Grunnleggende om laserskjæring og behandlingssystem —Laserskjæreutstyr

II. Sammensetning av laserskjæreutstyr

2.1 Komponenter og arbeidsprinsipp for laserskjæremaskin

En laserskjæremaskin består av en lasersender, et skjærehode, en stråleoverføringsenhet, et arbeidsbord i maskinverktøyet, et numerisk kontrollsystem (NC), en datamaskin (maskinvare og programvare), en kjøler, en dekkgassflaske, en støvsamler og en lufttørker.

Lasergenerator

Lasergeneratoren er en enhet som produserer laserlyskilder. For laserskjæringsapplikasjoner bruker de fleste maskiner CO₂-gasslasere som har høy elektrooptisk konverteringseffektivitet og høy effekt, bortsett fra i noen få tilfeller der YAG-faststofflasere brukes. Ikke alle lasere er egnet for skjæring, ettersom laserskjæring stiller strenge krav til strålekvalitet.
Skjærehode

Den består hovedsakelig av komponenter som en dyse, fokuseringslinse og fokussporingssystem.

Skjærehodets drivenhet brukes til å drive skjærehodet til å bevege seg langs Z-aksen i henhold til forhåndsinnstilte programmer. Den består av en servomotor og transmisjonsdeler som ledeskruer eller gir.

(1) Dyse: Det finnes tre hovedtyper dyser: parallell type, konvergent type og konisk type.

(2) Fokuseringslinse: For å utføre skjæring med laserstråleenergi, må den opprinnelige strålen som sendes ut av laseren fokuseres gjennom en linse for å danne et lyspunkt med høy energitetthet. Linser med middels og lang brennvidde er egnet for skjæring av tykke plater og har lavere krav til avstandsstabiliteten til sporingssystemet. Linser med kort brennvidde er kun egnet for skjæring av tynne plater under 3 mm; de har strenge krav til avstandsstabiliteten til sporingssystemet, men kan redusere den nødvendige laserutgangseffekten betydelig.

(3) Sporingssystem: Fokussporingssystemet til en laserskjæremaskin består vanligvis av et fokuseringsskjærehode og et sporingssensorsystem. Skjærehodet integrerer funksjoner som strålestyring og fokusering, vannkjøling, gassblåsing og mekanisk justering.

Sensoren består av sensorelementer og en forsterkningskontrollenhet. Sporingssystemer varierer fullstendig avhengig av typen sensorelementer. Det finnes to hovedtyper: den ene er det kapasitive sensorsporingssystemet, også kjent som det kontaktløse sporingssystemet; den andre er det induktive sensorsporingssystemet, også referert til som et kontaktsporingssystem.
Stråleoverføringsenhet

Ekstern optisk bane: Reflekterende speil brukes til å lede laserstrålen i ønsket retning. For å forhindre funksjonsfeil i strålebanen er alle reflekterende speil beskyttet av skjold, og ren positivtrykksbeskyttelsesgass introduseres for å holde speilene fri for forurensning. En høyytelseslinse kan fokusere en ikke-divergent stråle inn i et uendelig lite punkt. En linse med en 5,0-tommers brennvidde brukes vanligvis, mens en 7,5-tommers linse bare er egnet for å skjære materialer tykkere enn 12 mm.
Arbeidsbord for maskinverktøy

Hovedmaskinkropp: Maskinverktøyseksjonen tillaserskjæremaskiner den mekaniske delen som realiserer bevegelsen av X-, Y- og Z-aksene, inkludert skjæreplattformen.
Numerisk kontrollsystem

NC-systemet styrer maskinverktøyet for å oppnå X-, Y- og Z-aksebevegelser og regulerer samtidig laserens utgangseffekt.
Kjølesystem

Kjøleenhet: Den brukes til å kjøle ned lasergeneratoren. En laser er en enhet som konverterer elektrisk energi til lysenergi. For eksempel er konverteringseffektiviteten til en CO₂-gasslaser vanligvis 20 %, hvor den resterende energien konverteres til varme. Kjølevann fjerner overflødig varme for å opprettholde normal drift av lasergeneratoren. Kjøleenheten kjøler også ned de eksterne optiske banespeilene og fokuseringslinsene til maskinverktøyet, noe som sikrer stabil stråleoverføringskvalitet og effektivt forhindrer linsedeformasjon eller sprekker på grunn av overoppheting.
Gassflasker

Gassflasker omfatter arbeidsmedieflasker og hjelpegassflasker for laserskjæremaskinen, som brukes til å supplere industrigasser for laseroscillasjon og forsyne hjelpegasser til skjærehodet.
Støvfjerningssystem

Den suger ut røyk og støv som genereres under prosessen og utfører filtreringsbehandling for å sikre at eksosutslippene oppfyller miljøvernstandarder.
Luftkjølende tørketrommel og filter

Den forsyner lasergeneratoren og strålebanen med ren, tørr luft, og opprettholder normal drift av strålebanen og reflekterende speil.

