Lazerinio pjovimo pagrindai ir jo apdorojimo sistema —Lazerinio pjovimo įranga

II. Lazerinio pjovimo įrangos sudėtis

2.1 Lazerinio pjovimo staklių komponentai ir veikimo principas

Lazerinio pjovimo staklę sudaro lazerio spinduliuotės šaltinis, pjovimo galvutė, spindulio perdavimo mazgas, staklių darbastalis, skaitmeninio valdymo (NC) sistema, kompiuteris (aparatinė ir programinė įranga), aušintuvas, apsauginių dujų balionas, dulkių surinktuvas ir oro džiovintuvas.

Lazerinis generatorius

Lazerinis generatorius yra įrenginys, kuris sukuria lazerio šviesos šaltinius. Lazerinio pjovimo reikmėms dauguma mašinų naudoja CO₂ dujų lazerius, kurie pasižymi dideliu elektrooptinio konversijos efektyvumu ir didele galia, išskyrus kelis atvejus, kai naudojami YAG kietojo kūno lazeriai. Ne visi lazeriai tinka pjovimui, nes lazeriniam pjovimui keliami griežti spindulio kokybės reikalavimai.
Pjovimo galvutė

Jį daugiausia sudaro tokie komponentai kaip antgalis, fokusavimo lęšis ir fokusavimo sekimo sistema.

Pjovimo galvutės pavaros įtaisas naudojamas pjovimo galvutei varyti, kad ji judėtų Z ašimi pagal iš anksto nustatytas programas. Jį sudaro servo variklis ir transmisijos dalys, pvz., švininiai varžtai arba krumpliaračiai.

(1) Antgalis: Yra trys pagrindiniai antgalių tipai: lygiagretusis, konvergentinis ir kūginis.

(2) Fokusavimo lęšis: norint atlikti pjovimą naudojant lazerio spindulio energiją, lazerio skleidžiamas originalus spindulys turi būti sufokusuotas per lęšį, kad susidarytų didelio energijos tankio šviesos taškas. Vidutinio ir ilgo židinio nuotolio lęšiai tinka storoms plokštėms pjauti ir jiems keliami mažesni reikalavimai sekimo sistemos atstumo stabilumui. Trumpo židinio nuotolio lęšiai tinka tik plonoms, mažesnėms nei 3 mm, plokštėms pjauti; jiems keliami griežti reikalavimai sekimo sistemos atstumo stabilumui, tačiau jie gali žymiai sumažinti reikiamą lazerio išėjimo galią.

(3) Sekimo sistema: lazerinio pjovimo staklės fokusavimo sekimo sistemą paprastai sudaro fokusavimo pjovimo galvutė ir sekimo jutiklių sistema. Pjovimo galvutė atlieka spindulio nukreipimo ir fokusavimo, vandens aušinimo, dujų pūtimo ir mechaninio reguliavimo funkcijas.

Jutiklį sudaro jutimo elementai ir stiprinimo valdymo blokas. Sekimo sistemos labai skiriasi priklausomai nuo jutimo elementų tipo. Yra du pagrindiniai tipai: talpinė jutiklio sekimo sistema, dar vadinama bekontakčiu sekimo sistema; indukcinė jutiklio sekimo sistema, dar vadinama kontaktiniu sekimo sistema.
Spindulio perdavimo mazgas

Išorinis optinis kelias: Atspindintys veidrodžiai naudojami lazerio spinduliui nukreipti norima kryptimi. Siekiant išvengti spindulio kelio sutrikimų, visi atspindintys veidrodžiai yra apsaugoti skydais, o siekiant apsaugoti veidrodžius nuo užteršimo, į juos įvedamos švarios teigiamo slėgio apsauginės dujos. Didelio našumo lęšis gali sufokusuoti nedivergentinį spindulį į be galo mažą tašką. Dažniausiai naudojamas lęšis su 5,0 colio židinio nuotoliu, o 7,5 colio lęšis tinka tik pjauti medžiagas, storesnes nei 12 mm.
Staklių darbo stalas

