Основи на лазерното рязане и неговата система за обработка —Оборудване за лазерно рязане

II. Състав на оборудването за лазерно рязане

2.1 Компоненти и принцип на работа на машина за лазерно рязане

Машината за лазерно рязане се състои от лазерен емитер, режеща глава, модул за предаване на лъча, работна маса на машинния инструмент, система за числено управление (NC), компютър (хардуер и софтуер), охладител, цилиндър със защитен газ, прахоуловител и сушилня на въздух.

Лазерен генератор

Лазерният генератор е устройство, което произвежда лазерни източници на светлина. За приложения за лазерно рязане повечето машини използват CO₂ газови лазери, които се отличават с висока ефективност на електрооптично преобразуване и висока изходна мощност, с изключение на няколко случая, когато се използват YAG твърдотелни лазери. Не всички лазери са подходящи за рязане, тъй като лазерното рязане налага строги изисквания към качеството на лъча.
Режеща глава

Състои се главно от компоненти като дюза, фокусираща леща и система за проследяване на фокуса.

Задвижващото устройство на режещата глава се използва за задвижване на режещата глава по оста Z съгласно предварително зададени програми. То се състои от серво мотор и трансмисионни части, като водещи винтове или зъбни колела.

(1) Дюза: Има три основни вида дюзи: паралелен тип, конвергентен тип и коничен тип.

(2) Фокусираща леща: За да се извърши рязане с помощта на енергия от лазерен лъч, оригиналният лъч, излъчван от лазера, трябва да бъде фокусиран през леща, за да се образува светлинно петно с висока енергийна плътност. Лещите със средно и дълго фокусно разстояние са подходящи за рязане на дебели плочи и имат по-ниски изисквания за стабилност на разстоянието на проследяващата система. Лещите с късо фокусно разстояние са подходящи само за рязане на тънки плочи под 3 мм; те имат строги изисквания за стабилност на разстоянието на проследяващата система, но могат значително да намалят необходимата изходна мощност на лазера.

(3) Система за проследяване: Системата за проследяване на фокуса на машина за лазерно рязане обикновено се състои от фокусираща режеща глава и система от сензори за проследяване. Режещата глава обединява функции за насочване и фокусиране на лъча, водно охлаждане, обдухване с газ и механично регулиране.

Сензорът е съставен от сензорни елементи и блок за управление на усилването. Системите за проследяване варират напълно в зависимост от вида на сензорните елементи. Съществуват два основни типа: единият е капацитивна сензорна система за проследяване, известна още като безконтактна система за проследяване; другият е индуктивна сензорна система за проследяване, наричана още контактна система за проследяване.
Сглобка за предаване на лъча

Външен оптичен път: Използват се отражателни огледала за насочване на лазерния лъч в желаната посока. За да се предотвратят неизправности в пътя на лъча, всички отражателни огледала са защитени с екрани и се въвежда чист защитен газ с положително налягане, за да се предпазят огледалата от замърсяване. Високопроизводителна леща може да фокусира неразсейващ се лъч в безкрайно малко петно. Обикновено се използва леща с фокусно разстояние 5,0 инча, докато 7,5-инчова леща е приложима само за рязане на материали с дебелина над 12 мм.
Работна маса за машинни инструменти

Основно тяло на машината: Секцията на машинния инструмент намашина за лазерно рязанее механичната част, която осъществява движението на осите X, Y и Z, включително платформата за рязане.
Система за числово управление

NC системата управлява машинния инструмент, за да постигне движения по осите X, Y и Z и едновременно с това регулира изходната мощност на лазера.
Охладителна система

Охлаждащ блок: Използва се за охлаждане на лазерния генератор. Лазерът е устройство, което преобразува електрическата енергия в светлинна енергия. Например, ефективността на преобразуване на CO₂ газов лазер обикновено е 20%, като останалата енергия се преобразува в топлина. Охлаждащата вода отстранява излишната топлина, за да поддържа нормалната работа на лазерния генератор. Охлаждащият блок също така охлажда външните огледала за оптичния път и фокусиращите лещи на машинния инструмент, осигурявайки стабилно качество на предаване на лъча и ефективно предотвратявайки деформация или напукване на лещите поради прегряване.
Газови бутилки

Газовите бутилки включват бутилки с работна среда и спомагателни газови бутилки за машината за лазерно рязане, които се използват за допълване на промишлени газове за лазерно трептене и за подаване на спомагателни газове за режещата глава.
Система за отстраняване на прах

Той извлича дим и прах, генерирани по време на обработката, и извършва филтрационна обработка, за да гарантира, че емисиите на отработени газове отговарят на стандартите за опазване на околната среда.
Въздушен охладител и филтър

Той подава чист, сух въздух към лазерния генератор и пътя на лъча, поддържайки нормалната работа на пътя на лъча и отразяващите огледала.

