A lézervágás alapjai és megmunkálórendszere —Lézervágó berendezések

II. A lézervágó berendezések felépítése

2.1 A lézervágó gép alkatrészei és működési elve

A lézervágó gép lézersugárzóból, vágófejből, sugárátviteli egységből, szerszámgép munkaasztalból, numerikus vezérlőrendszerből (NC), számítógépből (hardver és szoftver), hűtőből, védőgázpalackból, porgyűjtőből és levegőszárítóból áll.

Lézergenerátor

A lézergenerátor egy olyan eszköz, amely lézerfényforrásokat állít elő. Lézervágási alkalmazásokhoz a legtöbb gép CO₂ gázlézereket használ, amelyek magas elektrooptikai konverziós hatásfokot és nagy teljesítményt nyújtanak, kivéve néhány esetet, amikor YAG szilárdtest lézereket használnak. Nem minden lézer alkalmas vágásra, mivel a lézervágás szigorú követelményeket támaszt a sugár minőségével szemben.
Vágófej

Főként olyan alkatrészekből áll, mint a fúvóka, a fókuszáló lencse és a fókuszkövető rendszer.

A vágófej meghajtóberendezése a vágófej Z-tengely mentén történő mozgatására szolgál az előre beállított programok szerint. Egy szervomotorból és erőátviteli alkatrészekből, például vezérorsókból vagy fogaskerekekből áll.

(1) Fúvóka: A fúvókáknak három fő típusa van: párhuzamos típusú, konvergens típusú és kúpos típusú.

(2) Fókuszáló lencse: A lézersugár energiájával történő vágás elvégzéséhez a lézer által kibocsátott eredeti sugarat egy lencsén keresztül kell fókuszálni, hogy nagy energiasűrűségű fénypontot képezzen. A közepes és hosszú fókusztávolságú lencsék vastag lemezek vágására alkalmasak, és alacsonyabb követelményeket támasztanak a követőrendszer távolságstabilitásával szemben. A rövid fókusztávolságú lencsék csak 3 mm-nél vékonyabb lemezek vágására alkalmasak; szigorú követelményeket támasztanak a követőrendszer távolságstabilitásával szemben, de jelentősen csökkenthetik a szükséges lézer kimeneti teljesítményét.

(3) Követőrendszer: A lézervágó gép fókuszkövető rendszere általában egy fókuszáló vágófejből és egy követőérzékelő rendszerből áll. A vágófej magában foglalja a sugárvezetés és fókuszálás, a vízhűtés, a gázbefúvás és a mechanikus beállítás funkcióit.

Az érzékelő érzékelő elemekből és egy erősítővezérlő egységből áll. A követő rendszerek az érzékelő elemek típusától függően teljesen eltérőek lehetnek. Két fő típus létezik: az egyik a kapacitív érzékelős követőrendszer, más néven érintésmentes követőrendszer; a másik az induktív érzékelős követőrendszer, más néven érintéskövető rendszer.
Sugárátviteli szerelvény

Külső optikai útvonal: A lézernyaláb kívánt irányba terelésére fényvisszaverő tükröket használnak. A nyalábút hibás működésének elkerülése érdekében minden fényvisszaverő tükröt árnyékolás véd, és tiszta, túlnyomásos védőgázt vezetnek be a tükrök szennyeződésmentesítésére. Egy nagy teljesítményű lencse egy nem divergens nyalábot végtelenül kis pontra képes fókuszálni. Általában 5,0 hüvelykes fókusztávolságú lencsét használnak, míg a 7,5 hüvelykes lencse csak 12 mm-nél vastagabb anyagok vágására alkalmazható.
Szerszámgép munkaasztal

Fő géptest: A szerszámgép része alézervágó gépaz a mechanikus alkatrész, amely az X, Y és Z tengelyek mozgását valósítja meg, beleértve a vágó munkaállványt is.
Numerikus vezérlőrendszer

Az NC rendszer vezérli a szerszámgépet az X, Y és Z tengelyek irányú mozgásának eléréséhez, és egyidejűleg szabályozza a lézer kimeneti teljesítményét.
Hűtőrendszer

Hűtőegység: A lézergenerátor hűtésére szolgál. A lézer egy olyan eszköz, amely elektromos energiát alakít át fényenergiává. Például egy CO₂ gázlézer átalakítási hatásfoka általában 20%, a fennmaradó energia hővé alakul. A hűtővíz eltávolítja a felesleges hőt a lézergenerátor normál működésének fenntartása érdekében. A hűtőegység a szerszámgép külső optikai pályatükreit és fókuszáló lencséit is hűti, biztosítva a stabil sugárátviteli minőséget, és hatékonyan megakadályozva a lencse deformálódását vagy repedését a túlmelegedés miatt.
Gázpalackok

A gázpalackok közé tartoznak a munkaközeg-palackok és a lézervágó gép segédgázpalackjai, amelyeket a lézeroszcilláció ipari gázainak kiegészítésére és a vágófej segédgázainak ellátására használnak.
Porszívó rendszer

Elszívja a feldolgozás során keletkező füstöt és port, és szűrőkezelést végez annak biztosítása érdekében, hogy a kipufogógáz-kibocsátás megfeleljen a környezetvédelmi előírásoknak.
Léghűtéses szárító és szűrő

Tiszta, száraz levegőt szállít a lézergenerátorhoz és a sugárpályához, fenntartva a sugárpálya és a fényvisszaverő tükrök normál működését.