Pagrindinis staklių korpusas: staklių dalislazerinio pjovimo staklėsyra mechaninė dalis, kuri realizuoja X, Y ir Z ašių judėjimą, įskaitant pjovimo darbo platformą.
Skaitmeninio valdymo sistema

NC sistema valdo stakles, kad būtų pasiekti X, Y ir Z ašių judesiai, ir tuo pačiu metu reguliuoja lazerio išėjimo galią.
Aušinimo sistema

Aušinimo įrenginys: Jis naudojamas lazerio generatoriui aušinti. Lazeris yra įrenginys, kuris elektros energiją paverčia šviesos energija. Pavyzdžiui, CO₂ dujų lazerio konversijos efektyvumas paprastai yra 20 %, o likusi energija paverčiama šiluma. Aušinimo vanduo pašalina šilumos perteklių, kad būtų palaikomas normalus lazerio generatoriaus veikimas. Aušinimo įrenginys taip pat aušina išorinius optinio kelio veidrodėlius ir fokusavimo lęšius, užtikrindamas stabilią spindulio perdavimo kokybę ir veiksmingai apsaugodamas lęšius nuo deformacijos ar įtrūkimų dėl perkaitimo.
Dujų balionai

Dujų balionai apima darbinės terpės balionus ir pagalbinius dujų balionus lazerinio pjovimo staklėms, kurie naudojami kaip pramoninių dujų papildymas lazerio osciliacijai ir pagalbinių dujų tiekimas pjovimo galvutei.
Dulkių šalinimo sistema

Jis ištraukia apdorojimo metu susidariusius dūmus ir dulkes bei atlieka filtravimą, kad išmetamųjų dujų emisija atitiktų aplinkos apsaugos standartus.
Oro aušinimo džiovintuvas ir filtras

Jis tiekia švarų, sausą orą lazerio generatoriui ir spindulio keliui, palaikydamas normalų spindulio kelio ir atspindinčių veidrodžių veikimą.

2.2 Pjovimo degiklis lazeriniam pjovimui

Žemiau pateikta lazerinio pjovimo degiklio struktūrinė schema. Ją daugiausia sudaro degiklio korpusas, fokusavimo lęšis, atspindintis veidrodis ir pagalbinis dujų antgalis. Pjaunant lazeriu, pjovimo degiklis turi atitikti šiuos reikalavimus:

① Degiklis gali išstumti pakankamą dujų srautą.

② Dujų išmetimo kryptis degiklio viduje turi būti bendraašė atspindinčio veidrodžio optinei ašiai.

③ Žibintuvėlio židinio nuotolį galima lengvai reguliuoti.

④ Pjovimo metu metalo garai ir purslai nuo pjaustomo metalo neturi pažeisti atspindinčio veidrodžio.

Pjovimo degiklio judėjimą reguliuoja NC judesio sistema. Yra trys santykinio judėjimo tarp pjovimo degiklio ir ruošinio scenarijai:

① Degiklis nejuda, kol ruošinys juda per darbastalį – daugiausia tinka mažiems ruošiniams.

② Degiklis juda ir ruošinys nejuda.

③ Degiklis ir darbastalis juda vienu metu.

2.2.1 Pjovimo galvutė

Lazerinio pjovimo galvutė yra spindulio perdavimo sistemos gale ir susideda iš fokusavimo lęšio bei pjovimo antgalio.

Fokusavimo lęšiai daugiausia klasifikuojami pagal židinio nuotolį. Dauguma lazerinio pjovimo įrangos turi kelias pjovimo galvutes su skirtingais židinio nuotoliais. Pavyzdžiui, pjaustant CO₂ lazeriu, dažniausiai naudojami židinio nuotoliai yra 127 mm (5 coliai) ir 190 mm (7,5 colio). Trumpo židinio nuotolio lęšis sukuria mažą židinio dėmę ir trumpą židinio gylį, o tai padeda sumažinti pjūvio plotį ir atlikti tikslesnius pjūvius. Ilgo židinio nuotolio lęšis suteikia didesnę židinio dėmę ir ilgesnį židinio gylį. Palyginti su trumpo židinio nuotolio lęšiais, ilgo židinio nuotolio lęšiai gali skleisti sufokusuotą spindulį, kurio lazerio energijos tankis yra pakankamas medžiagai apdirbti šalia židinio taško. Todėl trumpo židinio nuotolio lęšiai dažniausiai naudojami plonų plokščių tiksliam pjovimui, o ilgo židinio nuotolio lęšiai reikalingi storesnėms medžiagoms, kad būtų pasiektas pakankamas židinio gylis, užtikrinant minimalų dėmės skersmens kitimą ir pakankamą galios tankį pjovimo storio diapazone.

