Laserlõikamine on tehnoloogia, mis kasutab laserit materjalide aurustamiseks, mille tulemuseks on lõikeserv.Kuigi seda kasutatakse tavaliselt tööstuslikes tootmisrakendustes, kasutavad seda nüüd koolid, väikeettevõtted, arhitektuur ja harrastajad.Laserlõikamine juhib suure võimsusega laseri väljundit enamasti läbi optika.Laseroptikat ja CNC-d (arvuti arvjuhtimine) kasutatakse laserkiire suunamiseks materjalile.Materjalide lõikamiseks mõeldud kaubanduslik laser kasutab liikumisjuhtimissüsteemi, et järgida materjalile lõigatava mustri CNC- või G-koodi.Fokuseeritud laserkiir suunatakse materjalile, mis seejärel kas sulab, põleb, aurustub või puhutakse gaasijoa toimel minema,[1] jättes kvaliteetse pinnaviimistlusega serva.
Ajalugu
Aastal 1965 kasutati esimest laserlõikeseadet, et puurida teemantstantsidesse auke.Selle masina valmistas Western Electric Engineering Research Center.[3]1967. aastal tegid britid teerajajaks metallide laser-abiga hapnikujoaga lõikamise.[4]1970. aastate alguses hakati seda tehnoloogiat tootma, et lõigata titaani kosmoseseadmete jaoks.Samal ajal kohandati CO2 lasereid mittemetallide, näiteks tekstiilide lõikamiseks, sest tol ajal ei olnud CO2 laserid piisavalt võimsad, et ületada metallide soojusjuhtivust.[5]
Protsess
Terase tööstuslik laserlõikamine CNC-liidese kaudu programmeeritud lõikejuhistega
Laserkiir fokusseeritakse üldiselt kvaliteetse objektiivi abil töötsoonis.Kiire kvaliteet mõjutab otseselt fookuspunkti suurust.Fokuseeritud kiire kitsaima osa läbimõõt on tavaliselt alla 0,0125 tolli (0,32 mm).Sõltuvalt materjali paksusest on võimalikud 0,004 tolli (0,10 mm) lõikelaiused.[6]Et lõikama saaks hakata ka mujalt kui servast, tehakse enne igat lõiget augustamine.Torkamine hõlmab tavaliselt suure võimsusega impulss-laserkiirt, mis teeb materjali aeglaselt augu, näiteks 0,5 tolli paksuse (13 mm) roostevaba terase jaoks kulub umbes 5–15 sekundit.
Laserallika koherentse valguse paralleelsed kiired jäävad sageli vahemikku 0,06–0,08 tolli (1,5–2,0 mm).Tavaliselt teravustab ja intensiivistab see kiir läätse või peegli abil väga väikesele täpile, umbes 0,001 tolli (0,025 mm), et luua väga intensiivne laserkiir.Kontuurilõikamisel võimalikult sujuva viimistluse saavutamiseks tuleb tala polarisatsiooni suunda pöörata nii, et see kulgeb ümber kontuuriga tooriku perifeeria.Lehtmetalli lõikamisel on fookuskaugus tavaliselt 1,5–3 tolli (38–76 mm).[7]
Laserlõikamise eelised mehaanilise lõikamise ees hõlmavad lihtsamat hoidmist ja töödeldava detaili väiksemat saastumist (kuna puudub lõikeserv, mis võiks materjaliga saastuda või materjali saastada).Täpsus võib olla parem, kuna laserkiir protsessi käigus ei kulu.Samuti on väiksem võimalus lõigatava materjali väänamiseks, kuna lasersüsteemidel on väike kuumusest mõjutatud tsoon.[8]Mõnda materjali on ka traditsioonilisemate vahenditega väga raske või võimatu lõigata.
