Основи лазерного різання та його обробна система —Обладнання для лазерного різання

II. Склад обладнання для лазерного різання

2.1 Компоненти та принцип роботи лазерного різального верстата

Лазерний різальний верстат складається з лазерного випромінювача, ріжучої головки, вузла передачі променя, робочого столу верстата, системи числового програмного керування (ЧПК), комп'ютера (апаратного та програмного), чилера, балона із захисним газом, пилозбірника та осушувача повітря.

Лазерний генератор

Лазерний генератор – це пристрій, який виробляє лазерні джерела світла. Для лазерного різання більшість верстатів використовують CO₂-лазери, які характеризуються високою ефективністю електрооптичного перетворення та високою вихідною потужністю, за винятком кількох випадків, коли використовуються твердотільні YAG-лазери. Не всі лазери підходять для різання, оскільки лазерне різання висуває суворі вимоги до якості променя.
Ріжуча головка

Він в основному складається з таких компонентів, як сопло, фокусувальна лінза та система стеження за фокусом.

Привід ріжучої головки використовується для її переміщення вздовж осі Z відповідно до заданих програм. Він складається із серводвигуна та трансмісійних частин, таких як ходові гвинти або шестерні.

(1) Форсунка: Існує три основні типи форсунок: паралельного типу, конвергентного типу та конічного типу.

(2) Фокусуюча лінза: Для виконання різання з використанням енергії лазерного променя вихідний промінь, що випромінюється лазером, повинен бути сфокусований через лінзу для формування світлової плями з високою щільністю енергії. Лінзи із середньою та великою фокусною відстанню підходять для різання товстих пластин і мають нижчі вимоги до стабільності відстані системи стеження. Лінзи з короткою фокусною відстанню підходять лише для різання тонких пластин товщиною менше 3 мм; вони мають суворі вимоги до стабільності відстані системи стеження, але можуть значно зменшити необхідну вихідну потужність лазера.

(3) Система відстеження: Система відстеження фокусування лазерного різального верстата зазвичай складається з фокусуючої ріжучої головки та системи датчиків відстеження. Ріжуча головка поєднує функції спрямування та фокусування променя, водяного охолодження, продувки газом та механічного регулювання.

Датчик складається з чутливих елементів та блоку керування підсиленням. Системи відстеження повністю різняться залежно від типу чутливих елементів. Існує два основних типи: один – це ємнісна система відстеження датчиків, також відома як безконтактна система відстеження; інший – це індуктивна система відстеження датчиків, також відома як контактна система відстеження.
Вузол передачі променя

Зовнішній оптичний шлях: Для спрямування лазерного променя в потрібному напрямку використовуються відбивні дзеркала. Щоб запобігти несправностям на шляху променя, всі відбивні дзеркала захищені екранами, а для захисту дзеркал від забруднення подається чистий захисний газ із позитивним тиском. Високопродуктивна лінза може фокусувати нерозбіжний промінь у нескінченно малій плямі. Зазвичай використовується лінза з фокусною відстанню 5,0 дюймів, тоді як лінза 7,5 дюймів застосовується лише для різання матеріалів товщиною понад 12 мм.
Робочий стіл для верстата

Основний корпус верстата: Верстатна секціялазерна різальна машинаце механічна частина, яка реалізує рух осей X, Y та Z, включаючи платформу для різання.
Система числового керування

Система ЧПУ керує верстатом для досягнення рухів по осях X, Y, Z та одночасно регулює вихідну потужність лазера.
Система охолодження

Охолоджувальний блок: Він використовується для охолодження лазерного генератора. Лазер – це пристрій, який перетворює електричну енергію на світлову. Наприклад, ефективність перетворення CO₂-лазера зазвичай становить 20%, а решта енергії перетворюється на тепло. Охолоджувальна вода відводить надлишкове тепло для підтримки нормальної роботи лазерного генератора. Охолоджувальний блок також охолоджує зовнішні оптичні дзеркала та фокусуючі лінзи верстата, забезпечуючи стабільну якість передачі променя та ефективно запобігаючи деформації або розтріскуванню лінз через перегрів.
Газові балони

Газові балони включають балони з робочим тілом та допоміжні газові балони для лазерного різального верстата, які використовуються для доповнення промислових газів для лазерних коливань та подачі допоміжних газів для ріжучої головки.
Система видалення пилу

Він видаляє дим і пил, що утворюються під час обробки, і проводить фільтраційну обробку, щоб забезпечити відповідність викидів вихлопних газів стандартам охорони навколишнього середовища.
Осушувач та фільтр повітряного охолодження

Він подає чисте, сухе повітря до лазерного генератора та шляху променя, підтримуючи нормальну роботу шляху променя та відбивних дзеркал.

