Grundlæggende om laserskæring og dets behandlingssystem —Laserskæreudstyr

II. Sammensætning af laserskæreudstyr

2.1 Komponenter og arbejdsprincip for laserskæremaskine

En laserskæremaskine består af en laseremitter, et skærehoved, en stråletransmissionsenhed, et maskinbord, et numerisk styringssystem (NC), en computer (hardware og software), en køler, en beskyttelsesgasflaske, en støvopsamler og en lufttørrer.

Lasergenerator

Lasergeneratoren er en enhed, der producerer laserlyskilder. Til laserskæringsapplikationer anvender de fleste maskiner CO₂-gaslasere, som har høj elektrooptisk konverteringseffektivitet og høj effekt, bortset fra i nogle få tilfælde, hvor der anvendes YAG-faststoflasere. Ikke alle lasere er egnede til skæring, da laserskæring stiller strenge krav til strålekvaliteten.
Skærehoved

Den består hovedsageligt af komponenter som en dyse, en fokuseringslinse og et fokussporingssystem.

Skærehovedets drivenhed bruges til at drive skærehovedet, så det bevæger sig langs Z-aksen i henhold til forudindstillede programmer. Det består af en servomotor og transmissionsdele som føringsskruer eller tandhjul.

(1) Dyse: Der er tre hovedtyper af dyser: parallel type, konvergent type og konisk type.

(2) Fokuseringslinse: For at udføre skæring ved hjælp af laserstråleenergi skal den oprindelige stråle, der udsendes af laseren, fokuseres gennem en linse for at danne en lysplet med høj energitæthed. Linser med mellem og lang brændvidde er egnede til skæring af tykke plader og har lavere krav til sporingssystemets afstandsstabilitet. Linser med kort brændvidde er kun egnede til skæring af tynde plader under 3 mm; de har strenge krav til sporingssystemets afstandsstabilitet, men kan reducere den nødvendige laserudgangseffekt betydeligt.

(3) Sporingssystem: Fokussporingssystemet på en laserskæremaskine består generelt af et fokuseringsskærehoved og et sporingssensorsystem. Skærehovedet integrerer funktioner som strålestyring og fokusering, vandkøling, gasblæsning og mekanisk justering.

Sensoren består af sensorelementer og en forstærkningsstyringsenhed. Sporingssystemer varierer fuldstændigt afhængigt af typen af sensorelementer. Der findes to hovedtyper: den ene er det kapacitive sensorsporingssystem, også kendt som det kontaktløse sporingssystem; den anden er det induktive sensorsporingssystem, også kaldet et kontaktsporingssystem.
Stråletransmissionsenhed

Ekstern optisk bane: Reflekterende spejle bruges til at styre laserstrålen i den ønskede retning. For at forhindre funktionsfejl i strålebanen er alle reflekterende spejle beskyttet af skjolde, og ren beskyttelsesgas med positivt tryk indføres for at holde spejlene fri for kontaminering. En højtydende linse kan fokusere en ikke-divergent stråle ind i et uendeligt lille punkt. En linse med en brændvidde på 5,0 tommer bruges almindeligvis, mens en 7,5-tommer linse kun er egnet til at skære materialer tykkere end 12 mm.
Maskinværktøjsbord

Hovedmaskinhus: Maskinværktøjssektionen aflaserskæremaskineer den mekaniske del, der udfører bevægelsen af X-, Y- og Z-akserne, inklusive skæreplatformen.
Numerisk styresystem

NC-systemet styrer maskinværktøjet for at opnå X-, Y- og Z-aksebevægelser og regulerer samtidig laserens udgangseffekt.
Kølesystem

Køleenhed: Den bruges til at køle lasergeneratoren. En laser er en enhed, der omdanner elektrisk energi til lysenergi. For eksempel er konverteringseffektiviteten af en CO₂-gaslaser generelt 20%, hvor den resterende energi omdannes til varme. Kølevand fjerner overskydende varme for at opretholde lasergeneratorens normale drift. Køleenheden køler også de eksterne optiske banespejle og fokuseringslinser på værktøjsmaskinen, hvilket sikrer stabil stråletransmissionskvalitet og effektivt forhindrer linsedeformation eller revner på grund af overophedning.
Gasflasker

Gasflasker omfatter arbejdsmedieflasker og hjælpegasflasker til laserskæremaskinen, som bruges til at supplere industrigasser til laseroscillation og levere hjælpegasser til skærehovedet.
Støvfjerningssystem

Den udsuger røg og støv, der genereres under forarbejdningen, og udfører filtreringsbehandling for at sikre, at udstødningsgasemissionerne overholder miljøbeskyttelsesstandarderne.
Luftkølingstørrer og filter

Den forsyner lasergeneratoren og strålegangen med ren, tør luft, hvilket opretholder den normale drift af strålegangen og de reflekterende spejle.