2.2 Режеща горелка за лазерно рязане

Структурната схема на режеща горелка за лазерно рязане е показана по-долу. Тя се състои основно от тяло на горелката, фокусираща леща, отразяващо огледало и спомагателна газова дюза. По време на лазерно рязане режещата горелка трябва да отговаря на следните изисквания:

① Горелката може да изхвърли достатъчен поток газ.

② Посоката на изхвърляне на газа вътре в горелката трябва да е коаксиална с оптичната ос на отражателното огледало.

③ Фокусното разстояние на фенерчето може лесно да се регулира.

④ По време на рязане, металните пари и пръски от режещия метал не трябва да повредят отражателното огледало.

Движението на режещата горелка се регулира от NC система за движение. Съществуват три сценария за относителното движение между режещата горелка и детайла:

① Горелката остава неподвижна, докато детайлът се движи през работната маса — подходящо предимно за малки детайли.

② Детайлът остава неподвижен, докато горелката се движи.

③ И горелката, и работната маса се движат едновременно.

2.2.1 Режеща глава

Лазерната режеща глава е разположена в края на системата за предаване на лъча, състояща се от фокусираща леща и режеща дюза.

Фокусиращите лещи се класифицират главно по фокусно разстояние. Повечето оборудване за лазерно рязане е оборудвано с няколко режещи глави с различни фокусни разстояния. Вземайки за пример рязането с CO₂ лазер, често срещаните фокусни разстояния са 127 мм (5 инча) и 190 мм (7,5 инча). Леща с късо фокусно разстояние създава малко фокусно петно и къса фокусна дълбочина, което е благоприятно за намаляване на ширината на прореза и постигане на по-фини разрези. Леща с дълго фокусно разстояние води до по-голямо фокусно петно и по-голяма фокусна дълбочина. В сравнение с лещите с късо фокусно разстояние, лещите с дълго фокусно разстояние могат да осигурят фокусиран лъч с плътност на лазерната енергия, достатъчна за обработка на материал близо до фокусната точка. Следователно, лещите с късо фокусно разстояние се използват най-вече за прецизно рязане на тънки плочи, докато лещите с дълго фокусно разстояние са необходими за по-дебели материали, за да се получи адекватна фокусна дълбочина, осигурявайки минимално отклонение в диаметъра на петното и достатъчна плътност на мощността в диапазона на дебелината на рязане.

Фокусиращите лещи се използват за фокусиране на паралелния лазерен лъч, падащ върху режещата горелка, постигайки по-малък размер на петното и по-висока плътност на мощността. Лещите са изработени от материали, които могат да пропускат дължината на вълната на лазера. Оптичното стъкло обикновено се използва за твърдотелни лазери, докато материали като ZnSe, GaAs и Ge се използват за CO₂ лазери (тъй като обикновеното стъкло не е прозрачно за CO₂ лазерните лъчи), сред които ZnSe е най-широко използваният.

При лазерно рязане е желателно да се минимизира диаметърът на фокусното петно, за да се увеличи плътността на мощността и да се осигури високоскоростно рязане. По-късото фокусно разстояние на лещата обаче води до по-малка фокусна дълбочина, което затруднява постигането на перпендикулярна повърхност на рязане при рязане на дебели плочи. Освен това, по-късото фокусно разстояние намалява разстоянието между лещата и детайла, увеличавайки риска от замърсяване на лещата от разтопени пръски по време на рязане и повлияване на нормалната работа. Следователно, подходящото фокусно разстояние трябва да се определя комплексно въз основа на фактори като дебелина на рязането и изисквания за качество на рязане.