Metallide laserlõikamisel on plasmalõikuse ees eelised, kuna see on täpsem[9] ja kasutab lehtmetalli lõikamisel vähem energiat;enamik tööstuslikke lasereid ei suuda siiski läbi lõigata suurema metalli paksuse kui plasma.Uuemad suurema võimsusega lasermasinad (6000 vatti, erinevalt varajaste laserlõikamismasinate 1500 vattist) lähenevad plasmamasinatele oma võime poolest paksust materjalist läbi lõigata, kuid selliste masinate kapitalikulu on palju suurem kui plasma oma. lõikemasinad, mis on võimelised lõikama pakse materjale, nagu terasplaat.[10]
Tüübid
4000 W CO2 laserlõikur
Laserlõikamisel kasutatakse kolme peamist tüüpi lasereid.CO2 laser sobib lõikamiseks, puurimiseks ja graveerimiseks.Neodüüm- (Nd) ja neodüüm-ütrium-alumiinium-granaat (Nd:YAG) laserid on stiililt identsed ja erinevad ainult rakenduse poolest.Nd kasutatakse puurimisel ja seal, kus on vaja palju energiat, kuid vähe kordusi.Nd:YAG laserit kasutatakse seal, kus on vaja väga suurt võimsust ning puurimiseks ja graveerimiseks.Keevitamiseks saab kasutada nii CO2 kui ka Nd/Nd:YAG lasereid.[11]
CO2 lasereid "pumbatakse" tavaliselt voolu juhtimisel läbi gaasisegu (alalisvooluga ergastusega) või raadiosagedusliku energiaga (RF-ergastusega).RF-meetod on uuem ja populaarsemaks muutunud.Kuna alalisvoolu konstruktsioonid nõuavad elektroode õõnsuse sees, võivad need tekkida elektroodide erosiooni ja elektroodimaterjali kattumise klaasnõudele ja optikale.Kuna RF-resonaatoritel on välised elektroodid, ei ole nad nendele probleemidele altid.CO2 lasereid kasutatakse paljude materjalide, sealhulgas titaani, roostevaba terase, pehme terase, alumiiniumi, plasti, puidu, tehispuidu, vaha, kangaste ja paberi tööstuslikuks lõikamiseks.YAG lasereid kasutatakse peamiselt metallide ja keraamika lõikamiseks ja kriimustamiseks.[12]
Lisaks toiteallikale võib jõudlust mõjutada ka gaasivoolu tüüp.CO2 laserite levinumad variandid hõlmavad kiiret aksiaalset voolu, aeglast aksiaalset voolu, põikivoolu ja plaati.Kiire aksiaalvoolu resonaatoris tsirkuleeritakse süsinikdioksiidi, heeliumi ja lämmastiku segu suurel kiirusel turbiini või puhuri abil.Põikvoolulaserid tsirkuleerivad gaasisegu väiksema kiirusega, mistõttu on vaja lihtsamat puhurit.Plaat- või difusioonjahutusega resonaatoritel on staatiline gaasiväli, mis ei vaja survet ega klaasnõusid, mis aitab säästa asendusturbiinide ja klaasnõude arvelt.
Lasergeneraator ja väline optika (kaasa arvatud fookuslääts) vajavad jahutamist.Sõltuvalt süsteemi suurusest ja konfiguratsioonist võib heitsoojus kanduda jahutusvedeliku kaudu või otse õhku.Vesi on tavaliselt kasutatav jahutusvedelik, mida tavaliselt tsirkuleeritakse läbi jahuti või soojusülekandesüsteemi.
laser microjet on veejoaga juhitav laser, milles impulss-laserkiir on ühendatud madala rõhuga veejoaga.Seda kasutatakse laserlõikamisfunktsioonide täitmiseks, kasutades veejuga laserkiire juhtimiseks, sarnaselt optilise kiuga, läbi täieliku sisemise peegelduse.Selle eelised on, et vesi eemaldab ka prahi ja jahutab materjali.Täiendavad eelised võrreldes traditsioonilise "kuiv" laserlõikamisega on suured kuubikuteks lõikamise kiirused, paralleelne lõikamine ja mitmesuunaline lõikamine.[13]
Kiudlaserid on tahkislaserite tüüp, mis kasvab kiiresti metallilõikamistööstuses.Erinevalt CO2-st kasutab kiudtehnoloogia tahket võimenduskeskkonda, mitte gaasi või vedelikku."Seemnelaser" tekitab laserkiire ja seejärel võimendatakse seda klaaskius.Vaid 1064 nanomeetrise lainepikkusega kiudlaserid toodavad äärmiselt väikese täpi suurusega (kuni 100 korda väiksemad võrreldes CO2-ga), mistõttu on see ideaalne peegeldava metallmaterjali lõikamiseks.See on Fiberi üks peamisi eeliseid võrreldes CO2-ga.[14]
Kiudlaserlõikuri eelised hõlmavad järgmist:
Kiired töötlemisajad.
