Grunderna i laserskärning och dess bearbetningssystem —Laserskärningsutrustning

II. Sammansättning av laserskärutrustning

2.1 Komponenter och arbetsprincip för laserskärmaskin

En laserskärmaskin består av en lasersändare, ett skärhuvud, en strålöverföringsenhet, ett arbetsbord i en verktygsmaskin, ett numeriskt styrsystem (NC), en dator (hårdvara och mjukvara), en kylare, en skyddsgasflaska, en dammuppsamlare och en lufttork.

Lasergenerator

Lasergeneratorn är en anordning som producerar laserljuskällor. För laserskärning använder de flesta maskiner CO₂-gaslasrar som har hög elektrooptisk omvandlingseffektivitet och hög effekt, förutom i några få fall där YAG-fastfaslasrar används. Alla lasrar är inte lämpliga för skärning, eftersom laserskärning ställer stränga krav på strålkvalitet.
Skärhuvud

Den består huvudsakligen av komponenter som ett munstycke, en fokuseringslins och ett fokusspårningssystem.

Skärhuvudets drivenhet används för att driva skärhuvudet längs Z-axeln enligt förinställda program. Den består av en servomotor och transmissionsdelar som ledarskruvar eller kugghjul.

(1) Munstycke: Det finns tre huvudtyper av munstycken: parallell typ, konvergent typ och konisk typ.

(2) Fokuseringslins: För att kunna utföra skärning med laserstråleenergi måste den ursprungliga strålen som avges av lasern fokuseras genom en lins för att bilda en ljusfläck med hög energitäthet. Linser med medel- och lång brännvidd är lämpliga för skärning av tjocka plattor och har lägre krav på spårningssystemets avståndsstabilitet. Linser med kort brännvidd är endast lämpliga för att skära tunna plattor under 3 mm; de har strikta krav på spårningssystemets avståndsstabilitet men kan avsevärt minska den erforderliga lasereffekten.

(3) Spårningssystem: Fokusspårningssystemet i en laserskärmaskin består vanligtvis av ett fokuserande skärhuvud och ett spårningssensorsystem. Skärhuvudet integrerar funktioner för strålstyrning och fokusering, vattenkylning, gasblåsning och mekanisk justering.

Sensorn består av sensorelement och en förstärkningsstyrenhet. Spårningssystem varierar helt beroende på typen av sensorelement. Det finns två huvudtyper tillgängliga: den ena är det kapacitiva sensorspårningssystemet, även känt som det beröringsfria spårningssystemet; den andra är det induktiva sensorspårningssystemet, även kallat kontaktspårningssystem.
Strålöverföringsenhet

Extern optisk väg: Reflekterande speglar används för att styra laserstrålen i önskad riktning. För att förhindra fel i strålgången skyddas alla reflekterande speglar av skärmar, och ren skyddsgas med positivt tryck införs för att hålla speglarna fria från kontaminering. En högpresterande lins kan fokusera en icke-divergent stråle till en oändligt liten fläck. En lins med en brännvidd på 5,0 tum används vanligtvis, medan en 7,5-tums lins endast är lämplig för att skära material tjockare än 12 mm.
Arbetsbord för maskinverktyg

Huvudmaskinkropp: Maskinverktygssektionen pålaserskärmaskinär den mekaniska del som utför rörelsen av X-, Y- och Z-axlarna, inklusive skärarbetsplattformen.
Numeriskt styrsystem

NC-systemet styr maskinverktyget för att uppnå X-, Y- och Z-axelrörelser och reglerar samtidigt laserns uteffekt.
Kylsystem

Kylarenhet: Den används för att kyla lasergeneratorn. En laser är en anordning som omvandlar elektrisk energi till ljusenergi. Till exempel är omvandlingseffektiviteten för en CO₂-gaslaser i allmänhet 20 %, där den återstående energin omvandlas till värme. Kylvatten avlägsnar överskottsvärme för att upprätthålla lasergeneratorns normala drift. Kylarenheten kyler också de externa optiska banspeglarna och fokuseringslinserna på verktygsmaskinen, vilket säkerställer stabil strålöverföringskvalitet och effektivt förhindrar linsdeformation eller sprickbildning på grund av överhettning.
Gasflaskor

