Pjovimas lazeriu yra technologija, kuri naudoja lazerį medžiagoms išgarinti, todėl nupjaunamas kraštas.Nors paprastai naudojamas pramoninės gamybos reikmėms, dabar jį naudoja mokyklos, mažos įmonės, architektūra ir mėgėjai.Pjovimas lazeriu veikia nukreipiant didelės galios lazerio išvestį dažniausiai per optiką.Lazerio optika ir CNC (kompiuterinis skaitmeninis valdymas) naudojami lazerio spinduliui nukreipti į medžiagą.Komercinis lazeris, skirtas medžiagoms pjauti, naudoja judesio valdymo sistemą, kad sektų CNC arba G kodą, kurį reikia pjauti ant medžiagos.Sufokusuotas lazerio spindulys nukreipiamas į medžiagą, kuri vėliau arba išsilydo, dega, išgaruoja arba nupučiama dujų srove[1], palikdama aukštos kokybės paviršiaus apdailą.
Istorija
1965 m. pirmoji gamybos lazerinė pjovimo mašina buvo naudojama skylėms išgręžti deimantiniuose štampelėse.Šią mašiną pagamino Vakarų elektros inžinerijos tyrimų centras.[3]1967 m. britai pradėjo metalų pjaustymą deguonies srove lazeriu.[4]Aštuntojo dešimtmečio pradžioje ši technologija buvo pradėta gaminti, siekiant pjaustyti titaną aviacijos ir kosmoso reikmėms.Tuo pačiu metu CO2 lazeriai buvo pritaikyti nemetalams, pavyzdžiui, tekstilei, pjaustyti, nes tuo metu CO2 lazeriai nebuvo pakankamai galingi, kad įveiktų metalų šilumos laidumą.[5]
Procesas
Pramoninis plieno pjovimas lazeriu su pjovimo instrukcijomis, užprogramuotomis per CNC sąsają
Lazerio spindulys paprastai fokusuojamas naudojant aukštos kokybės objektyvą darbo zonoje.Spindulio kokybė turi tiesioginės įtakos sufokusuoto taško dydžiui.Siauriausia sufokusuoto pluošto dalis paprastai yra mažesnė nei 0,0125 colio (0,32 mm) skersmens.Priklausomai nuo medžiagos storio, galimi net 0,004 colio (0,10 mm) pjūvio pločiai.[6]Kad būtų galima pradėti pjauti ne nuo krašto, prieš kiekvieną pjūvį daromas pradurimas.Auskarų vėrimas paprastai apima didelės galios impulsinį lazerio spindulį, kuris lėtai daro skylę medžiagoje, pavyzdžiui, 0,5 colio storio (13 mm) nerūdijančiam plienui užtrunka apie 5–15 sekundžių.
Lygiagretūs koherentinės šviesos spinduliai iš lazerio šaltinio dažnai būna 0,06–0,08 colio (1,5–2,0 mm) skersmens.Šis spindulys paprastai sufokusuojamas ir sustiprinamas objektyvu arba veidrodžiu iki labai mažos, maždaug 0,001 colio (0,025 mm) dėmės, kad būtų sukurtas labai intensyvus lazerio spindulys.Kad kontūro pjovimo metu būtų pasiekta kuo sklandesnė apdaila, pluošto poliarizacijos kryptis turi būti pasukta, kai ji eina aplink kontūrinio ruošinio periferiją.Pjaustant lakštinį metalą, židinio nuotolis paprastai yra 1,5–3 coliai (38–76 mm).[7]
Pjovimo lazeriu pranašumai, palyginti su mechaniniu pjovimu, yra lengvesnis darbo laikymas ir mažesnis ruošinio užterštumas (nes nėra pjovimo briaunos, kuri galėtų būti užteršta medžiaga arba užteršti medžiagą).Tikslumas gali būti geresnis, nes lazerio spindulys proceso metu nesusidėvi.Taip pat sumažėja tikimybė, kad pjaunama medžiaga deformuosis, nes lazerinės sistemos turi mažą šilumos poveikio zoną.[8]Kai kurias medžiagas taip pat labai sunku arba neįmanoma pjaustyti tradicinėmis priemonėmis.