Väiksem energiatarbimine ja arved – tänu suuremale efektiivsusele.
Suurem töökindlus ja jõudlus – pole optikat, mida reguleerida või joondada, ega lampe, mida vahetada.
Minimaalne hooldus.
Võimalus töödelda väga peegeldavaid materjale, nagu vask ja messing
Suurem tootlikkus – madalamad tegevuskulud pakuvad teie investeeringult suuremat tasuvust.[15]
meetodid
Laseritega lõikamisel on palju erinevaid meetodeid, erinevate materjalide lõikamiseks kasutatakse erinevaid tüüpe.Mõned meetodid on aurustamine, sulatamine ja puhumine, sulatuspuhumine ja -põletus, termilise pinge lõhenemine, kriipsutamine, külmlõikamine ja põletamine stabiliseeritud laserlõikamine.
Aurustamist lõikamine
Aurustuslõikamisel soojendab fokuseeritud kiir materjali pinna leekpunktini ja tekitab võtmeaugu.Võtmeauk toob kaasa imavuse järsu suurenemise, mis süvendab auku kiiresti.Kui auk süveneb ja materjal keeb, õõnestab tekkiv aur sulaseinu, paiskub välja ja suurendab auku veelgi.Selle meetodiga lõigatakse tavaliselt mittesulavad materjalid, nagu puit, süsinik ja termoreaktiivsed plastid.
Sulata ja puhu
Sulatus- ja puhumis- või sulatuslõikamisel kasutatakse kõrgsurvegaasi sula materjali puhumiseks lõikepiirkonnast, vähendades oluliselt energiavajadust.Esmalt kuumutatakse materjal sulamistemperatuurini, seejärel puhub gaasijuga sula materjali soonest välja, vältides vajadust materjali temperatuuri veelgi tõsta.Selle protsessiga lõigatud materjalid on tavaliselt metallid.
Termilise pinge lõhenemine
Haprad materjalid on eriti tundlikud termilise purunemise suhtes, mida kasutatakse termilise pinge pragunemisel.Pinnale fokusseeritud tala põhjustab lokaalset kuumenemist ja soojuspaisumist.Selle tulemusena tekib pragu, mida saab seejärel tala liigutades juhtida.Pragu saab liigutada järjekorras m/s.Tavaliselt kasutatakse seda klaasi lõikamisel.
Ränivahvlite varjatud kuubikuteks lõikamine
Lisainfo: Vahvli kuubikuteks lõikamine
Pooljuhtseadmete valmistamisel valmistatud mikroelektrooniliste kiipide eraldamine räniplaatidest võib toimuda nn stealth kuubikuteks lõikamise protsessiga, mis töötab impulss-Nd:YAG laseriga, mille lainepikkus (1064 nm) on hästi kohandatud elektroonikaga. räni ribavahe (1,11 eV ehk 1117 nm).
Reaktiivne lõikamine
Seda nimetatakse ka "põleva stabiliseeritud lasergaasiga lõikamiseks", "leeklõikamiseks".Reaktiivne lõikamine on nagu hapnikupõleti lõikamine, kuid süüteallikaks on laserkiir.Enamasti kasutatakse süsinikterase lõikamiseks paksusega üle 1 mm.Seda protsessi saab kasutada väga paksude terasplaatide lõikamiseks suhteliselt väikese laservõimsusega.
Tolerantsid ja pinnaviimistlus
Laserlõikuritel on positsioneerimistäpsus 10 mikromeetrit ja korratavus 5 mikromeetrit.[vajalik tsitaat]
Standardne karedus Rz suureneb lehe paksusega, kuid väheneb laseri võimsuse ja lõikekiirusega.Madala süsinikusisaldusega terase lõikamisel laservõimsusega 800 W on standardne karedus Rz 10 μm 1 mm paksuse lehe, 20 μm 3 mm ja 25 μm 6 mm korral.