2.2 Skærebrænder til laserskæring

Strukturdiagrammet for en skærebrænder til laserskæring er vist nedenfor. Den består hovedsageligt af et brænderhus, en fokuseringslinse, et reflekterende spejl og en hjælpegasdyse. Under laserskæring skal skærebrænderen opfylde følgende krav:

① Brænderen kan udstøde en tilstrækkelig gasstrøm.

② Udstødningsretningen for gassen inde i brænderen skal være koaksial med reflektorspejlets optiske akse.

③ Brændvidden på lommelygten kan nemt justeres.

④ Under skæring må metaldamp og stænk fra det skårne metal ikke beskadige det reflekterende spejl.

Skærebrænderens bevægelse justeres af et NC-bevægelsessystem. Der er tre scenarier for den relative bevægelse mellem skærebrænderen og emnet:

① Brænderen forbliver stationær, mens emnet bevæger sig via arbejdsbordet — primært egnet til små emner.

② Emnet forbliver stationært, mens brænderen bevæger sig.

③ Både brænderen og arbejdsbordet bevæger sig samtidigt.

2.2.1 Skærehoved

Laserskærehovedet er placeret for enden af stråletransmissionssystemet og består af en fokuseringslinse og en skæredyse.

Fokuseringslinser klassificeres primært efter brændvidde. Det meste laserskæreudstyr er udstyret med flere skærehoveder med forskellige brændvidder. Med CO₂-laserskæring som eksempel er almindelige brændvidder 127 mm (5 tommer) og 190 mm (7,5 tommer). En linse med kort brændvidde producerer et lille brændpunkt og en kort brændvidde, hvilket er medvirkende til at reducere snitbredden og opnå finere snit. En linse med lang brændvidde giver et større brændpunkt og en længere brændvidde. Sammenlignet med linser med kort brændvidde kan linser med lang brændvidde give en fokuseret stråle med en laserenergitæthed, der er tilstrækkelig til materialebehandling nær brændpunktet. Derfor bruges linser med kort brændvidde mest til præcisionsskæring af tynde plader, mens linser med lang brændvidde er nødvendige for tykkere materialer for at opnå tilstrækkelig brændvidde, hvilket sikrer minimal variation i punktdiameter og tilstrækkelig effekttæthed inden for skæretykkelsesområdet.

Fokuseringslinser bruges til at fokusere den parallelle laserstråle, der rammer skærebrænderen, hvilket opnår en mindre punktstørrelse og højere effekttæthed. Linser er lavet af materialer, der kan transmittere laserens bølgelængde. Optisk glas bruges almindeligvis til faststoflasere, mens materialer som ZnSe, GaAs og Ge anvendes til CO₂-gaslasere (da almindeligt glas ikke er transparent for CO₂-laserstråler), hvoraf ZnSe er det mest anvendte.

Ved laserskæring er det ønskeligt at minimere brændpunktsdiameteren for at øge effekttætheden og muliggøre højhastighedsskæring. En kortere linsebrændvidde resulterer dog i en mindre brændvidde, hvilket gør det vanskeligt at opnå en vinkelret snitflade ved skæring af tykke plader. Derudover reducerer en kortere brændvidde afstanden mellem linsen og emnet, hvilket øger risikoen for, at linsen forurenes af smeltesprøjt under skæring og påvirker normal drift. Derfor bør den passende brændvidde bestemmes omfattende ud fra faktorer som skæretykkelse og krav til skærekvalitet.