2.2 Lézervágáshoz való vágópisztoly

A lézervágáshoz használt vágópisztoly szerkezeti ábrája az alábbiakban látható. Főként egy pisztolytestből, fókuszáló lencséből, fényvisszaverő tükörből és segédgázfúvókából áll. Lézervágás során a vágópisztolynak a következő követelményeknek kell megfelelnie:

① A pisztoly elegendő gázáramot tud kibocsátani.

② A fáklyában lévő gáz kifúvási irányának koaxiálisnak kell lennie a fényvisszaverő tükör optikai tengelyével.

③ A zseblámpa fókusztávolsága könnyen állítható.

④ Vágás közben a vágott fémből származó fémgőz és fröccsenések nem károsíthatják a fényvisszaverő tükröt.

A vágópisztoly mozgását egy NC mozgásrendszer szabályozza. A vágópisztoly és a munkadarab közötti relatív mozgásra három forgatókönyv lehetséges:

① A pisztoly mozdulatlan marad, miközben a munkadarab a munkaasztalon keresztül mozog – főként kis méretű munkadarabokhoz alkalmas.

② A munkadarab mozdulatlan marad, miközben a pisztoly mozog.

③ A pisztoly és a munkaasztal egyszerre mozog.

2.2.1 Vágófej

A lézervágó fej a sugárátviteli rendszer végén található, egy fókuszáló lencséből és egy vágófúvókából áll.

A fókuszáló lencséket főként a fókusztávolság alapján osztályozzák. A legtöbb lézervágó berendezés több, különböző fókusztávolságú vágófejjel van felszerelve. A CO₂ lézervágás példájaként a gyakori fókusztávolságok 127 mm (5 hüvelyk) és 190 mm (7,5 hüvelyk). A rövid fókusztávolságú lencse kis fókuszfoltot és rövid fókuszmélységet eredményez, ami elősegíti a vágásszélesség csökkentését és a finomabb vágások elérését. A hosszú fókusztávolságú lencse nagyobb fókuszfoltot és hosszabb fókuszmélységet eredményez. A rövid fókusztávolságú lencsékkel összehasonlítva a hosszú fókusztávolságú lencsék olyan fókuszált sugarat tudnak biztosítani, amelynek lézerenergia-sűrűsége elegendő a fókuszpont közelében történő anyagmegmunkáláshoz. Ezért a rövid fókusztávolságú lencséket többnyire vékony lemezek precíziós vágásához használják, míg a hosszú fókusztávolságú lencsékre vastagabb anyagokhoz van szükség a megfelelő fókuszmélység eléréséhez, biztosítva a foltátmérő minimális változását és a vágási vastagságtartományon belül a megfelelő teljesítménysűrűséget.

A fókuszáló lencséket a vágópisztolyba beeső párhuzamos lézersugár fókuszálására használják, így kisebb foltméretet és nagyobb teljesítménysűrűséget érnek el. A lencsék olyan anyagokból készülnek, amelyek átengedik a lézer hullámhosszát. Az optikai üveget általában szilárdtest lézerekhez használják, míg a CO₂ gázlézerekhez olyan anyagokat, mint a ZnSe, GaAs és Ge (mivel a hagyományos üveg nem átlátszó a CO₂ lézersugarak számára), amelyek közül a ZnSe a legelterjedtebb.

Lézervágás esetén a fókuszpont átmérőjének minimalizálása kívánatos a teljesítménysűrűség növelése és a nagysebességű vágás lehetővé tétele érdekében. A rövidebb lencsefókusztávolság azonban kisebb fókuszmélységet eredményez, ami megnehezíti a merőleges vágási felület elérését vastag lemezek vágásakor. Ezenkívül a rövidebb fókusztávolság csökkenti a lencse és a munkadarab közötti távolságot, növelve annak kockázatát, hogy a lencse olvadt folyadék fröccsenésével szennyeződjön a vágás során, és ez befolyásolja a normál működést. Ezért a megfelelő fókusztávolságot átfogóan kell meghatározni olyan tényezők alapján, mint a vágási vastagság és a vágási minőségi követelmények.