{\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}}}}
Kus: {\displaystyle S=}S = teraslehe paksus millimeetrites;{\displaystyle P=}P= laseri võimsus kW-des (mõnel uuel laserlõikuril on laseri võimsus 4 kW);{\displaystyle V=}V= lõikekiirus meetrites minutis.[16]
See protsess suudab hoida üsna väikeseid tolerantse, sageli 0,001 tolli (0,025 mm) täpsusega.Osade geomeetria ja masina mehaaniline töökindlus on suuresti seotud taluvusvõimega.Laserkiirega lõikamisest tulenev tüüpiline pinnaviimistlus võib olla vahemikus 125–250 mikrotolli (0,003–0,006 mm).[11]
Masina konfiguratsioonid
Kahe kaubaalusega lendav optika laser
Lendav optika laserpea
Tööstuslikke laserlõikusmasinaid on üldiselt kolme erineva konfiguratsiooniga: liikuva materjali, hübriid- ja lendava optika süsteemid.Need viitavad sellele, kuidas laserkiir liigutatakse üle lõigatava või töödeldava materjali.Kõigi nende puhul on liikumisteljed tavaliselt tähistatud X- ja Y-teljega.Kui lõikepead saab juhtida, tähistatakse seda Z-teljena.
Liikuva materjali laserid on statsionaarse lõikepeaga ja liigutavad materjali selle all.See meetod tagab pideva kauguse lasergeneraatorist toorikuni ja ühe punkti, kust lõikevee eemaldamine toimub.See nõuab vähem optikat, kuid nõuab töödeldava detaili liigutamist.Sellel masinal on tavaliselt kõige vähem kiirte edastamise optikat, kuid see kipub olema ka kõige aeglasem.
Hübriidlaserid pakuvad lauda, mis liigub ühel teljel (tavaliselt X-teljel) ja liigutab pead piki lühemat (Y) telge.Selle tulemuseks on püsivam kiirte edastamise tee pikkus kui lendav optikamasin ja see võib võimaldada lihtsamat kiirte edastamise süsteemi.See võib kaasa tuua väiksema võimsuskadu toitesüsteemis ja suurema võimsuse vati kohta kui lendavad optikamasinad.
Lendavatel optikalaseritel on statsionaarne laud ja lõikepea (laserkiirega), mis liigub üle töödeldava detaili mõlemas horisontaalses mõõtmes.Lendavad optilised lõikurid hoiavad töödeldava detaili töötlemise ajal paigal ega vaja sageli materjali kinnitamist.Liikuv mass on konstantne, seega ei mõjuta tooriku muutuv suurus dünaamikat.Lendavad optikamasinad on kiireim tüüp, mis on kasulik õhemate toorikute lõikamisel.[17]
Lendavad optilised masinad peavad kasutama mõnda meetodit, et võtta arvesse kiire pikkuse muutumist lähivälja (resonaatori lähedal) lõikamisest kaugvälja (resonaatorist kaugel) lõikamiseni.Levinud meetodid selle juhtimiseks hõlmavad kollimatsiooni, adaptiivset optikat või konstantse kiire pikkuse telje kasutamist.
Viie- ja kuueteljelised masinad võimaldavad ka vormitud toorikuid lõigata.Lisaks on erinevaid meetodeid laserkiire suunamiseks vormitud toorikule, õige fookuskauguse ja düüside eraldumise säilitamiseks jne.
Pulseeriv
Impulsslaserid, mis annavad lühikese aja jooksul suure võimsusega energiapuhangu, on väga tõhusad mõnedes laserlõikamisprotsessides, eriti augustamise korral või siis, kui on vaja väga väikseid auke või väga väikest lõikekiirust, kuna pideva laserkiire kasutamisel, kuumus võib ulatuda kogu lõigatava tüki sulamiseni.
Enamikul tööstuslikel laseritel on NC (arvjuhtimise) programmi juhtimisel CW (pidevlaine) impulss- või lõikamisvõime.
Topeltimpulsslaserid kasutavad materjali eemaldamise kiiruse ja aukude kvaliteedi parandamiseks mitmeid impulsspaare.Põhimõtteliselt eemaldab esimene impulss pinnalt materjali ja teine takistab väljutatava aine kleepumist augu või lõike külge.[18]
Postitusaeg: 16. juuni 2022