2.2.2 Отразяващо огледало

Функцията на отразяващото огледало е да променя посоката на лъча, излъчван от лазера. За лъчи от твърдотелни лазери могат да се използват отразяващи огледала, изработени от оптично стъкло. За разлика от тях, отразяващите огледала в устройствата за лазерно рязане с CO₂ газ обикновено са изработени от мед или метали с висока отражателна способност. За да се предотвратят повреди, причинени от прегряване от лазерно облъчване по време на работа, отразяващите огледала обикновено се охлаждат с вода.

2.2.3 Дюза

Дюзата се използва за впръскване на спомагателен газ в зоната на рязане и нейната структура има определено влияние върху ефективността и качеството на рязане. Фигура 4.11 показва често срещани форми на дюзи за лазерно рязане; формите на отвора на дюзата включват цилиндрични, конични и сходящи-разклоняващи се типове.

Изборът на дюза обикновено се определя чрез тестове въз основа на материала и дебелината на детайла, както и на налягането на спомагателния газ. Лазерното рязане обикновено използва коаксиални дюзи (където газовият поток е коаксиален с оптичната ос). Ако газовият поток и лазерният лъч не са коаксиални, е вероятно да се получат прекомерни пръски по време на рязане. Вътрешната стена на отвора на дюзата трябва да е гладка, за да се осигури безпрепятствен поток на газ и да се избегне турбуленция, която може да повлияе на качеството на рязането. За да се осигури стабилност на рязането, разстоянието между челната повърхност на дюзата и повърхността на детайла трябва да бъде сведено до минимум, обикновено в диапазона от 0,5 мм до 2,0 мм. Диаметърът на отвора на дюзата трябва да позволява на лазерния лъч да преминава гладко, като се предотвратява докосването на вътрешната стена на отвора. Колкото по-малък е диаметърът на отвора, толкова по-трудно е колимирането на лъча. За дадено налягане на спомагателния газ съществува оптимален диапазон от диаметри на отвора на дюзата. Прекалено малкият или големият отвор ще възпрепятства отстраняването на разтопени продукти от рязането и ще повлияе на скоростта на рязане.

Влиянието на диаметъра на отвора на дюзата върху скоростта на рязане при фиксирана мощност на лазера и налягане на спомагателния газ е показано на фигури 4.12 и 4.13. Вижда се, че съществува оптимален диаметър на отвора на дюзата, при който се постига максимална скорост на рязане. Тази оптимална стойност е приблизително 1,5 мм, независимо дали като спомагателен газ се използва кислород или аргон.

Тестове за лазерно рязане на твърди сплави (които са трудни за рязане) показват, че оптималният диаметър на отвора на дюзата е много близък до горните резултати, както е илюстрирано на Фигура 4.14. Диаметърът на отвора на дюзата също влияе върху ширината на прореза и ширината на зоната, засегната от топлина (ЗТВ). Както е показано на Фигура 4.15, с увеличаване на диаметъра на отвора на дюзата, ширината на прореза се увеличава, докато ширината на ЗТВ се стеснява. Основната причина за стесняването на ЗТВ е засиленият охлаждащ ефект на спомагателния газов поток върху основния материал в зоната на рязане.

2.3 Параметри на оборудването за лазерно рязане

2.3.1 Оборудване за рязане, задвижвано от горелка

При оборудването за рязане, задвижвано от горелка, режещата горелка е монтирана на подвижен портал и се движи хоризонтално по гредата на портала (ос Y). Порталът задвижва горелката да се движи по оста X, докато детайлът е фиксиран върху работната маса. Тъй като лазерът и режещата горелка са разположени отделно, характеристиките на лазерното предаване, паралелизмът по посока на сканиране на лъча и стабилността на отразяващите огледала се влияят по време на процеса на рязане.

Режещото оборудване, задвижвано от горелка, може да обработва големи детайли. То заема сравнително малка площ в зоната за рязане и може лесно да се интегрира с друго оборудване, за да образува производствена линия. Точността на позициониране обаче е само ±0,04 мм.

Типичната структура на режещо оборудване, задвижвано от горелка, е показана на Фигура 4.19. Използва се машина за рязане с CO₂ лазер с непрекъсната вълна, като разстоянието от лазера до режещата горелка е 18 м. За да се гарантира, че промяната в диаметъра на лъча на това разстояние на предаване не пречи на операциите по рязане, комбинацията от осцилаторни огледала трябва да бъде внимателно проектирана.