2.2 Skjærebrenner for laserskjæring

Strukturdiagrammet til en skjærebrenner for laserskjæring er vist nedenfor. Den består hovedsakelig av et brennerhus, fokuseringslinse, reflekterende speil og en hjelpegassdyse. Under laserskjæring må skjærebrenneren oppfylle følgende krav:

① Brenneren kan støte ut en tilstrekkelig gasstrøm.

② Utkastningsretningen til gassen inne i brenneren må være koaksial med den optiske aksen til det reflekterende speilet.

③ Brennvidden til lommelykten kan enkelt justeres.

④ Under skjæring må ikke metalldamp og sprut fra det kuttede metallet skade det reflekterende speilet.

Skjærebrennerens bevegelse justeres av et NC-bevegelsessystem. Det finnes tre scenarier for den relative bevegelsen mellom skjærebrenneren og arbeidsstykket:

① Brenneren forblir stasjonær mens arbeidsstykket beveger seg via arbeidsbordet – hovedsakelig egnet for små arbeidsstykker.

② Arbeidsstykket forblir stasjonært mens brenneren beveger seg.

③ Både brenneren og arbeidsbordet beveger seg samtidig.

2.2.1 Skjærehode

Laserskjærehodet er plassert på enden av stråleoverføringssystemet, og består av en fokuseringslinse og en skjæredyse.

Fokuseringslinser klassifiseres hovedsakelig etter brennvidde. De fleste laserskjæreutstyr er utstyrt med flere skjærehoder med forskjellige brennvidder. Med CO₂-laserskjæring som eksempel er vanlige brennvidder 127 mm (5 tommer) og 190 mm (7,5 tommer). En linse med kort brennvidde produserer et lite brennpunkt og kort brennvidde, noe som bidrar til å redusere snittbredden og oppnå finere kutt. En linse med lang brennvidde gir et større brennpunkt og lengre brennvidde. Sammenlignet med linser med kort brennvidde kan linser med lang brennvidde gi en fokusert stråle med laserenergitetthet som er tilstrekkelig for materialbehandling nær brennpunktet. Derfor brukes linser med kort brennvidde mest til presisjonsskjæring av tynne plater, mens linser med lang brennvidde er nødvendige for tykkere materialer for å oppnå tilstrekkelig brennvidde, noe som sikrer minimal variasjon i punktdiameter og tilstrekkelig effekttetthet innenfor skjæretykkelsesområdet.

Fokuseringslinser brukes til å fokusere den parallelle laserstrålen som faller inn i skjærebrenneren, noe som oppnår en mindre punktstørrelse og høyere effekttetthet. Linser er laget av materialer som kan overføre laserens bølgelengde. Optisk glass brukes ofte til faststofflasere, mens materialer som ZnSe, GaAs og Ge brukes til CO₂-gasslasere (siden vanlig glass ikke er gjennomsiktig for CO₂-laserstråler), og ZnSe er det mest brukte materialet.

For laserskjæring er det ønskelig å minimere fokuspunktdiameteren for å øke effekttettheten og muliggjøre høyhastighetsskjæring. En kortere brennvidde på linsen resulterer imidlertid i en mindre brennvidde, noe som gjør det vanskelig å oppnå en vinkelrett snittflate når man skjærer tykke plater. I tillegg reduserer en kortere brennvidde avstanden mellom linsen og arbeidsstykket, noe som øker risikoen for at linsen blir forurenset av smeltesprut under skjæring og påvirker normal drift. Derfor bør passende brennvidde bestemmes grundig basert på faktorer som skjæretykkelse og krav til skjærekvalitet.