2.2.2 Reflekterende spejl

Funktionen af det reflekterende spejl er at ændre retningen af den stråle, der udsendes fra laseren. Til stråler fra faststoflasere kan reflekterende spejle af optisk glas anvendes. I modsætning hertil er reflekterende spejle i CO₂-gaslaserskæreenheder normalt lavet af kobber eller metaller med høj reflektionsevne. For at forhindre skader forårsaget af overophedning fra laserbestråling under drift, køles reflekterende spejle typisk med vand.

2.2.3 Dyse

Dysen bruges til at sprøjte hjælpegas ind i skærezonen, og dens struktur har en vis indflydelse på skæreeffektiviteten og -kvaliteten. Figur 4.11 viser almindelige dyseformer til laserskæring; dyseåbningsformerne omfatter cylindriske, koniske og konvergerende-divergerende typer.

Valget af dyse bestemmes generelt gennem test baseret på emnets materiale og tykkelse samt trykket fra hjælpegassen. Laserskæring anvender normalt koaksiale dyser (hvor gasstrømmen er koaksial med den optiske akse). Hvis gasstrømmen og laserstrålen ikke er koaksiale, er der sandsynlighed for overdreven stænkning under skæringen. Dyseåbningens indervæg skal være glat for at sikre uhindret gasstrøm og undgå turbulens, der kan påvirke snitkvaliteten. For at sikre skærestabilitet bør afstanden mellem dysens endeflade og emnets overflade minimeres, typisk mellem 0,5 mm og 2,0 mm. Dyseåbningens diameter skal tillade laserstrålen at passere jævnt igennem, hvilket forhindrer strålen i at røre åbningens indervæg. Jo mindre åbningsdiameteren er, desto vanskeligere er det at kollimere strålen. For et givet hjælpegastryk er der et optimalt interval for dyseåbningsdiametre. En for lille eller stor åbning vil hindre fjernelse af smeltede produkter fra snitsnittet og påvirke skærehastigheden.

Indflydelsen af dyseåbningens diameter på skærehastigheden under fast lasereffekt og hjælpegastryk er vist i figur 4.12 og 4.13. Det kan ses, at der er en optimal dyseåbningsdiameter, der opnår den maksimale skærehastighed. Denne optimale værdi er cirka 1,5 mm, uanset om der anvendes oxygen eller argon som hjælpegas.

Test med laserskæring af hårde legeringer (som er vanskelige at skære) viser, at den optimale dyseåbningsdiameter er meget tæt på ovenstående resultater, som illustreret i figur 4.14. Dyseåbningsdiameteren påvirker også snitbredden og bredden af den varmepåvirkede zone (HAZ). Som vist i figur 4.15 øges snitbredden, mens HAZ-bredden indsnævres, med stigende dyseåbningsdiameter. Hovedårsagen til indsnævringen af HAZ er den forbedrede køleeffekt af hjælpegasstrømmen på basismaterialet i skærezonen.

2.3 Parametre for laserskæreudstyr

2.3.1 Brænderdrevet skæreudstyr

I brænderdrevet skæreudstyr er skærebrænderen monteret på en bevægelig gantry og bevæger sig vandret langs gantrybjælken (Y-aksen). Gantryen driver brænderen til at bevæge sig langs X-aksen, mens emnet er fastgjort på arbejdsbordet. Da laseren og skærebrænderen er anbragt separat, påvirkes laserens transmissionsegenskaber, parallelitet langs strålens scanningsretning og stabiliteten af de reflekterende spejle under skæreprocessen.

Brænderdrevet skæreudstyr kan bearbejde store emner. Det optager et relativt lille gulvareal i forhold til skæreproduktionszonen og kan nemt integreres med andet udstyr for at danne en produktionslinje. Dets positioneringsnøjagtighed er dog kun ±0,04 mm.

Den typiske struktur af brænderdrevet skæreudstyr er vist i figur 4.19. Der anvendes en kontinuerlig bølge CO₂-laserskæremaskine, hvor afstanden fra laseren til skærebrænderen er 18 m. For at sikre, at ændringen i strålediameter over denne transmissionsafstand ikke forstyrrer skæreoperationerne, skal kombinationen af oscillatorspejle designes omhyggeligt.

