. Aby zapewnić stabilność cięcia, odległość między powierzchnią czołową dyszy a powierzchnią przedmiotu obrabianego powinna być zminimalizowana, zwykle w zakresie od 0,5 mm do 2,0 mm. Średnica otworu dyszy musi umożliwiać płynne przejście wiązki laserowej, zapobiegając jej dotykaniu wewnętrznej ścianki otworu. Im mniejsza średnica otworu, tym trudniej jest kolimować wiązkę. Dla danego ciśnienia gazu pomocniczego istnieje optymalny zakres średnic otworów dyszy. Zbyt mały lub zbyt duży otwór utrudni usuwanie stopionych produktów ze szczeliny i wpłynie na prędkość cięcia.

Wpływ średnicy otworu dyszy na prędkość cięcia przy stałej mocy lasera i ciśnieniu gazu pomocniczego przedstawiono na rysunkach 4.12 i 4.13. Widać, że istnieje optymalna średnica otworu dyszy, która zapewnia maksymalną prędkość cięcia. Ta optymalna wartość wynosi około 1,5 mm, niezależnie od tego, czy gazem pomocniczym jest tlen, czy argon.

Testy cięcia laserowego twardych stopów (trudnych w obróbce) pokazują, że optymalna średnica otworu dyszy jest bardzo zbliżona do powyższych wyników, co ilustruje rysunek 4.14. Średnica otworu dyszy wpływa również na szerokość szczeliny i szerokość strefy wpływu ciepła (HAZ). Jak pokazano na rysunku 4.15, wraz ze wzrostem średnicy otworu dyszy, szerokość szczeliny wzrasta, a szerokość strefy wpływu ciepła (HAZ) się zwęża. Główną przyczyną zwężenia strefy HAZ jest zwiększony efekt chłodzenia materiału bazowego przez przepływ gazu pomocniczego.

2.3 Parametry urządzeń do cięcia laserowego

2.3.1 Sprzęt do cięcia palnikiem

W urządzeniach do cięcia z napędem palnikowym, palnik tnący jest zamontowany na ruchomej bramie i porusza się poziomo wzdłuż belki bramy (oś Y). Brama napędza palnik, aby poruszał się wzdłuż osi X, podczas gdy przedmiot obrabiany jest zamocowany na stole roboczym. Ponieważ laser i palnik tnący są umieszczone oddzielnie, proces cięcia wpływa na charakterystykę transmisji lasera, równoległość wzdłuż kierunku skanowania wiązki oraz stabilność luster odbijających.

Urządzenia tnące z palnikiem umożliwiają obróbkę dużych elementów. Zajmują stosunkowo niewielką powierzchnię w strefie cięcia i można je łatwo zintegrować z innymi urządzeniami, tworząc linię produkcyjną. Dokładność pozycjonowania wynosi jednak zaledwie ±0,04 mm.

Typową konstrukcję urządzenia do cięcia z palnikiem przedstawiono na rysunku 4.19. Zastosowano urządzenie do cięcia laserem CO₂ o fali ciągłej, z odległością między laserem a palnikiem tnącym wynoszącą 18 m. Aby zapewnić, że zmiana średnicy wiązki na tej odległości transmisji nie będzie zakłócać operacji cięcia, należy starannie zaprojektować kombinację luster oscylatorów.

Główne parametry techniczne urządzeń do cięcia palnikiem są następujące:

Moc wyjściowa lasera: 1,5 kW (jednomodowy), 3 kW (wielomodowy)
Skok palnika: oś X 6,2 m, oś Y 2,6 m
Prędkość jazdy: 0–10 m/min (regulowana)
Ruchomy skok palnika w osi Z: 150 mm
Prędkość regulacji palnika w osi Z: 300 mm/min
Maksymalny rozmiar obrabianej blachy stalowej: 12 mm × 2400 mm × 6000 mm
System sterowania: Zintegrowany tryb sterowania NC