Fokusavimo lęšiai naudojami lygiagrečiam lazerio spinduliui, krintančiam į pjovimo degiklį, sufokusuoti, taip pasiekiant mažesnį taško dydį ir didesnį galios tankį. Lęšiai pagaminti iš medžiagų, kurios gali praleisti lazerio bangos ilgį. Kietojo kūno lazeriuose dažniausiai naudojamas optinis stiklas, o CO₂ dujų lazeriuose (nes įprastas stiklas nėra skaidrus CO₂ lazerio spinduliams) naudojamos tokios medžiagos kaip ZnSe, GaAs ir Ge, iš kurių plačiausiai naudojamas ZnSe.

Pjaunant lazeriu, pageidautina sumažinti židinio taško skersmenį, kad padidėtų galios tankis ir būtų galima pjauti dideliu greičiu. Tačiau trumpesnis objektyvo židinio nuotolis lemia mažesnį židinio gylį, todėl pjaunant storas plokštes sunku pasiekti statmeną pjovimo paviršių. Be to, trumpesnis židinio nuotolis sumažina atstumą tarp objektyvo ir ruošinio, todėl padidėja rizika, kad pjovimo metu objektyvas bus užterštas išsilydžiusiomis dalelėmis ir tai turės įtakos įprastam darbui. Todėl tinkamas židinio nuotolis turėtų būti nustatomas išsamiai, atsižvelgiant į tokius veiksnius kaip pjovimo storis ir pjovimo kokybės reikalavimai.

2.2.2 Atspindintis veidrodis

Atspindinčiojo veidrodžio funkcija – keisti lazerio skleidžiamo spindulio kryptį. Kietojo kūno lazerių spinduliams gali būti naudojami iš optinio stiklo pagaminti atspindintys veidrodžiai. Tuo tarpu CO₂ dujų lazerinio pjovimo įrenginiuose naudojami atspindintys veidrodžiai paprastai gaminami iš vario arba metalų, pasižyminčių dideliu atspindžiu. Siekiant išvengti žalos, kurią sukelia lazerio spinduliuotės perkaitimas veikimo metu, atspindintys veidrodžiai paprastai aušinami vandeniu.

2.2.3 Antgalis

Antgalis naudojamas pagalbinėms dujoms purkšti į pjovimo zoną, o jo konstrukcija turi tam tikrą įtaką pjovimo efektyvumui ir kokybei. 4.11 paveiksle parodytos įprastos lazerinio pjovimo antgalių formos; antgalių angų formos yra cilindrinės, kūginės ir konverguojančios-diverguojančios.

Antgalio pasirinkimas paprastai nustatomas atliekant bandymus, pagrįstus ruošinio medžiaga ir storiu bei pagalbinių dujų slėgiu. Lazeriniam pjovimui paprastai naudojami bendraašiai antgaliai (kai dujų srautas yra bendraašis su optine ašimi). Jei dujų srautas ir lazerio spindulys nėra bendraašiai, pjovimo metu gali būti per didelis taškymasis. Antgalio angos vidinė sienelė turi būti lygi, kad būtų užtikrintas netrukdomas dujų srautas ir išvengta turbulencijos, galinčios paveikti pjūvio kokybę. Siekiant užtikrinti pjovimo stabilumą, atstumas tarp antgalio galo ir ruošinio paviršiaus turėtų būti kuo mažesnis, paprastai svyruojantis nuo 0,5 mm iki 2,0 mm. Antgalio angos skersmuo turi leisti lazerio spinduliui sklandžiai praeiti, neleisdamas spinduliui liesti vidinės angos sienelės. Kuo mažesnis angos skersmuo, tuo sunkiau jį kolimuoti. Esant tam tikram pagalbinių dujų slėgiui, yra optimalus antgalio angos skersmenų diapazonas. Pernelyg maža arba didelė anga trukdys pašalinti išlydytus produktus iš pjūvio ir turės įtakos pjovimo greičiui.