De vigtigste tekniske parametre for brænderdrevet skæreudstyr er som følger:

Laserudgangseffekt: 1,5 kW (single-mode), 3 kW (multi-mode)
Brænderens slaglængde: X-akse 6,2 m, Y-akse 2,6 m
Kørehastighed: 0–10 m/min (justerbar)
Brænderens Z-akse flydende slaglængde: 150 mm
Brænderens Z-akse justeringshastighed: 300 mm/min
Maksimal størrelse på forarbejdet stålplade: 12 mm × 2400 mm × 6000 mm
Kontrolsystem: Integreret NC-kontroltilstand

2.3.2 XY-borddrevet skæreudstyr

I XY-borddrevet skæreudstyr er skærebrænderen fastgjort på rammen, og emnet placeres på skærebordet. Skærebordet bevæger sig langs X- og Y-akserne i henhold til NC-kommandoer med en justerbar kørehastighed, der typisk spænder fra 0-1 m/min eller 0-5 m/min. Da skærebrænderen forbliver stationær i forhold til emnet, minimerer den påvirkningen af laserstrålejustering og centrering under skæreprocessen, hvilket sikrer ensartet og stabil skæreydelse. Når maskinen er udstyret med et lille skærebord med høj mekanisk præcision, opnår den en positioneringsnøjagtighed på ±0,01 mm ogfremragende skærepræcision, hvilket gør den særligt velegnet til præcisionsskæring af små komponenter. Derudover fås større skæreborde med en X-aksevandring på 2300-2400 mm og en Y-aksevandring på 1200-1300 mm til bearbejdning af store emner.

De vigtigste tekniske parametre for XY-borddrevet skæreudstyr er som følger:

Laserkilde: CO₂-gaslaser (halvlukket lige rørtype)
Laserstrømforsyning: Indgangsspænding 200 VAC; Udgangsspænding 0–30 kV; Maksimal udgangsstrøm 100 mA
Laserudgangseffekt: 550 W
Skærebordsbevægelse: X-akse 2300 mm, Y-akse 1300 mm
Skærebordets kørehastighed (trinjusterbar): 0,4–5,0 m/min, 0,2–2,5 m/min, 0,1–1,3 m/min, 0,05–0,6 m/min
Brænderens Z-akse flydende slaglængde: 180 mm
Maksimal størrelse på forarbejdet plade: 6 mm × 1300 mm × 2300 mm
Kontrolsystem: Numerisk kontroltilstand (NC)

2.3.3 Dobbeltdrevet skæreudstyr (brænder og bord)

Det dobbeltdrevne skæreudstyr (brænder og bord) ligger i design mellem de brænderdrevne og XY-borddrevne skæremaskiner. Skærebrænderen er monteret på en gantry og bevæger sig vandret langs gantrybjælken (Y-aksen), mens skærebordet drives i længderetningen. Dette hybriddesign kombinerer fordelene ved høj skærepræcision og pladsbesparende effektivitet. Med en positioneringsnøjagtighed på ±0,01 mm og et justerbart skærehastighedsområde på 0-20 m/min er det en af de mest anvendte skæremaskiner på markedet. Større modeller af denne maskine tilbyder en Y-aksevandring på 2000 mm og en X-aksevandring på 6000 mm, hvilket muliggør skæring af store emner.

Laseroscillatoren er monteret på gantryen ved siden af skærebrænderen. Denne konfiguration giver exceptionel præcision ved skæring af cirkulære huller. Maskinen kan også prale af høj produktionseffektivitet: den kan skære 46 cirkulære huller (10 mm i diameter) i minuttet på en 1 mm tyk stålplade.

2.3.4 Integreret skæreudstyr

I enintegreret skæremaskine, laserkilden er installeret på rammen og bevæger sig i længderetningen med den, mens skærebrænderen er integreret med sin drivmekanisme for at bevæge sig vandret langs rammestrålen. Maskinen bruger numerisk styring til at skære forskellige formede komponenter. For at kompensere for variationen i den optiske stilængde forårsaget af skærebrænderens vandrette bevægelse er der normalt udstyret et modul til justering af den optiske stilængde. Dette modul sikrer en homogen laserstråle inden for skæreområdet og opretholder ensartet skæreoverfladekvalitet.

Opslagstidspunkt: 17. dec. 2025

Grundlæggende om laserskæring og dens behandlingssystem — Laserskæreudstyr