2.2 Різак для лазерного різання

Структурна схема різака для лазерного різання показана нижче. Він в основному складається з корпусу різака, фокусуючої лінзи, відбивного дзеркала та допоміжного газового сопла. Під час лазерного різання різак повинен відповідати наступним вимогам:

① Пальник може викидати достатній потік газу.

② Напрямок викиду газу всередині пальника має бути співвісним з оптичною віссю відбивного дзеркала.

③ Фокусну відстань ліхтарика можна легко регулювати.

④ Під час різання металеві пари та бризки від різаного металу не повинні пошкоджувати відбивне дзеркало.

Рух різака регулюється системою керування рухом із ЧПУ. Існує три сценарії відносного руху між різаком та заготовкою:

① Пальник залишається нерухомим, поки заготовка рухається по робочому столу — це переважно підходить для заготовок невеликого розміру.

② Заготовка залишається нерухомою, поки пальник рухається.

③ Пальник і робочий стіл рухаються одночасно.

2.2.1 Ріжуча головка

Лазерна ріжуча головка розташована на кінці системи передачі променя, що складається з фокусуючої лінзи та ріжучого сопла.

Фокусуючі лінзи в основному класифікуються за фокусною відстанню. Більшість обладнання для лазерного різання оснащено кількома ріжучими головками з різною фокусною відстанню. Візьмемо, наприклад, різання CO₂-лазером, то поширені фокусні відстані становлять 127 мм (5 дюймів) та 190 мм (7,5 дюйма). Лінза з короткою фокусною відстанню створює малу фокусну пляму та коротку фокусну глибину, що сприяє зменшенню ширини пропилу та досягненню точніших розрізів. Лінза з довгою фокусною відстанню забезпечує більшу фокусну пляму та довшу фокусну глибину. Порівняно з лінзами з короткою фокусною відстанню, лінзи з довгою фокусною відстанню можуть забезпечити сфокусований промінь з щільністю лазерної енергії, достатньою для обробки матеріалу поблизу фокусної точки. Тому лінзи з короткою фокусною відстанню здебільшого використовуються для точного різання тонких пластин, тоді як лінзи з довгою фокусною відстанню потрібні для товстіших матеріалів, щоб отримати достатню фокусну глибину, забезпечуючи мінімальну варіацію діаметра плями та достатню щільність потужності в діапазоні товщини різання.

Фокусуючі лінзи використовуються для фокусування паралельного лазерного променя, що падає на різак, досягаючи меншого розміру плями та вищої щільності потужності. Лінзи виготовляються з матеріалів, які можуть пропускати довжину хвилі лазера. Оптичне скло зазвичай використовується для твердотільних лазерів, тоді як такі матеріали, як ZnSe, GaAs та Ge, застосовуються для газових CO₂-лазерів (оскільки звичайне скло непрозоре для променів CO₂-лазера), серед яких ZnSe є найбільш широко використовуваним.

Для лазерного різання бажано мінімізувати діаметр фокусної плями, щоб збільшити щільність потужності та забезпечити високу швидкість різання. Однак, менша фокусна відстань лінзи призводить до меншої фокусної глибини, що ускладнює досягнення перпендикулярної поверхні різу під час різання товстих пластин. Крім того, менша фокусна відстань зменшує відстань між лінзою та заготовкою, збільшуючи ризик забруднення лінзи бризками розплаву під час різання та впливаючи на нормальну роботу. Тому відповідну фокусну відстань слід визначати комплексно, виходячи з таких факторів, як товщина різу та вимоги до якості різу.