Gasflaskor innefattar arbetsmedieflaskor och hjälpgasflaskor för laserskärmaskinen, vilka används för att komplettera industrigaser för laseroscillation och förse skärhuvudet med hjälpgaser.
Dammborttagningssystem

Den suger ut rök och damm som genereras under bearbetningen och utför filtreringsbehandling för att säkerställa att avgasutsläppen uppfyller miljöskyddsstandarder.
Luftkylningstork och filter

Den tillför ren, torr luft till lasergeneratorn och strålgången, vilket upprätthåller normal drift av strålgången och de reflekterande speglarna.

2.2 Skärbrännare för laserskärning

Strukturdiagrammet för en skärbrännare för laserskärning visas nedan. Den består huvudsakligen av en brännarkropp, fokuseringslins, reflekterande spegel och hjälpgasmunstycke. Vid laserskärning måste skärbrännaren uppfylla följande krav:

① Brännaren kan avge ett tillräckligt gasflöde.

② Gasens utstötningsriktning inuti brännaren måste vara koaxiell med den reflekterande spegelns optiska axel.

③ Ficklampans brännvidd kan enkelt justeras.

④ Metallånga och stänk från den skurna metallen får inte skada den reflekterande spegeln under skärning.

Skärbrännarens rörelse justeras av ett NC-rörelsesystem. Det finns tre scenarier för den relativa rörelsen mellan skärbrännaren och arbetsstycket:

① Brännaren förblir stationär medan arbetsstycket rör sig via arbetsbordet – främst lämplig för små arbetsstycken.

② Arbetsstycket förblir stilla medan brännaren rör sig.

③ Både brännaren och arbetsbordet rör sig samtidigt.

2.2.1 Skärhuvud

Laserskärhuvudet är placerat i änden av strålöverföringssystemet och består av en fokuseringslins och ett skärmunstycke.

Fokuseringslinser klassificeras huvudsakligen efter brännvidd. De flesta laserskärningsutrustningar är utrustade med flera skärhuvuden med olika brännvidder. Om man tar CO₂-laserskärning som exempel är vanliga brännvidder 127 mm (5 tum) och 190 mm (7,5 tum). En lins med kort brännvidd ger en liten brännpunkt och kort brännvidd, vilket bidrar till att minska skärvidden och uppnå finare snitt. En lins med lång brännvidd ger en större brännpunkt och längre brännvidd. Jämfört med linser med kort brännvidd kan linser med lång brännvidd ge en fokuserad stråle med laserenergitäthet som är tillräcklig för materialbearbetning nära brännpunkten. Därför används linser med kort brännvidd mestadels för precisionsskärning av tunna plattor, medan linser med lång brännvidd krävs för tjockare material för att erhålla tillräckligt brännvidd, vilket säkerställer minimal variation i punktdiameter och tillräcklig effekttäthet inom skärtjockleksområdet.

Fokuseringslinser används för att fokusera den parallella laserstrålen som infaller i skärbrännaren, vilket ger en mindre punktstorlek och högre effekttäthet. Linser är tillverkade av material som kan överföra laserns våglängd. Optiskt glas används ofta för fastfaslasrar, medan material som ZnSe, GaAs och Ge används för CO₂-gaslasrar (eftersom vanligt glas inte är transparent för CO₂-laserstrålar), av vilka ZnSe är det mest använda.

För laserskärning är det önskvärt att minimera fokuspunktens diameter för att öka effekttätheten och möjliggöra höghastighetsskärning. En kortare brännvidd resulterar dock i ett mindre brännviddsdjup, vilket gör det svårt att uppnå en vinkelrät snittyta vid skärning av tjocka plattor. Dessutom minskar en kortare brännvidd avståndet mellan linsen och arbetsstycket, vilket ökar risken för att linsen kontamineras av smält stänk under skärning och påverkar normal drift. Därför bör lämplig brännvidd bestämmas noggrant baserat på faktorer som skärtjocklek och krav på skärkvalitet.