2.3.2 Sprzęt do cięcia napędzany stołem XY

W urządzeniach tnących napędzanych stołem XY, palnik tnący jest zamocowany na ramie, a obrabiany przedmiot umieszczany jest na stole tnącym. Stół tnący porusza się wzdłuż osi X i Y zgodnie z poleceniami NC, z regulowaną prędkością jazdy, zazwyczaj w zakresie od 0 do 1 m/min lub 0 do 5 m/min. Ponieważ palnik tnący pozostaje nieruchomy względem przedmiotu obrabianego, minimalizuje to wpływ na ustawienie i centrowanie wiązki laserowej podczas procesu cięcia, zapewniając równomierną i stabilną wydajność cięcia. Wyposażona w niewielki stół tnący o wysokiej precyzji mechanicznej, maszyna osiąga dokładność pozycjonowania ±0,01 mm idoskonała precyzja cięcia, co czyni go szczególnie odpowiednim do precyzyjnego cięcia małych elementów. Dodatkowo, dostępne są większe stoły tnące o zakresie ruchu osi X 2300–2400 mm i osi Y 1200–1300 mm, przeznaczone do obróbki dużych detali.

Główne parametry techniczne urządzeń tnących napędzanych stołem XY są następujące:

Źródło lasera: laser gazowy CO₂ (półzamknięty, prosty)
Zasilanie lasera: napięcie wejściowe 200 V AC; napięcie wyjściowe 0–30 kV; maksymalny prąd wyjściowy 100 mA
Moc wyjściowa lasera: 550 W
Skok stołu tnącego: oś X 2300 mm, oś Y 1300 mm
Prędkość jazdy stołu tnącego (regulowana skokowo): 0,4–5,0 m/min, 0,2–2,5 m/min, 0,1–1,3 m/min, 0,05–0,6 m/min
Ruchomy skok palnika w osi Z: 180 mm
Maksymalny rozmiar obrabianej płyty: 6 mm × 1300 mm × 2300 mm
System sterowania: tryb sterowania numerycznego (NC)

2.3.3 Podwójnie napędzany sprzęt tnący (palnik i stół)

Podwójnie napędzany sprzęt tnący (palnik i stół) plasuje się pomiędzy maszynami z napędem palnika a maszynami ze stołem XY. Palnik tnący jest zamontowany na suwnicy i porusza się poziomo wzdłuż belki suwnicy (oś Y), natomiast stół tnący jest napędzany wzdłużnie. Ta hybrydowa konstrukcja łączy zalety wysokiej precyzji cięcia i oszczędności miejsca. Dzięki dokładności pozycjonowania ±0,01 mm i regulowanemu zakresowi prędkości cięcia 0–20 m/min, jest to jedna z najpopularniejszych maszyn tnących na rynku. Większe modele oferują zakres przesuwu w osi Y wynoszący 2000 mm i 6000 mm w osi X, co umożliwia cięcie dużych elementów.

Oscylator laserowy jest zamontowany na suwnicy, obok palnika tnącego. Taka konfiguracja zapewnia wyjątkową precyzję podczas wycinania otworów okrągłych. Maszyna charakteryzuje się również wysoką wydajnością: może wycinać 46 otworów okrągłych (o średnicy 10 mm) na minutę w płycie stalowej o grubości 1 mm.

2.3.4 Zintegrowany sprzęt tnący

Wzintegrowana maszyna tnącaŹródło lasera jest zamontowane na ramie i porusza się wzdłużnie, a palnik tnący jest zintegrowany z mechanizmem napędowym, aby poruszać się poziomo wzdłuż belki ramy. Maszyna wykorzystuje sterowanie numeryczne do cięcia elementów o różnych kształtach. Aby skompensować zmiany długości drogi optycznej spowodowane poziomym ruchem palnika tnącego, zazwyczaj montowany jest moduł regulacji długości drogi optycznej. Moduł ten zapewnia jednorodną wiązkę laserową w obszarze cięcia i utrzymuje stałą jakość powierzchni cięcia.

Czas publikacji: 17-12-2025

Podstawy cięcia laserowego i jego system przetwarzania — Sprzęt do cięcia laserowego