Antgalio angos skersmens įtaka pjovimo greičiui esant fiksuotai lazerio galiai ir pagalbinių dujų slėgiui parodyta 4.12 ir 4.13 paveiksluose. Matyti, kad yra optimalus antgalio angos skersmuo, užtikrinantis maksimalų pjovimo greitį. Ši optimali vertė yra maždaug 1,5 mm, nepriklausomai nuo to, ar kaip pagalbinės dujos naudojamas deguonis, ar argonas.

Kietųjų lydinių (kuriuos sunku pjauti) lazerinio pjovimo bandymai rodo, kad optimalus antgalio angos skersmuo yra labai artimas aukščiau pateiktiems rezultatams, kaip parodyta 4.14 paveiksle. Antgalio angos skersmuo taip pat turi įtakos pjūvio pločiui ir karščio paveiktos zonos (HAZ) pločiui. Kaip parodyta 4.15 paveiksle, didėjant antgalio angos skersmeniui, pjūvio plotis didėja, o HAZ plotis siaurėja. Pagrindinė HAZ susiaurėjimo priežastis yra padidėjęs pagalbinių dujų srauto aušinimo poveikis pagrindinei medžiagai pjovimo zonoje.

2.3 Lazerinio pjovimo įrangos parametrai

2.3.1 Degiklio varoma pjovimo įranga

Degiklio varomoje pjovimo įrangoje pjovimo degiklis sumontuotas ant judančio platformos ir horizontaliai juda platformos sija (Y ašis). Platforma varo degiklį, kad jis judėtų X ašimi, o ruošinys yra pritvirtintas prie darbastalio. Kadangi lazeris ir pjovimo degiklis yra išdėstyti atskirai, pjovimo proceso metu paveikiamos lazerio perdavimo charakteristikos, lygiagretumas spindulio skenavimo kryptimi ir atspindinčių veidrodžių stabilumas.

Degiklio varoma pjovimo įranga gali apdirbti didelius ruošinius. Ji užima santykinai nedidelį pjovimo gamybos zonos plotą ir gali būti lengvai integruojama su kita įranga, kad būtų suformuota gamybos linija. Tačiau jos padėties nustatymo tikslumas yra tik ±0,04 mm.

Tipinė degikliu varomos pjovimo įrangos konstrukcija parodyta 4.19 paveiksle. Naudojama nuolatinės bangos CO₂ lazerinio pjovimo mašina, kurios atstumas nuo lazerio iki pjovimo degiklio yra 18 m. Siekiant užtikrinti, kad spindulio skersmens pokytis per šį perdavimo atstumą netrukdytų pjovimo operacijoms, osciliatorių veidrodžių derinys turi būti kruopščiai suprojektuotas.

Pagrindiniai degikliu varomos pjovimo įrangos techniniai parametrai yra šie:

Lazerio išėjimo galia: 1,5 kW (vienmodis), 3 kW (daugiamodis)
Degiklio eiga: X ašis 6,2 m, Y ašis 2,6 m
Važiavimo greitis: 0–10 m/min (reguliuojamas)
Degiklio Z ašies slankiojančioji eiga: 150 mm
Degiklio Z ašies reguliavimo greitis: 300 mm/min
Didžiausias apdoroto plieno lakšto dydis: 12 mm × 2400 mm × 6000 mm
Valdymo sistema: integruotas NC valdymo režimas