Metalų pjovimo lazeriu pranašumai, palyginti su plazminiu pjovimu, yra tikslesni[9] ir sunaudojama mažiau energijos pjaustant lakštinį metalą;tačiau dauguma pramoninių lazerių negali perpjauti didesnio metalo storio, nei gali plazma.Naujesnės lazerinės mašinos, veikiančios didesne galia (6000 vatų, priešingai nei ankstyvųjų lazerinių pjovimo staklių 1500 vatų nominalai), artėja prie plazminių mašinų savo gebėjimu pjauti storas medžiagas, tačiau tokių mašinų kapitalo sąnaudos yra daug didesnės nei plazmos. pjovimo staklės, galinčios pjauti storas medžiagas, pvz., plieno plokštes.[10]
Tipai
4000 vatų CO2 lazerinis pjaustytuvas
Yra trys pagrindiniai lazerių tipai, naudojami pjovimui lazeriu.CO2 lazeris tinka pjovimui, gręžimui ir graviravimui.Neodimio (Nd) ir neodimio itrio-aliuminio-granato (Nd:YAG) lazeriai yra identiški savo stiliumi ir skiriasi tik pritaikymu.Nd naudojamas gręžimui ir ten, kur reikia daug energijos, bet mažai kartojimosi.Nd:YAG lazeris naudojamas ten, kur reikalinga labai didelė galia, gręžimui ir graviravimui.Suvirinimui gali būti naudojami ir CO2, ir Nd/Nd:YAG lazeriai.[11]
CO2 lazeriai dažniausiai „siurbiami“ praleidžiant srovę per dujų mišinį (sužadinamas nuolatinės srovės) arba naudojant radijo dažnio energiją (radijo dažnio sužadinimas).RF metodas yra naujesnis ir išpopuliarėjo.Kadangi nuolatinės srovės konstrukcijoms reikalingi elektrodai ertmės viduje, jie gali susidurti su elektrodų erozija ir elektrodų medžiagos padengimu ant stiklinių indų ir optikos.Kadangi RF rezonatoriai turi išorinius elektrodus, jie nėra linkę į šias problemas.CO2 lazeriai naudojami pramoniniam daugelio medžiagų, įskaitant titaną, nerūdijantį plieną, švelnųjį plieną, aliuminį, plastiką, medieną, dirbtinę medieną, vašką, audinius ir popierių, pjovimui.YAG lazeriai pirmiausia naudojami metalams ir keramikai pjauti ir raižyti.[12]
Be maitinimo šaltinio, dujų srauto tipas taip pat gali turėti įtakos veikimui.Įprasti CO2 lazerių variantai apima greitą ašinį srautą, lėtą ašinį srautą, skersinį srautą ir plokštę.Greito ašinio srauto rezonatoriuje anglies dioksido, helio ir azoto mišinys dideliu greičiu cirkuliuoja turbina arba pūstuvu.Skersinio srauto lazeriai cirkuliuoja dujų mišinį mažesniu greičiu, todėl reikia paprastesnio pūstuvo.Plokštelės arba difuzija aušinami rezonatoriai turi statinį dujų lauką, kuriam nereikia slėgio ar stiklo dirbinių, todėl sutaupoma keičiant turbinas ir stiklinius indus.
Lazerio generatorius ir išorinė optika (įskaitant fokusavimo objektyvą) reikalauja aušinimo.Priklausomai nuo sistemos dydžio ir konfigūracijos, atliekinė šiluma gali būti perduodama aušinimo skysčiu arba tiesiogiai į orą.Vanduo yra dažniausiai naudojamas aušinimo skystis, paprastai cirkuliuojamas per aušintuvą arba šilumos perdavimo sistemą.
lazerio mikrosrove yra vandens srove valdomas lazeris, kuriame impulsinis lazerio spindulys yra sujungtas su žemo slėgio vandens srove.Jis naudojamas pjovimo lazeriu funkcijoms atlikti, kai vandens srove nukreipiamas lazerio spindulys, panašiai kaip optinis pluoštas, per visą vidinį atspindį.To pranašumai yra tai, kad vanduo taip pat pašalina šiukšles ir atvėsina medžiagą.Papildomi pranašumai, palyginti su tradiciniu „sausu“ pjovimu lazeriu, yra didelis pjaustymo kubeliais greitis, lygiagretus įpjovimas ir įvairiakryptis pjovimas.[13]
Skaiduliniai lazeriai yra kietojo kūno lazerių tipas, sparčiai populiarėjantis metalo pjovimo pramonėje.Skirtingai nuo CO2, pluošto technologija naudoja kietą stiprinimo terpę, o ne dujas ar skystį.„Sėklinis lazeris“ sukuria lazerio spindulį, o tada sustiprinamas stiklo pluošte.Tik 1064 nanometrų bangos ilgio pluoštiniai lazeriai sukuria ypač mažą tašką (iki 100 kartų mažesnį, palyginti su CO2), todėl puikiai tinka pjaustyti atspindinčią metalinę medžiagą.Tai vienas iš pagrindinių Fiber pranašumų, palyginti su CO2[14].