2.2.2 Reflekterende speil

Funksjonen til det reflekterende speilet er å endre retningen på strålen som sendes ut fra laseren. For stråler fra faststofflasere kan reflekterende speil laget av optisk glass brukes. I motsetning til dette er reflekterende speil i CO₂-gasslaserskjæreenheter vanligvis laget av kobber eller metaller med høy reflektivitet. For å forhindre skade forårsaket av overoppheting fra laserbestråling under drift, kjøles reflekterende speil vanligvis ned med vann.

2.2.3 Dyse

Dysen brukes til å sprøyte hjelpegass inn i skjæresonen, og strukturen har en viss innvirkning på skjæreeffektivitet og -kvalitet. Figur 4.11 viser vanlige dyseformer for laserskjæring; dyseåpningsformene inkluderer sylindriske, koniske og konvergerende-divergerende typer.

Valg av dyse bestemmes vanligvis gjennom tester basert på materialet og tykkelsen på arbeidsstykket, og trykket til hjelpegassen. Laserskjæring bruker vanligvis koaksiale dyser (der gasstrømmen er koaksial med den optiske aksen). Hvis gasstrømmen og laserstrålen ikke er koaksiale, er det sannsynlig at det oppstår overdreven sprut under skjæringen. Dyseåpningens indre vegg bør være glatt for å sikre uhindret gasstrøm og unngå turbulens som kan påvirke snittkvaliteten. For å sikre skjærestabilitet bør avstanden mellom dysens endeflate og arbeidsstykkets overflate minimeres, vanligvis fra 0,5 mm til 2,0 mm. Dyseåpningens diameter må tillate laserstrålen å passere jevnt gjennom, slik at strålen ikke berører åpningens indre vegg. Jo mindre åpningsdiameteren er, desto vanskeligere er det å kollimere strålen. For et gitt hjelpegasstrykk finnes det et optimalt område for dyseåpningens diametere. En for liten eller stor åpning vil hindre fjerning av smeltede produkter fra snittet og påvirke skjærehastigheten.

Innflytelsen av dyseåpningsdiameteren på skjærehastigheten under fast lasereffekt og hjelpegasstrykk er vist i figur 4.12 og 4.13. Det kan sees at det finnes en optimal dyseåpningsdiameter som oppnår maksimal skjærehastighet. Denne optimale verdien er omtrent 1,5 mm uavhengig av om oksygen eller argon brukes som hjelpegass.

Tester på laserskjæring av harde legeringer (som er vanskelige å skjære) viser at den optimale dyseåpningsdiameteren er svært nær resultatene ovenfor, som illustrert i figur 4.14. Dyseåpningsdiameteren påvirker også snittbredden og bredden på den varmepåvirkede sonen (HAZ). Som vist i figur 4.15, øker snittbredden med økningen av dyseåpningsdiameteren, mens HAZ-bredden smalner. Hovedårsaken til innsnevringen av HAZ er den forbedrede kjøleeffekten av hjelpegasstrømmen på basismaterialet i skjæresonen.

2.3 Parametere for laserskjæreutstyr

2.3.1 Brennerdrevet skjæreutstyr

I brennerdrevet skjæreutstyr er skjærebrenneren montert på en bevegelig gantry og beveger seg horisontalt langs gantrystrålen (Y-aksen). Gantryen driver brenneren til å bevege seg langs X-aksen, mens arbeidsstykket er festet på arbeidsbordet. Siden laseren og skjærebrenneren er anordnet separat, påvirkes laserens overføringsegenskaper, parallellitet langs strålens skanneretning og stabiliteten til de reflekterende speilene under skjæreprosessen.

Brennerdrevet skjæreutstyr kan behandle store arbeidsstykker. Det opptar et relativt lite gulvareal for skjæreproduksjonssonen og kan enkelt integreres med annet utstyr for å danne en produksjonslinje. Posisjoneringsnøyaktigheten er imidlertid bare ±0,04 mm.

Den typiske strukturen til brennerdrevet skjæreutstyr er vist i figur 4.19. Det brukes en kontinuerlig bølge CO₂-laserskjæremaskin, med en avstand fra laseren til skjærebrenneren på 18 m. For å sikre at endringen i strålediameter over denne overføringsavstanden ikke forstyrrer skjæreoperasjonene, må kombinasjonen av oscillatorspeil utformes nøye.