2.3.2 XY stalo varoma pjovimo įranga

XY stalo varomoje pjovimo įrangoje pjovimo degiklis pritvirtinamas prie rėmo, o ruošinys dedamas ant pjovimo stalo. Pjovimo stalas juda X ir Y ašimis pagal NC komandas, o reguliuojamas važiavimo greitis paprastai svyruoja nuo 0 iki 1 m/min. arba nuo 0 iki 5 m/min. Kadangi pjovimo degiklis nejuda ruošinio atžvilgiu, pjovimo proceso metu jis sumažina lazerio spindulio lygiavimo ir centravimo poveikį, užtikrindamas tolygų ir stabilų pjovimo našumą. Įrengus nedidelį, didelio mechaninio tikslumo pjovimo stalą, staklės pasiekia ±0,01 mm padėties nustatymo tikslumą.puikus pjovimo tikslumas, todėl jis ypač tinka tiksliam mažų komponentų pjovimui. Be to, didelių gabaritų ruošiniams apdirbti galima įsigyti didesnius pjovimo stalus, kurių X ašies eiga yra 2300–2400 mm, o Y ašies eiga – 1200–1300 mm.

Pagrindiniai XY stalo pjovimo įrangos techniniai parametrai yra šie:

Lazerio šaltinis: CO₂ dujų lazeris (pusiau uždaras tiesaus vamzdelio tipas)
Lazerio maitinimo šaltinis: įėjimo įtampa 200 V kintamoji srovė; išėjimo įtampa 0–30 kV; maksimali išėjimo srovė 100 mA
Lazerio išėjimo galia: 550 W
Pjovimo stalo eiga: X ašis 2300 mm, Y ašis 1300 mm
Pjovimo stalo judėjimo greitis (reguliuojamas pakopomis): 0,4–5,0 m/min., 0,2–2,5 m/min., 0,1–1,3 m/min., 0,05–0,6 m/min.
Degiklio Z ašies slankiojančioji eiga: 180 mm
Didžiausias apdirbamos plokštės dydis: 6 mm × 1300 mm × 2300 mm
Valdymo sistema: skaitmeninio valdymo (NC) režimas

2.3.3 Dvigubos pavaros pjovimo įranga (degiklis ir stalas)

Dvigubos pavaros pjovimo įranga (degiklis ir stalas) savo konstrukcija yra tarp degiklio varomų ir XY stalo varomų pjovimo mašinų. Pjovimo degiklis sumontuotas ant platformos ir juda horizontaliai išilgai platformos sijos (Y ašis), o pjovimo stalas yra varomas išilgai. Ši hibridinė konstrukcija sujungia didelio pjovimo tikslumo ir vietos taupymo efektyvumo privalumus. Dėl ±0,01 mm padėties nustatymo tikslumo ir reguliuojamo pjovimo greičio diapazono nuo 0 iki 20 m/min., tai yra viena iš plačiausiai naudojamų pjovimo mašinų rinkoje. Didesni šios mašinos modeliai siūlo 2000 mm Y ašies eigą ir 6000 mm X ašies eigą, todėl galima pjauti didelius ruošinius.

Lazerinis osciliatorius sumontuotas ant platformos šalia pjovimo degiklio. Ši konfigūracija užtikrina išskirtinį tikslumą pjaunant apskritas skyles. Mašina taip pat pasižymi dideliu gamybos efektyvumu: ji gali išpjauti 46 apskritas skyles (10 mm skersmens) per minutę 1 mm storio plieninėje plokštėje.

2.3.4 Integruota pjovimo įranga

Įintegruota pjovimo mašina, lazerio šaltinis yra sumontuotas ant rėmo ir juda išilgai kartu su juo, o pjovimo degiklis yra integruotas su savo pavaros mechanizmu, kad galėtų judėti horizontaliai išilgai rėmo spindulio. Mašina naudoja skaitmeninį valdymą įvairių formų komponentams pjauti. Siekiant kompensuoti optinio kelio ilgio pokyčius, kuriuos sukelia horizontalus pjovimo degiklio judėjimas, paprastai įrengiamas optinio kelio ilgio reguliavimo modulis. Šis modulis užtikrina homogeninį lazerio spindulį pjovimo zonoje ir palaiko pastovią pjovimo paviršiaus kokybę.

Įrašo laikas: 2025 m. gruodžio 17 d.

Lazerinio pjovimo pagrindai ir jo apdorojimo sistema — lazerinio pjovimo įranga