Увођење ласерског сечења

Ласерско сечење је технологија која користи ласер за испаравање материјала, што резултира резом ивице.Иако се обично користи за индустријске производне апликације, сада га користе школе, мала предузећа, архитектура и хобисти.Ласерско сечење ради усмеравањем излаза ласера ​​велике снаге најчешће кроз оптику.Ласерска оптика и ЦНЦ (компјутерска нумеричка контрола) се користе за усмеравање ласерског зрака на материјал.Комерцијални ласер за сечење материјала користи систем контроле покрета да прати ЦНЦ или Г-код узорка који се исече на материјал.Фокусирани ласерски зрак се усмерава на материјал, који се затим или топи, сагорева, испарава или га одува млаз гаса, [1] остављајући ивицу са висококвалитетном завршном обрадом површине

Историја
Године 1965, прва производна машина за ласерско сечење је коришћена за бушење рупа у дијамантским калупима.Ову машину је направио Вестерн Елецтриц Енгинееринг Ресеарцх Центер.[3]Британци су 1967. године пионири ласерски потпомогнуто резање метала млазом кисеоника.[4]Почетком 1970-их, ова технологија је пуштена у производњу за резање титанијума за употребу у ваздухопловству.Истовремено, ЦО2 ласери су прилагођени за сечење неметала, као што је текстил, јер у то време ЦО2 ласери нису били довољно снажни да превазиђу топлотну проводљивост метала.[5]

Процес

Индустријско ласерско сечење челика са упутствима за сечење програмираним преко ЦНЦ интерфејса
Ласерски зрак се углавном фокусира помоћу висококвалитетног сочива на радну зону.Квалитет зрака има директан утицај на величину фокусиране тачке.Најужи део фокусираног зрака је углавном мањи од 0,0125 инча (0,32 мм) у пречнику.У зависности од дебљине материјала, могуће су ширине реза од 0,004 инча (0,10 мм).[6]Да бисте могли да почнете да сечете негде другде осим ивице, пре сваког реза се ради пирсинг.Пирсинг обично укључује пулсни ласерски сноп велике снаге који полако прави рупу у материјалу, на пример, за око 5-15 секунди за нерђајући челик дебљине 0,5 инча (13 мм).

Паралелни зраци кохерентне светлости из ласерског извора често падају у опсегу између 0,06–0,08 инча (1,5–2,0 мм) у пречнику.Овај сноп се нормално фокусира и појачава помоћу сочива или огледала до веома мале тачке од око 0,001 инча (0,025 мм) да би се створио веома интензиван ласерски зрак.Да би се постигла што глаткија завршна обрада током контурног резања, правац поларизације зрака мора се ротирати док иде око периферије контурног радног комада.За сечење лима, жижна даљина је обично 1,5–3 инча (38–76 мм).[7]

Предности ласерског сечења у односу на механичко су лакше држање рада и смањена контаминација радног комада (пошто не постоји резна ивица која може бити контаминирана материјалом или контаминирати материјал).Прецизност може бити боља, јер се ласерски зрак не троши током процеса.Такође је смањена шанса за савијање материјала који се сече, пошто ласерски системи имају малу зону топлотног утицаја.[8]Неке материјале је такође веома тешко или немогуће сећи традиционалнијим средствима.

Ласерско сечење метала има предности у односу на плазма сечење што је прецизније[9] и коришћење мање енергије приликом сечења лима;међутим, већина индустријских ласера ​​не може да пресече већу дебљину метала коју може плазма.Новије ласерске машине које раде са већом снагом (6000 вати, за разлику од раних машина за ласерско сечење од 1500 вати) приближавају се плазма машинама у својој способности да секу кроз дебеле материјале, али капитални трошкови таквих машина су много већи од оних за плазму машине за сечење способне да секу дебеле материјале као што је челична плоча.[10]

Врсте

4000 вати ЦО2 ласерски резач
Постоје три главна типа ласера ​​који се користе у ласерском резању.ЦО2 ласер је погодан за сечење, бушење и гравирање.Неодимијум (Нд) и неодимијум итријум-алуминијум-гранат (Нд:ИАГ) ласери су идентични по стилу и разликују се само по примени.Нд се користи за бушење и где је потребна велика енергија, али мало понављања.Нд:ИАГ ласер се користи тамо где је потребна велика снага и за бушење и гравирање.И ЦО2 и Нд/Нд:ИАГ ласери се могу користити за заваривање.[11]