2.2.2 Відбивне дзеркало

Функція відбивного дзеркала полягає у зміні напрямку променя, що випромінюється лазером. Для променів твердотільних лазерів можна використовувати відбивні дзеркала з оптичного скла. Натомість відбивні дзеркала в пристроях для лазерного різання CO₂ зазвичай виготовляються з міді або металів з високою відбивною здатністю. Щоб запобігти пошкодженню, спричиненому перегрівом від лазерного опромінення під час роботи, відбивні дзеркала зазвичай охолоджують водою.

2.2.3 Насадка

Сопло використовується для розпилення допоміжного газу в зону різання, а його конструкція має певний вплив на ефективність та якість різання. На рисунку 4.11 показано поширені форми сопел для лазерного різання; форми отворів сопел включають циліндричні, конічні та збіжно-розбіжні типи.

Вибір сопла зазвичай визначається за допомогою випробувань на основі матеріалу та товщини заготовки, а також тиску допоміжного газу. Для лазерного різання зазвичай використовуються коаксіальні сопла (де потік газу співвісний з оптичною віссю). Якщо потік газу та лазерний промінь не співвісні, під час різання ймовірне надмірне розбризкування. Внутрішня стінка отвору сопла повинна бути гладкою, щоб забезпечити безперешкодний потік газу та уникнути турбулентності, яка може вплинути на якість різання. Для забезпечення стабільності різання відстань між торцевою поверхнею сопла та поверхнею заготовки повинна бути мінімізована, зазвичай від 0,5 мм до 2,0 мм. Діаметр отвору сопла повинен забезпечувати плавне проходження лазерного променя, запобігаючи його торканню внутрішньої стінки отвору. Чим менший діаметр отвору, тим складніше колімувати промінь. Для заданого тиску допоміжного газу існує оптимальний діапазон діаметрів отвору сопла. Надмірно малий або великий отвір перешкоджатиме видаленню розплавлених продуктів з пропила та впливатиме на швидкість різання.

Вплив діаметра отвору сопла на швидкість різання за фіксованої потужності лазера та тиску допоміжного газу показано на рисунках 4.12 та 4.13. Видно, що існує оптимальний діаметр отвору сопла, який забезпечує максимальну швидкість різання. Це оптимальне значення становить приблизно 1,5 мм незалежно від того, чи використовується як допоміжний газ кисень, чи аргон.

Випробування лазерного різання твердих сплавів (які важко ріжуться) показують, що оптимальний діаметр отвору сопла дуже близький до вищезазначених результатів, як показано на рисунку 4.14. Діаметр отвору сопла також впливає на ширину пропила та ширину зони термічного впливу (ЗТВ). Як показано на рисунку 4.15, зі збільшенням діаметра отвору сопла ширина пропила збільшується, а ширина ЗТВ звужується. Основною причиною звуження ЗТВ є посилений охолоджувальний ефект допоміжного потоку газу на основний матеріал у зоні різання.

2.3 Параметри обладнання для лазерного різання

2.3.1 Різальне обладнання з приводом від пальника

У різальному обладнанні з приводом від пальника різак встановлений на рухомому порталі та рухається горизонтально вздовж балки порталу (вісь Y). Портал приводить пальник у рух вздовж осі X, тоді як заготовка закріплена на робочому столі. Оскільки лазер та різак розташовані окремо, під час процесу різання впливають на характеристики лазерної передачі, паралельність вздовж напрямку сканування променя та стабільність відбивних дзеркал.

Різальне обладнання з приводом від пальника може обробляти великогабаритні заготовки. Воно займає відносно невелику площу виробничої зони різання та може бути легко інтегроване з іншим обладнанням для формування виробничої лінії. Однак точність його позиціонування становить лише ±0,04 мм.

Типова структура різального обладнання з приводом від пальника показана на рисунку 4.19. Використовується лазерна різальна машина безперервної дії на CO₂-лазері, відстань від лазера до різального пальника становить 18 м. Щоб зміна діаметра променя на цій відстані передачі не заважала операціям різання, комбінацію осциляторних дзеркал необхідно ретельно розробити.