2.2.2 Reflekterande spegel

Den reflekterande spegelns funktion är att ändra riktningen på den strål som avges från lasern. För strålar från fastfaslasrar kan reflekterande speglar av optiskt glas användas. Däremot är reflekterande speglar i CO₂-gaslaserskäranordningar vanligtvis tillverkade av koppar eller metaller med hög reflektivitet. För att förhindra skador orsakade av överhettning från laserbestrålning under drift kyls reflekterande speglar vanligtvis med vatten.

2.2.3 Munstycke

Munstycket används för att spruta hjälpgas in i skärzonen, och dess struktur har en viss inverkan på skäreffektiviteten och kvaliteten. Figur 4.11 visar vanliga munstycksformer för laserskärning; munstycksöppningsformerna inkluderar cylindriska, koniska och konvergerande-divergerande typer.

Valet av munstycke bestäms generellt genom tester baserade på arbetsstyckets material och tjocklek, samt hjälpgasens tryck. Laserskärning använder vanligtvis koaxiella munstycken (där gasflödet är koaxiellt med den optiska axeln). Om gasflödet och laserstrålen inte är koaxiella är det troligt att överdriven stänk uppstår under skärningen. Munstycksöppningens innervägg bör vara slät för att säkerställa fritt gasflöde och undvika turbulens som kan påverka skärsnittets kvalitet. För att säkerställa skärstabilitet bör avståndet mellan munstyckets ändyta och arbetsstyckets yta minimeras, vanligtvis mellan 0,5 mm och 2,0 mm. Munstycksöppningens diameter måste tillåta laserstrålen att passera smidigt, vilket förhindrar att strålen vidrör öppningens innervägg. Ju mindre öppningsdiametern är, desto svårare är det att kollimera strålen. För ett givet hjälpgastryck finns det ett optimalt intervall för munstycksöppningsdiametrar. En alltför liten eller stor öppning kommer att hindra borttagningen av smälta produkter från skärsnittet och påverka skärhastigheten.

Inverkan av munstycksöppningsdiametern på skärhastigheten under fast lasereffekt och hjälpgastryck visas i figur 4.12 och 4.13. Det framgår att det finns en optimal munstycksöppningsdiameter som uppnår maximal skärhastighet. Detta optimala värde är ungefär 1,5 mm oavsett om syrgas eller argon används som hjälpgas.

Tester av laserskärning av hårda legeringar (som är svåra att skära) visar att den optimala munstycksöppningsdiametern ligger mycket nära ovanstående resultat, vilket illustreras i figur 4.14. Munstycksöppningsdiametern påverkar också skärvidden och bredden på den värmepåverkade zonen (HAZ). Som visas i figur 4.15 ökar skärvidden med ökningen av munstycksöppningsdiametern medan HAZ-bredden smalnar. Den främsta orsaken till att HAZ-bredden smalnar av är den förbättrade kyleffekten av hjälpgasflödet på basmaterialet i skärzonen.

2.3 Parametrar för laserskärutrustning

2.3.1 Brännardriven skärutrustning

I brännardriven skärutrustning är skärbrännaren monterad på en rörlig gantry och rör sig horisontellt längs gantrybalken (Y-axeln). Gantryn driver brännaren längs X-axeln, medan arbetsstycket är fixerat på arbetsbordet. Eftersom lasern och skärbrännaren är anordnade separat påverkas laserns överföringsegenskaper, parallellitet längs strålens skanningsriktning och stabiliteten hos de reflekterande speglarna under skärprocessen.

Brännardriven skärutrustning kan bearbeta arbetsstycken av stor storlek. Den upptar en relativt liten golvyta för skärproduktionszonen och kan enkelt integreras med annan utrustning för att bilda en produktionslinje. Dess positioneringsnoggrannhet är dock bara ±0,04 mm.

Den typiska strukturen för brännardriven skärutrustning visas i figur 4.19. En kontinuerlig våg CO₂-laserskärmaskin används, med avståndet från lasern till skärbrännaren på 18 m. För att säkerställa att förändringen i stråldiameter över detta överföringsavstånd inte stör skäroperationerna måste kombinationen av oscillatorspeglar utformas noggrant.