ЦО2 ласери се обично „пумпају“ пропуштањем струје кроз мешавину гаса (побуђени ДЦ) или коришћењем енергије радио фреквенције (побуђени РФ).РФ метода је новија и постала је популарнија.Пошто ДЦ дизајни захтевају електроде унутар шупљине, они могу наићи на ерозију електрода и облагање материјала електроде на стакленом посуђу и оптици.Пошто РФ резонатори имају спољне електроде, они нису склони тим проблемима.ЦО2 ласери се користе за индустријско сечење многих материјала укључујући титанијум, нерђајући челик, меки челик, алуминијум, пластику, дрво, конструисано дрво, восак, тканине и папир.ИАГ ласери се првенствено користе за сечење и урезивање метала и керамике.[12]

Поред извора напајања, на перформансе може утицати и врста протока гаса.Уобичајене варијанте ЦО2 ласера ​​укључују брзи аксијални ток, спори аксијални ток, попречни ток и плочу.У резонатору са брзим аксијалним протоком, мешавина угљен-диоксида, хелијума и азота циркулише великом брзином помоћу турбине или вентилатора.Ласери са попречним протоком циркулишу мешавину гаса нижом брзином, што захтева једноставнији вентилатор.Резонатори хлађени плочама или дифузијом имају статичко гасно поље које не захтева притисак или стаклено посуђе, што доводи до уштеде на заменским турбинама и стакленом посуђу.

Ласерски генератор и спољна оптика (укључујући фокусно сочиво) захтевају хлађење.У зависности од величине и конфигурације система, отпадна топлота се може пренети расхладном течношћу или директно у ваздух.Вода је уобичајено коришћена расхладна течност, која обично циркулише кроз расхладни уређај или систем за пренос топлоте.

ласерски микроџет је ласерски вођен воденим млазом у коме је импулсни ласерски сноп спојен у водени млаз ниског притиска.Ово се користи за обављање функција ласерског сечења док се водени млаз користи за вођење ласерског зрака, слично као оптичко влакно, кроз потпуну унутрашњу рефлексију.Предности овога су да вода такође уклања остатке и хлади материјал.Додатне предности у односу на традиционално „суво“ ласерско сечење су велике брзине коцкања, паралелно сечење и сечење у свим смеровима.[13]

Фибер ласери су врста ласера ​​у чврстом стању који брзо расте у индустрији сечења метала.За разлику од ЦО2, технологија влакана користи чврсти медијум за појачање, за разлику од гаса или течности.„Ласер за семе“ производи ласерски сноп и затим се појачава унутар стакленог влакна.Са таласном дужином од само 1064 нанометра, ласери са влакнима производе изузетно малу величину тачке (до 100 пута мању у поређењу са ЦО2) што га чини идеалним за сечење рефлектујућих металних материјала.Ово је једна од главних предности влакана у поређењу са ЦО2.[14]

Предности ласерског резача са влакнима укључују: -

Брзо време обраде.
Смањена потрошња енергије и рачуни – због веће ефикасности.
Већа поузданост и перформансе – нема оптике за подешавање или поравнање и нема лампе за замену.
Минимално одржавање.
Способност обраде високо рефлектујућих материјала као што су бакар и месинг
Већа продуктивност – нижи оперативни трошкови нуде већи поврат ваше инвестиције.[15]

Методе
Постоји много различитих метода у резању помоћу ласера, са различитим типовима који се користе за сечење различитих материјала.Неке од метода су вапоризација, топљење и издувавање, топљење и сагоревање, пуцање под термичким стресом, сцрибинг, хладно сечење и сагоревање стабилизовано ласерско сечење.

Вапоризационо сечење
Приликом испаравања, фокусирани сноп загрева површину материјала до тачке паљења и ствара кључаоницу.Кључаоница доводи до наглог повећања апсорпције и брзо продубљује рупу.Како се рупа продубљује и материјал кључа, створена пара еродира растопљене зидове који избијају и даље повећавају рупу.Овим методом се обично сече материјали који се не топи као што су дрво, угљеник и термореактивна пластика.
Растопите и дувајте
Сечење топљењем и дувањем или фузионом сечењем користи гас под високим притиском за издувавање растопљеног материјала из области сечења, што значајно смањује потребу за снагом.Прво се материјал загрева до тачке топљења, а затим гасни млаз издувава растопљени материјал из утора избегавајући потребу за даљим подизањем температуре материјала.Материјали сечени овим поступком су обично метали.

Пуцање под термичким стресом
Крхки материјали су посебно осетљиви на термички лом, што је карактеристика која се користи код пуцања услед термичког напрезања.Зрака је фокусирана на површину изазивајући локализовано загревање и топлотно ширење.Ово доводи до пукотине која се затим може водити померањем греде.Пукотина се може померати редоследом м/с.Обично се користи за сечење стакла.

Стеалтх коцкице силицијумских плочица
Додатне информације: Резање вафла
Одвајање микроелектронских чипова припремљених у производњи полупроводничких уређаја од силицијумских плочица може се извршити такозваним процесом стеалтх коцкања, који ради са импулсним Нд:ИАГ ласером, чија је таласна дужина (1064 нм) добро прилагођена електронском појас силицијума (1,11 еВ или 1117 нм).