Основні технічні параметри різального обладнання з приводом від пальника такі:

Вихідна потужність лазера: 1,5 кВт (одномодовий), 3 кВт (багатомодовий)
Хід пальника: вісь X 6,2 м, вісь Y 2,6 м
Швидкість руху: 0–10 м/хв (регульована)
Плаваючий хід пальника по осі Z: 150 мм
Швидкість регулювання осі Z пальника: 300 мм/хв
Максимальний розмір обробленої сталевої плити: 12 мм × 2400 мм × 6000 мм
Система керування: інтегрований режим керування ЧПУ

2.3.2 Різальне обладнання з приводом від столу XY

У різальному обладнанні з приводом від столу XY різак закріплений на рамі, а заготовка розміщується на різальному столі. Різальний стіл рухається вздовж осей X та Y відповідно до команд ЧПУ, з регульованою швидкістю руху, яка зазвичай становить від 0 до 1 м/хв або від 0 до 5 м/хв. Оскільки різак залишається нерухомим відносно заготовки, це мінімізує вплив на вирівнювання та центрування лазерного променя під час процесу різання, забезпечуючи рівномірну та стабільну продуктивність різання. При оснащенні різальним столом малого розміру з високою механічною точністю, машина досягає точності позиціонування ±0,01 мм тачудова точність різання, що робить його особливо придатним для прецизійного різання дрібних компонентів. Крім того, для обробки великогабаритних заготовок доступні більші різальні столи з ходом по осі X 2300–2400 мм та ходом по осі Y 1200–1300 мм.

Основні технічні параметри різального обладнання з приводом від столу XY такі:

Джерело лазера: CO₂-лазер (напівзакритий прямотрубний тип)
Джерело живлення лазера: вхідна напруга 200 В змінного струму; вихідна напруга 0–30 кВ; максимальний вихідний струм 100 мА
Вихідна потужність лазера: 550 Вт
Хід різального столу: вісь X 2300 мм, вісь Y 1300 мм
Швидкість руху ріжучого столу (ступінчасте регулювання): 0,4–5,0 м/хв, 0,2–2,5 м/хв, 0,1–1,3 м/хв, 0,05–0,6 м/хв
Плаваючий хід пальника по осі Z: 180 мм
Максимальний розмір оброблюваної пластини: 6 мм × 1300 мм × 2300 мм
Система керування: режим числового керування (ЧПК)

2.3.3 Різальне обладнання з подвійним приводом (пальник і стіл)

Двоканальний різальний пристрій (пальник і стіл) за своєю конструкцією знаходиться між різальними машинами з приводом від пальника та різальними машинами з приводом від столу по осях XY. Різак встановлений на порталі та рухається горизонтально вздовж балки порталу (вісь Y), тоді як різальний стіл приводиться в рух поздовжньо. Ця гібридна конструкція поєднує переваги високої точності різання та економії місця. Завдяки точності позиціонування ±0,01 мм та регульованому діапазону швидкості різання від 0 до 20 м/хв, це один з найпоширеніших різальних верстатів на ринку. Більші моделі цього верстата пропонують хід по осі Y 2000 мм та хід по осі X 6000 мм, що дозволяє різати великогабаритні заготовки.

Лазерний осцилятор встановлено на порталі поруч із різаком. Така конфігурація забезпечує виняткову точність під час вирізання круглих отворів. Верстат також може похвалитися високою виробничою ефективністю: він може вирізати 46 круглих отворів (діаметром 10 мм) за хвилину на сталевій пластині товщиною 1 мм.

2.3.4 Інтегроване різальне обладнання

Уінтегрована різальна машинаДжерело лазера встановлено на рамі та рухається поздовжньо разом з нею, тоді як різак інтегрований зі своїм приводним механізмом для горизонтального переміщення вздовж балки рами. Верстат використовує числове програмне забезпечення для різання компонентів різної форми. Для компенсації зміни довжини оптичного шляху, спричиненої горизонтальним рухом різака, зазвичай оснащується модулем регулювання довжини оптичного шляху. Цей модуль забезпечує однорідний лазерний промінь у зоні різання та підтримує стабільну якість поверхні різання.

Час публікації: 17 грудня 2025 р.