De viktigaste tekniska parametrarna för brännardriven skärutrustning är följande:

Laserutgångseffekt: 1,5 kW (singelläge), 3 kW (multiläge)
Brännarens slaglängd: X-axel 6,2 m, Y-axel 2,6 m
Körhastighet: 0–10 m/min (justerbar)
Brännarens Z-axels flytande slaglängd: 150 mm
Brännarens Z-axeljusteringshastighet: 300 mm/min
Maximal storlek på bearbetad stålplåt: 12 mm × 2400 mm × 6000 mm
Styrsystem: Integrerat NC-styrläge

2.3.2 XY-borddriven skärutrustning

I den XY-bordsdrivna skärutrustningen är skärbrännaren fixerad på ramen och arbetsstycket placeras på skärbordet. Skärbordet rör sig längs X- och Y-axlarna enligt NC-kommandon, med en justerbar drivhastighet som vanligtvis sträcker sig från 0–1 m/min eller 0–5 m/min. Eftersom skärbrännaren förblir stationär i förhållande till arbetsstycket minimeras påverkan på laserstrålens inriktning och centrering under skärprocessen, vilket säkerställer jämn och stabil skärprestanda. När maskinen är utrustad med ett litet skärbord med hög mekanisk precision uppnår den en positioneringsnoggrannhet på ±0,01 mm ochutmärkt skärprecision, vilket gör den särskilt lämplig för precisionsbearbetning av små komponenter. Dessutom finns större skärbord med en X-axelrörelse på 2300–2400 mm och en Y-axelrörelse på 1200–1300 mm tillgängliga för bearbetning av stora arbetsstycken.

De viktigaste tekniska parametrarna för XY-bordsdriven skärutrustning är följande:

Laserkälla: CO₂-gaslaser (halvsluten rakrörstyp)
Laserströmförsörjning: Ingångsspänning 200 VAC; Utgångsspänning 0–30 kV; Maximal utström 100 mA
Laserutgångseffekt: 550 W
Skärbordets slaglängd: X-axel 2300 mm, Y-axel 1300 mm
Skärbordets drivhastighet (stegvis justerbar): 0,4–5,0 m/min, 0,2–2,5 m/min, 0,1–1,3 m/min, 0,05–0,6 m/min
Brännarens Z-axels flytande slaglängd: 180 mm
Maximal storlek på bearbetad platta: 6 mm × 1300 mm × 2300 mm
Styrsystem: Numeriskt styrläge (NC)

2.3.3 Dubbeldriven skärutrustning (brännare och bord)

Den dubbeldrivna skärutrustningen (brännare och bord) hamnar i design mellan de brännardrivna och XY-borddrivna skärmaskinerna. Skärbrännaren är monterad på en gantry och rör sig horisontellt längs gantrybalken (Y-axeln), medan skärbordet drivs i längdriktningen. Denna hybriddesign kombinerar fördelarna med hög skärprecision och platsbesparande effektivitet. Med en positioneringsnoggrannhet på ±0,01 mm och ett justerbart skärhastighetsområde på 0–20 m/min är den en av de mest använda skärmaskinerna på marknaden. Större modeller av denna maskin erbjuder en Y-axelslaglängd på 2000 mm och en X-axelslaglängd på 6000 mm, vilket möjliggör skärning av stora arbetsstycken.

Laseroscillatorn är monterad på gantryt bredvid skärbrännaren. Denna konfiguration ger exceptionell precision vid skärning av cirkulära hål. Maskinen har också hög produktionseffektivitet: den kan skära 46 cirkulära hål (10 mm i diameter) per minut på en 1 mm tjock stålplåt.

2.3.4 Integrerad skärutrustning

I enintegrerad skärmaskin, laserkällan är installerad på ramen och rör sig längsgående med den, medan skärbrännaren är integrerad med sin drivmekanism för att röra sig horisontellt längs ramstrålen. Maskinen använder numerisk styrning för att skära komponenter med olika form. För att kompensera för variationen i den optiska väglängden som orsakas av skärbrännarens horisontella rörelse är en modul för justering av den optiska väglängden vanligtvis utrustad. Denna modul säkerställer en homogen laserstråle inom skärområdet och bibehåller en jämn skärytkvalitet.

Publiceringstid: 17 dec 2025

Grunderna i laserskärning och dess bearbetningssystem — Laserskärutrustning