Реактивно сечење
Такође се назива „сагоревање стабилизованог ласерског гасног сечења“, „сечење пламеном“.Реактивно сечење је као сечење кисеоником, али са ласерским снопом као извором паљења.Углавном се користи за сечење угљеничног челика у дебљинама преко 1 мм.Овај процес се може користити за сечење веома дебелих челичних плоча са релативно малом снагом ласера.

Толеранције и завршна обрада површине
Ласерски секачи имају тачност позиционирања од 10 микрометара и поновљивост од 5 микрометара.

Стандардна храпавост Рз се повећава са дебљином лима, али опада са снагом ласера ​​и брзином сечења.Приликом сечења нискоугљеничног челика са снагом ласера ​​од 800 В, стандардна храпавост Рз је 10 μм за дебљину лима од 1 мм, 20 μм за 3 мм и 25 μм за 6 мм.

{\дисплаистиле Рз={\фрац {12.528\цдот С^{0.542}}{П^{0.528}\цдот В^{0.322}}}}{\дисплаистиле Рз={\фрац {12.528\цдот С^{0.542 }}{П^{0,528}\цдот В^{0,322}}}}
Где: {\дисплаистиле С=}С= дебљина челичног лима у мм;{\дисплаистиле П=}П= снага ласера ​​у кВ (неки нови ласерски секачи имају ласерску снагу од 4 кВ);{\дисплаистиле В=}В= брзина резања у метрима у минути.[16]

Овај процес је способан да задржи прилично велике толеранције, често до 0,001 инча (0,025 мм).Геометрија делова и механичка чврстоћа машине имају много везе са могућностима толеранције.Типична завршна обрада површине као резултат сечења ласерским снопом може да се креће од 125 до 250 микро-инча (0,003 мм до 0,006 мм).[11]

Конфигурације машина

Ласер за летећу оптику са две палете

Ласерска глава летеће оптике
Генерално постоје три различите конфигурације индустријских машина за ласерско сечење: покретни материјал, хибридни и летећи оптички системи.Они се односе на начин на који се ласерски зрак помера преко материјала који се сече или обрађује.За све ове, осе кретања су типично означене Кс и И оса.Ако се резна глава може контролисати, она се означава као З-оса.

Ласери за покретни материјал имају стационарну резну главу и померају материјал испод ње.Ова метода обезбеђује константно растојање од ласерског генератора до радног предмета и једну тачку са које се уклања отпадни ток резања.Захтева мање оптике, али захтева померање радног предмета.Ова машина у стилу обично има најмање оптике за испоруку зрака, али такође има тенденцију да буде најспорија.

Хибридни ласери обезбеђују сто који се креће у једној оси (обично Кс-оса) и помера главу дуж краће (И) осе.Ово резултира константнијом дужином путање испоруке зрака од летеће оптичке машине и може дозволити једноставнији систем испоруке снопа.Ово може резултирати смањеним губитком снаге у систему испоруке и већим капацитетом по вату од машина за летећу оптику.

Ласери са летећом оптиком имају стационарни сто и резну главу (са ласерским снопом) која се креће преко радног комада у обе хоризонталне димензије.Летећи оптички секачи држе радни предмет стационарним током обраде и често не захтевају стезање материјала.Покретна маса је константна, тако да на динамику не утиче различита величина радног комада.Машине са летећом оптиком су најбржи тип, што је предност код сечења тањих радних комада.[17]

Летеће оптичке машине морају да користе неки метод како би узеле у обзир промену дужине зрака од сечења блиског поља (близу резонатора) до сечења далеког поља (далеко од резонатора).Уобичајене методе за контролу овога укључују колимацију, адаптивну оптику или коришћење осе дужине снопа константне.

Машине са пет и шест оса такође омогућавају сечење обликованих радних комада.Поред тога, постоје различите методе оријентације ласерског зрака на обликовани радни предмет, одржавање одговарајуће удаљености фокуса и одступања млазнице, итд.

Пулсирање
Импулсни ласери који обезбеђују налет енергије велике снаге у кратком временском периоду веома су ефикасни у неким процесима ласерског сечења, посебно за бушење, или када су потребне веома мале рупе или веома мале брзине сечења, јер ако се користи константан ласерски зрак, топлота би могла да достигне тачку топљења целог комада који се сече.

Већина индустријских ласера ​​има могућност да пулсира или сече ЦВ (континуирани талас) под НЦ (нумеричка контрола) програмском контролом.

Двоструки импулсни ласери користе серију импулсних парова да побољшају брзину уклањања материјала и квалитет рупе.У суштини, први импулс уклања материјал са површине, а други спречава да се избачени део прилепи на страну рупе или рез.[18]