Основните технически параметри на оборудването за рязане, задвижвано от горелка, са следните:

Изходна мощност на лазера: 1,5 kW (еднорежимна), 3 kW (многорежимна)
Ход на горелката: ос X 6,2 м, ос Y 2,6 м
Скорост на движение: 0–10 м/мин (регулируема)
Плаващ ход на горелката по Z-ос: 150 мм
Скорост на регулиране на оста Z на горелката: 300 мм/мин
Максимален размер на обработената стоманена плоча: 12 мм × 2400 мм × 6000 мм
Система за управление: Интегриран режим на NC управление

2.3.2 XY оборудване за рязане, задвижвано от маса

При режещото оборудване, задвижвано от XY маса, режещата горелка е фиксирана върху рамката, а детайлът се поставя върху масата за рязане. Масата за рязане се движи по осите X и Y съгласно NC команди, с регулируема скорост на движение, обикновено в диапазона от 0–1 м/мин или 0–5 м/мин. Тъй като режещата горелка остава неподвижна спрямо детайла, тя минимизира въздействието върху подравняването и центрирането на лазерния лъч по време на процеса на рязане, осигурявайки равномерна и стабилна производителност на рязане. Когато е оборудвана с малка маса за рязане с висока механична прецизност, машината постига точност на позициониране от ±0,01 мм иотлична прецизност на рязане, което го прави особено подходящ за прецизно рязане на малки компоненти. Освен това, за обработка на големи детайли се предлагат по-големи режещи маси с ход по оста X от 2300–2400 мм и ход по оста Y от 1200–1300 мм.

Основните технически параметри на режещото оборудване, задвижвано от XY маса, са следните:

Лазерен източник: CO₂ газов лазер (полузатворен тип с права тръба)
Захранване на лазера: Входно напрежение 200 VAC; Изходно напрежение 0–30 kV; Максимален изходен ток 100 mA
Изходна мощност на лазера: 550 W
Ход на режещата маса: ос X 2300 мм, ос Y 1300 мм
Скорост на движение на режещата маса (стъпково регулируема): 0,4–5,0 м/мин, 0,2–2,5 м/мин, 0,1–1,3 м/мин, 0,05–0,6 м/мин
Плаващ ход на горелката по Z-ос: 180 мм
Максимален размер на обработваната плоча: 6 мм × 1300 мм × 2300 мм
Система за управление: Режим на цифрово управление (NC)

2.3.3 Оборудване за рязане с двойно задвижване (горелка и маса)

Двойно задвижваното режещо оборудване (горелка и маса) попада по конструкция между режещите машини, задвижвани от горелка, и режещите машини, задвижвани от маса XY. Режещата горелка е монтирана на портална платформа и се движи хоризонтално по гредата на портала (ос Y), докато режещата маса се задвижва надлъжно. Този хибриден дизайн съчетава предимствата на висока прецизност на рязане и ефективност, спестяваща място. С точност на позициониране от ±0,01 мм и регулируем диапазон на скоростта на рязане от 0 до 20 м/мин, това е една от най-широко използваните режещи машини на пазара. По-големите модели на тази машина предлагат ход по оста Y от 2000 мм и ход по оста X от 6000 мм, което позволява рязане на големи детайли.

Лазерният осцилатор е монтиран на порталната платформа, до режещата горелка. Тази конфигурация осигурява изключителна прецизност при рязане на кръгли отвори. Машината се отличава и с висока производствена ефективност: тя може да изреже 46 кръгли отвора (с диаметър 10 мм) в минута върху стоманена плоча с дебелина 1 мм.

2.3.4 Интегрирано оборудване за рязане

В едининтегрирана машина за рязанеЛазерният източник е монтиран върху рамката и се движи надлъжно с нея, докато режещата горелка е интегрирана със своя задвижващ механизъм, за да се движи хоризонтално по гредата на рамката. Машината използва цифрово управление за рязане на компоненти с различна форма. За да се компенсира промяната в дължината на оптичния път, причинена от хоризонталното движение на режещата горелка, обикновено е оборудвана с модул за регулиране на дължината на оптичния път. Този модул осигурява хомогенен лазерен лъч в зоната на рязане и поддържа постоянно качество на повърхността на рязане.

Време на публикуване: 17 декември 2025 г.