2.2.2 Fényvisszaverő tükör

A fényvisszaverő tükör funkciója a lézerből kibocsátott sugár irányának megváltoztatása. Szilárdtest lézerek sugaraihoz optikai üvegből készült fényvisszaverő tükrök használhatók. Ezzel szemben a CO₂ gázlézeres vágóberendezésekben található fényvisszaverő tükrök általában rézből vagy nagy fényvisszaverő képességű fémekből készülnek. A lézersugárzás okozta túlmelegedés okozta károsodások elkerülése érdekében a fényvisszaverő tükröket jellemzően vízzel hűtik.

2.2.3 Fúvóka

A fúvóka segédgázt porlaszt a forgácsolási zónába, és szerkezete bizonyos hatással van a vágási hatékonyságra és minőségre. A 4.11. ábra a lézervágáshoz használt gyakori fúvókaformákat mutatja; a fúvókanyílások formái hengeres, kúpos és konvergáló-szétterülő típusok lehetnek.

A fúvóka kiválasztását általában a munkadarab anyaga és vastagsága, valamint a segédgáz nyomása alapján végzett tesztek határozzák meg. A lézervágás általában koaxiális fúvókákat használ (ahol a gázáramlás koaxiális az optikai tengellyel). Ha a gázáramlás és a lézersugár nem koaxiális, a vágás során valószínűleg túlzott fröccsenés lép fel. A fúvókanyílás belső falának simának kell lennie, hogy biztosítsa az akadálytalan gázáramlást és elkerülje a turbulenciát, amely befolyásolhatja a vágás minőségét. A vágási stabilitás biztosítása érdekében a fúvóka végfelülete és a munkadarab felülete közötti távolságot minimálisra kell csökkenteni, jellemzően 0,5 mm és 2,0 mm között kell lennie. A fúvókanyílás átmérőjének lehetővé kell tennie a lézersugár simán történő áthaladását, megakadályozva, hogy a sugár érintse a nyílás belső falát. Minél kisebb a nyílás átmérője, annál nehezebb a sugár kollimálása. Egy adott segédgáznyomáshoz a fúvókanyílás átmérőinek van egy optimális tartománya. A túl kicsi vagy túl nagy nyílás akadályozza az olvadt termékek eltávolítását a vágásból, és befolyásolja a vágási sebességet.

A fúvókanyílás átmérőjének a vágási sebességre gyakorolt hatását rögzített lézerteljesítmény és segédgáznyomás mellett a 4.12. és 4.13. ábra mutatja. Látható, hogy létezik egy optimális fúvókanyílás-átmérő, amelynél elérhető a maximális vágási sebesség. Ez az optimális érték körülbelül 1,5 mm, függetlenül attól, hogy oxigént vagy argont használnak segédgázként.

A kemény ötvözetek (nehezen forgácsolható) lézervágásán végzett vizsgálatok azt mutatják, hogy az optimális fúvókanyílás-átmérő nagyon közel van a fenti eredményekhez, amint azt a 4.14. ábra szemlélteti. A fúvókanyílás-átmérő befolyásolja a vágási szélességet és a hőhatásövezet (HAZ) szélességét is. Amint a 4.15. ábra mutatja, a fúvókanyílás-átmérő növekedésével a vágási szélesség növekszik, míg a HAZ szélessége szűkül. A HAZ szűkülésének fő oka a segédgázáram fokozott hűtőhatása az alapanyagra a forgácsolási zónában.

2.3 A lézervágó berendezések paraméterei

2.3.1 Pisztollyal hajtott vágóberendezés

A fáklyával hajtott vágóberendezésekben a vágópisztoly egy mozgatható állványzatra van szerelve, és vízszintesen mozog a tartógerendán (Y-tengely). A tartógerendán keresztül a vágópisztoly az X-tengely mentén mozog, miközben a munkadarab a munkaasztalon van rögzítve. Mivel a lézer és a vágópisztoly külön van elhelyezve, a lézerátviteli jellemzők, a sugár pásztázási iránya szerinti párhuzamosság és a fényvisszaverő tükrök stabilitása mind a vágási folyamat során megváltozik.

A fáklyás vágóberendezések nagy méretű munkadarabok feldolgozására alkalmasak. Viszonylag kis alapterületet foglalnak el a vágóüzemben, és könnyen integrálhatók más berendezésekkel egy gyártósor kialakítása érdekében. Pozicionálási pontosságuk azonban csak ±0,04 mm.

A fáklyás vágóberendezések tipikus felépítését a 4.19. ábra mutatja. Egy folyamatos hullámú CO₂ lézervágó gépet alkalmaznak, ahol a lézer és a vágópisztoly közötti távolság 18 m. Annak érdekében, hogy a nyalábátmérő változása ezen az átviteli távolságon ne zavarja a vágási műveleteket, az oszcillátor tükrök kombinációját gondosan kell megtervezni.