Pluošto lazerinio pjaustytuvo pranašumai:
Greitas apdorojimo laikas.
Sumažėjęs energijos suvartojimas ir sąskaitos – dėl didesnio efektyvumo.
Didesnis patikimumas ir našumas – nereikia reguliuoti ar derinti optikos ir keisti lempų.
Minimali priežiūra.
Galimybė apdoroti labai atspindinčias medžiagas, tokias kaip varis ir žalvaris
Didesnis našumas – mažesnės veiklos sąnaudos suteikia didesnę investicijų grąžą.[15]
Metodai
Yra daug skirtingų pjovimo būdų naudojant lazerius, o skirtingoms medžiagoms pjaustyti naudojami skirtingi tipai.Kai kurie metodai yra garinimas, lydymas ir pūtimas, lydalo pūtimas ir deginimas, šiluminio įtempimo įtrūkimai, įbrėžimai, šaltasis pjovimas ir deginimas stabilizuotas lazeriu.
Garinimo pjovimas
Pjaunant išgarinant, sufokusuotas spindulys įkaitina medžiagos paviršių iki pliūpsnio taško ir sukuria rakto skylutę.Dėl rakto skylutės staigiai padidėja sugeriamumas, greitai pagilinant skylę.Kai skylė gilėja ir medžiaga verda, susidarę garai ardo išlydytas sienas, išpučiamas ir toliau didinant skylę.Šiuo metodu paprastai pjaunamos nelydančios medžiagos, tokios kaip mediena, anglis ir termoreaktingas plastikas.
Ištirpinkite ir išpūskite
Pjovimo lydymo ir pūtimo arba lydymo metu naudojamos aukšto slėgio dujos, kad išpūstos išlydytos medžiagos iš pjovimo srities, todėl energijos poreikis labai sumažėja.Pirmiausia medžiaga pašildoma iki lydymosi temperatūros, tada dujų srovė išpučia išlydytą medžiagą iš plyšio, išvengiant poreikio toliau kelti medžiagos temperatūrą.Medžiagos, supjaustytos šiuo procesu, dažniausiai yra metalai.
Šiluminio įtempio įtrūkimai
Trapios medžiagos yra ypač jautrios šiluminiam lūžimui – ši savybė naudojama trūkinėjant šiluminiam įtempimui.Spindulys sufokusuojamas į paviršių, sukeliantis vietinį įkaitimą ir šiluminį plėtimąsi.Dėl to susidaro įtrūkimas, kuris gali būti nukreiptas judant siją.Plyšys gali būti judinamas m/s tvarka.Paprastai jis naudojamas pjaustant stiklą.
Slaptas silicio plokštelių pjaustymas
Daugiau informacijos: Vaflių pjaustymas
Mikroelektroninių lustų, paruoštų puslaidininkinių prietaisų gamyboje, atskyrimas nuo silicio plokštelių gali būti atliekamas vadinamuoju slaptu pjaustymo kauliukais procesu, kuris veikia impulsiniu Nd:YAG lazeriu, kurio bangos ilgis (1064 nm) yra gerai pritaikytas elektroninei. silicio juostos tarpas (1,11 eV arba 1117 nm).
Reaktyvus pjovimas
Taip pat vadinamas „degančiu stabilizuotu lazeriniu pjovimu dujomis“, „pjovimu liepsna“.Reaktyvusis pjovimas yra kaip pjovimas deguonies degikliu, tačiau užsidegimo šaltinis yra lazerio spindulys.Dažniausiai naudojamas pjaustyti anglinį plieną, kurio storis didesnis nei 1 mm.Šis procesas gali būti naudojamas pjaustyti labai storas plienines plokštes su palyginti maža lazerio galia.
Tolerancijos ir paviršiaus apdaila
Lazerinių pjaustytuvų padėties nustatymo tikslumas yra 10 mikrometrų, o pakartojamumas - 5 mikrometrai.[Reikia citatos]
Standartinis šiurkštumas Rz didėja didėjant lakšto storiui, bet mažėja esant lazerio galiai ir pjovimo greičiui.Pjaunant mažai anglies dioksido turintį plieną, kurio lazerio galia yra 800 W, standartinis šiurkštumas Rz yra 10 μm, kai lakšto storis 1 mm, 20 μm, kai lakšto storis 3 mm, ir 25 μm, kai lakšto storis 6 mm.