De viktigste tekniske parametrene for brennerdrevet skjæreutstyr er som følger:

Laserutgangseffekt: 1,5 kW (enkeltmodus), 3 kW (multimodus)
Brennerens slaglengde: X-akse 6,2 m, Y-akse 2,6 m
Kjørehastighet: 0–10 m/min (justerbar)
Brennerens Z-akse flytende slaglengde: 150 mm
Justeringshastighet for Z-akse for brenner: 300 mm/min
Maksimal størrelse på bearbeidet stålplate: 12 mm × 2400 mm × 6000 mm
Kontrollsystem: Integrert NC-kontrollmodus

2.3.2 XY-borddrevet skjæreutstyr

I XY-borddrevet skjæreutstyr er skjærebrenneren festet på rammen, og arbeidsstykket plasseres på skjærebordet. Skjærebordet beveger seg langs X- og Y-aksene i henhold til NC-kommandoer, med en justerbar kjørehastighet som vanligvis varierer fra 0–1 m/min eller 0–5 m/min. Siden skjærebrenneren forblir stasjonær i forhold til arbeidsstykket, minimerer den påvirkningen på laserstrålejustering og sentrering under skjæreprosessen, noe som sikrer jevn og stabil skjæreytelse. Når den er utstyrt med et lite skjærebord med høy mekanisk presisjon, oppnår maskinen en posisjoneringsnøyaktighet på ±0,01 mm ogutmerket skjærepresisjon, noe som gjør den spesielt egnet for presisjonsskjæring av små komponenter. I tillegg er større skjærebord med en X-akse-slaglengde på 2300–2400 mm og Y-akse-slaglengde på 1200–1300 mm tilgjengelig for bearbeiding av store arbeidsstykker.

De viktigste tekniske parametrene til XY-borddrevet skjæreutstyr er som følger:

Laserkilde: CO₂-gasslaser (halvlukket rettrørstype)
Laserstrømforsyning: Inngangsspenning 200 VAC; Utgangsspenning 0–30 kV; Maksimal utgangsstrøm 100 mA
Laserutgangseffekt: 550 W
Skjærebordets slaglengde: X-akse 2300 mm, Y-akse 1300 mm
Skjærebordets kjørehastighet (trinnjusterbar): 0,4–5,0 m/min, 0,2–2,5 m/min, 0,1–1,3 m/min, 0,05–0,6 m/min
Brennerens Z-akse flytende slaglengde: 180 mm
Maksimal størrelse på bearbeidet plate: 6 mm × 1300 mm × 2300 mm
Kontrollsystem: Numerisk kontrollmodus (NC)

2.3.3 Dobbeltdrevet skjæreutstyr (brenner og bord)

Det dobbeltdrevne skjæreutstyret (brenner og bord) faller mellom de brennerdrevne og XY-borddrevne skjæremaskinene i design. Skjærebrenneren er montert på en gantry og beveger seg horisontalt langs gantrybjelken (Y-aksen), mens skjærebordet drives i lengderetningen. Denne hybriddesignen kombinerer fordelene med høy skjærepresisjon og plassbesparende effektivitet. Med en posisjoneringsnøyaktighet på ±0,01 mm og et justerbart skjærehastighetsområde på 0–20 m/min, er den en av de mest brukte skjæremaskinene på markedet. Større modeller av denne maskinen tilbyr en Y-akseslaglengde på 2000 mm og en X-akseslaglengde på 6000 mm, noe som muliggjør skjæring av store arbeidsstykker.

Laseroscillatoren er montert på gantryen ved siden av skjærebrenneren. Denne konfigurasjonen gir eksepsjonell presisjon ved skjæring av sirkulære hull. Maskinen kan også skryte av høy produksjonseffektivitet: den kan skjære 46 sirkulære hull (10 mm i diameter) per minutt på en 1 mm tykk stålplate.

2.3.4 Integrert skjæreutstyr

I enintegrert skjæremaskin, laserkilden er installert på rammen og beveger seg langs den, mens skjærebrenneren er integrert med sin drivmekanisme for å bevege seg horisontalt langs rammestrålen. Maskinen bruker numerisk kontroll for å skjære komponenter i forskjellige form. For å kompensere for variasjonen i den optiske banelengden forårsaket av den horisontale bevegelsen til skjærebrenneren, er det vanligvis utstyrt med en justeringsmodul for optisk banelengde. Denne modulen sikrer en homogen laserstråle innenfor skjæreområdet og opprettholder en jevn skjæreoverflatekvalitet.

Publiseringstid: 17. desember 2025

Grunnleggende om laserskjæring og behandlingssystem — Laserskjæreutstyr