A fáklyás vágóberendezések főbb műszaki paraméterei a következők:

Lézer kimeneti teljesítmény: 1,5 kW (egymódusú), 3 kW (többmódusú)
Lökethossz: X-tengely 6,2 m, Y-tengely 2,6 m
Haladási sebesség: 0–10 m/perc (állítható)
Pisztoly Z-tengelyének lebegő lökete: 150 mm
Pisztoly Z-tengely beállítási sebessége: 300 mm/perc
A feldolgozott acéllemez maximális mérete: 12 mm × 2400 mm × 6000 mm
Vezérlőrendszer: Integrált NC vezérlési mód

2.3.2 XY asztallal hajtott vágóberendezés

Az XY asztallal hajtott vágóberendezésben a vágópisztoly a kerethez van rögzítve, a munkadarabot pedig a vágóasztalra helyezik. A vágóasztal az X és Y tengelyek mentén mozog NC parancsoknak megfelelően, állítható menetsebességgel, amely jellemzően 0–1 m/perc vagy 0–5 m/perc között változik. Mivel a vágópisztoly a munkadarabhoz képest mozdulatlan marad, minimalizálja a lézersugár igazítására és középre igazítására gyakorolt hatást a vágási folyamat során, biztosítva az egyenletes és stabil vágási teljesítményt. Kis méretű, nagy mechanikai pontosságú vágóasztallal felszerelve a gép ±0,01 mm-es pozicionálási pontosságot ér el.kiváló vágási pontosság, így különösen alkalmas kis alkatrészek precíziós vágására. Ezenkívül nagyobb méretű munkadarabok megmunkálásához nagyobb vágóasztalok is rendelkezésre állnak, 2300–2400 mm X tengely lökettel és 1200–1300 mm Y tengely lökettel.

Az XY asztallal hajtott vágóberendezés főbb műszaki paraméterei a következők:

Lézerforrás: CO₂ gázlézer (félig zárt, egyenes csöves típus)
Lézer tápegység: Bemeneti feszültség 200 VAC; Kimeneti feszültség 0–30 kV; Maximális kimeneti áram 100 mA
Lézer kimeneti teljesítmény: 550 W
Vágóasztal lökete: X-tengely 2300 mm, Y-tengely 1300 mm
Vágóasztal sebessége (lépcsőzetesen állítható): 0,4–5,0 m/perc, 0,2–2,5 m/perc, 0,1–1,3 m/perc, 0,05–0,6 m/perc
Pisztoly Z-tengelyének lebegő lökete: 180 mm
A feldolgozott lemez maximális mérete: 6 mm × 1300 mm × 2300 mm
Vezérlőrendszer: Numerikus vezérlésű (NC) mód

2.3.3 Kettős meghajtású vágóberendezés (pisztoly és asztal)

A kettős meghajtású vágóberendezés (pisztoly és asztal) kialakítását tekintve a pisztolyos és az XY asztalos vágógépek közé esik. A vágópisztoly egy portálra van szerelve, és vízszintesen mozog a portálgerendán (Y-tengely), míg a vágóasztal hosszirányban van meghajtva. Ez a hibrid kialakítás ötvözi a nagy vágási pontosság és a helytakarékos hatékonyság előnyeit. ±0,01 mm-es pozicionálási pontossággal és 0–20 m/perc között állítható vágási sebességtartománnyal ez az egyik legszélesebb körben használt vágógép a piacon. A gép nagyobb modelljei 2000 mm-es Y-tengelyirányú és 6000 mm-es X-tengelyirányú löketet kínálnak, lehetővé téve nagy méretű munkadarabok vágását.

A lézeroszcillátor a vágópisztoly mellett, a gantryra van felszerelve. Ez a konfiguráció kivételes pontosságot biztosít kör alakú furatok vágásakor. A gép emellett magas termelési hatékonysággal is rendelkezik: percenként 46 kör alakú furatot (10 mm átmérőjű) képes vágni egy 1 mm vastag acéllemezen.

2.3.4 Integrált vágóberendezés

Egyintegrált vágógépA lézerforrás a keretre van felszerelve, és azzal hosszirányban mozog, míg a vágópisztoly a meghajtómechanizmusával integrálva vízszintesen mozog a keretgerendán. A gép numerikus vezérléssel vág különböző alakú alkatrészeket. A vágópisztoly vízszintes mozgása által okozott optikai úthossz-változás kompenzálására általában egy optikai úthossz-beállító modullal van felszerelve. Ez a modul biztosítja a homogén lézersugarat a vágási területen belül, és fenntartja az állandó vágási felület minőségét.

Közzététel ideje: 2025. dec. 17.

A lézervágás alapjai és megmunkálórendszere — Lézervágó berendezések