{\displaystyle Rz={\frac {12.528\cdot S^{0.542}}{P^{0.528}\cdot V^{0.322}}}}{\displaystyle Rz={\frac {12.528\cdot S^{0.542 }}{P^{0.528}\cdot V^{0.322}}}}
Kur: {\displaystyle S=}S = plieno lakšto storis mm;{\displaystyle P=}P = lazerio galia kW (kai kurių naujų lazerinių pjaustytuvų lazerio galia yra 4 kW);{\displaystyle V=}V = pjovimo greitis metrais per minutę.[16]
Šis procesas gali išlaikyti gana mažus leistinus nuokrypius, dažnai iki 0,001 colio (0,025 mm).Dalies geometrija ir mašinos mechaninis patikimumas yra labai susiję su tolerancijos galimybėmis.Įprasta paviršiaus apdaila, gaunama pjovus lazerio spinduliu, gali svyruoti nuo 125 iki 250 mikrocolių (0,003 mm iki 0,006 mm).[11]
Mašinų konfigūracijos
Dviejų padėklų skraidantis optinis lazeris
Skraidančios optikos lazerio galvutė
Paprastai yra trys skirtingos pramoninių lazerinių pjovimo staklių konfigūracijos: judančios medžiagos, hibridinės ir skraidančios optikos sistemos.Tai reiškia, kaip lazerio spindulys perkeliamas virš pjaustomos arba apdorojamos medžiagos.Visoms joms judėjimo ašys paprastai žymimos X ir Y ašimis.Jei pjovimo galvutę galima valdyti, ji žymima kaip Z ašis.
Judančių medžiagų lazeriai turi stacionarią pjovimo galvutę ir perkelia medžiagą po ja.Šis metodas užtikrina pastovų atstumą nuo lazerio generatoriaus iki ruošinio ir vieną tašką, iš kurio pašalinamos pjovimo nuotekos.Tam reikia mažiau optikos, bet reikia perkelti ruošinį.Šis aparatas turi mažiausiai spindulių perdavimo optikos, bet taip pat yra lėčiausias.
Hibridiniai lazeriai sudaro stalą, kuris juda viena ašimi (dažniausiai X ašimi), o galva juda išilgai trumpesnės (Y) ašies.Dėl to pluošto tiekimo kelio ilgis yra pastovesnis nei skraidančio optinio įrenginio ir gali būti paprastesnė pluošto tiekimo sistema.Dėl to gali sumažėti tiekimo sistemos galios praradimas ir didesnė galia vienam vatui nei skraidančios optikos mašinos.
Skraidantys optiniai lazeriai turi stacionarų stalą ir pjovimo galvutę (su lazerio spinduliu), kuri juda ant ruošinio abiem horizontaliais matmenimis.Skraidančios optikos pjaustytuvai apdirbimo metu nejuda ruošinį ir dažnai nereikalauja medžiagos tvirtinimo.Judanti masė yra pastovi, todėl kintantis ruošinio dydis neturi įtakos dinamikai.Skraidančios optikos mašinos yra greičiausias tipas, o tai naudinga pjaunant plonesnius ruošinius.[17]
Skraidančios optinės mašinos turi naudoti tam tikrą metodą, kad būtų atsižvelgta į besikeičiantį spindulio ilgį nuo artimojo lauko (arti rezonatoriaus) iki tolimojo lauko (toli nuo rezonatoriaus) pjovimo.Įprasti to valdymo metodai yra kolimacija, adaptyvioji optika arba pastovaus pluošto ilgio ašies naudojimas.
Penkių ir šešių ašių staklės taip pat leidžia pjauti suformuotus ruošinius.Be to, yra įvairių būdų, kaip nukreipti lazerio spindulį į suformuotą ruošinį, išlaikyti tinkamą fokusavimo atstumą ir purkštukų atotrūkį ir kt.
Pulsuojantis
Impulsiniai lazeriai, kurie trumpą laiką suteikia didelės galios energijos pliūpsnį, yra labai veiksmingi atliekant kai kuriuos lazerio pjovimo procesus, ypač kai reikia pradurti, arba kai reikia labai mažų skylių arba labai mažo pjovimo greičio, nes jei būtų naudojamas pastovus lazerio spindulys, karštis gali pasiekti tiek, kad ištirps visas pjaunamas gabalas.
Dauguma pramoninių lazerių turi galimybę pulsuoti arba pjauti CW (nepertraukiamą bangą) pagal NC (skaitmeninio valdymo) programą.
Dvigubo impulso lazeriai naudoja impulsų porų seriją, kad pagerintų medžiagos pašalinimo greitį ir skylės kokybę.Iš esmės pirmasis impulsas pašalina medžiagą nuo paviršiaus, o antrasis neleidžia išmetamajai medžiagai prilipti prie skylės ar pjūvio šono.[18]
Paskelbimo laikas: 2022-06-16