A lézeres vágás bevezetése

A lézeres vágás olyan technológia, amely lézert használ az anyagok elpárologtatására, ami vágási élt eredményez.Míg általában ipari gyártási alkalmazásokhoz használják, ma már iskolák, kisvállalkozások, építészet és amatőrök használják.A lézeres vágás úgy működik, hogy egy nagy teljesítményű lézer kimenetét leggyakrabban optikán keresztül irányítja.A lézeroptika és a CNC (számítógépes numerikus vezérlés) a lézersugarat az anyagra irányítja.Az anyagok vágására szolgáló kereskedelmi forgalomban kapható lézer egy mozgásvezérlő rendszert használ az anyagra vágandó minta CNC vagy G-kódjának követésére.A fókuszált lézersugár az anyagra irányul, amely ezután vagy megolvad, megég, elpárolog, vagy egy gázsugár elfújja[1], így egy élt hagy jó minőségű felületkezeléssel.

Történelem
1965-ben az első gyártási lézervágó gépet használták gyémánt szerszámok lyukak fúrására.Ezt a gépet a Western Electric Engineering Research Center készítette.[3]1967-ben a britek úttörő szerepet játszottak a fémek lézerrel segített oxigénsugaras vágásában.[4]Az 1970-es évek elején ezt a technológiát a titán repülési célokra való vágására helyezték üzembe.Ugyanakkor a CO2 lézereket nemfémek, például textíliák vágására is adaptálták, mivel akkoriban a CO2 lézerek nem voltak elég erősek a fémek hővezető képességének leküzdésére.[5]

Folyamat

Acél ipari lézervágása CNC interfészen keresztül programozott vágási utasításokkal
A lézersugarat általában kiváló minőségű lencsével fókuszálják a munkaterületre.A sugár minősége közvetlen hatással van a fókuszpont méretére.A fókuszált sugár legkeskenyebb része általában 0,32 mm-nél kisebb átmérőjű.Az anyagvastagságtól függően akár 0,004 hüvelyk (0,10 mm) vágási szélesség is lehetséges.[6]Annak érdekében, hogy a vágást a szélén kívül máshonnan is el lehessen kezdeni, minden vágás előtt szúrást kell végezni.A piercing általában nagy teljesítményű impulzusos lézersugárral történik, amely lassan lyukat üt az anyagon, például 0,5 hüvelyk vastag (13 mm) rozsdamentes acél esetén körülbelül 5-15 másodpercig tart.

A lézerforrásból származó koherens fény párhuzamos sugarai gyakran 0,06–0,08 hüvelyk (1,5–2,0 mm) átmérőjűek.Ezt a sugarat általában egy objektív vagy tükör egy nagyon kis, körülbelül 0,001 hüvelyk (0,025 mm) foltig fókuszálja és erősíti, hogy nagyon intenzív lézersugarat hozzon létre.A kontúrvágás során a lehető legsimább végeredmény elérése érdekében a sugár polarizációjának irányát el kell forgatni, ahogy az a kontúrozott munkadarab kerülete körül halad.Lemezvágásnál a gyújtótávolság általában 1,5–3 hüvelyk (38–76 mm).[7]

A lézeres vágás előnyei a mechanikus vágással szemben a könnyebb munkatartás és a munkadarab csökkentett szennyeződése (mivel nincs olyan vágóél, amely beszennyeződhetne az anyaggal, vagy szennyezhetné az anyagot).A pontosság jobb lehet, mivel a lézersugár nem kopik a folyamat során.Csökkent az esély a vágott anyag megvetemedésére is, mivel a lézeres rendszerek kis hőhatászónával rendelkeznek.[8]Egyes anyagokat hagyományosabb módszerekkel is nagyon nehéz vagy lehetetlen vágni.

A lézeres fémvágás előnye a plazmavágással szemben, hogy pontosabb[9], és kevesebb energiát használ a fémlemez vágásakor;azonban a legtöbb ipari lézer nem tudja átvágni a plazmánál nagyobb fémvastagságot.A nagyobb teljesítménnyel (6000 watt, szemben a korai lézervágó gépek 1500 wattos teljesítményével) működő újabb lézergépek vastag anyagok átvágására való képességükben közelítenek a plazmagépekhez, de az ilyen gépek tőkeköltsége jóval magasabb, mint a plazmáé. vastag anyagok, például acéllemez vágására alkalmas vágógépek.[10]

Típusok

4000 wattos CO2 lézervágó
A lézervágásban három fő lézertípust használnak.A CO2 lézer alkalmas vágásra, fúrásra és gravírozásra.A neodímium (Nd) és neodímium ittrium-alumínium-gránát (Nd:YAG) lézerek stílusában azonosak, és csak az alkalmazásban különböznek egymástól.Az Nd-t fúráshoz használják, és ahol nagy energia, de kevés ismétlés szükséges.Az Nd:YAG lézert ott használják, ahol nagyon nagy teljesítményre van szükség, valamint fúráshoz és gravírozáshoz.A CO2 és Nd/Nd:YAG lézerek egyaránt használhatók hegesztésre.[11]

A CO2 lézereket általában úgy „szivattyúzzák”, hogy áramot vezetnek át a gázkeveréken (DC-gerjesztett) vagy rádiófrekvenciás energiát (RF-gerjesztett).Az RF módszer újabb és népszerűbb lett.Mivel az egyenáramú kialakításokhoz az üregen belüli elektródákra van szükség, elektródaerózióval és az elektróda anyagának bevonásával találkozhatnak az üvegedényeken és az optikán.Mivel az RF rezonátorok külső elektródákkal rendelkeznek, nem hajlamosak ezekre a problémákra.A CO2 lézereket számos anyag ipari vágására használják, beleértve a titánt, a rozsdamentes acélt, a lágyacélt, az alumíniumot, a műanyagot, a fát, a mesterséges faanyagot, a viaszt, a szöveteket és a papírt.A YAG lézereket elsősorban fémek és kerámiák vágására és karcolására használják.[12]

Az áramforráson kívül a gázáram típusa is befolyásolhatja a teljesítményt.A CO2 lézerek gyakori változatai közé tartozik a gyors axiális áramlás, a lassú axiális áramlás, a keresztirányú áramlás és a födém.A gyors axiális áramlású rezonátorban a szén-dioxid, hélium és nitrogén keverékét nagy sebességgel keringetik egy turbina vagy ventilátor.A keresztirányú áramlású lézerek kisebb sebességgel keringetik a gázkeveréket, ehhez egyszerűbb fúvó szükséges.A lemezes vagy diffúziós hűtésű rezonátorok statikus gázmezővel rendelkeznek, amely nem igényel nyomást vagy üvegárut, ami megtakarítást eredményez a csereturbinák és üvegáruk költségein.

A lézergenerátor és a külső optika (beleértve a fókuszlencsét is) hűtést igényel.A rendszer méretétől és konfigurációjától függően a hulladékhő átadható hűtőfolyadékkal vagy közvetlenül a levegőbe.A víz egy gyakran használt hűtőfolyadék, amelyet általában hűtőn vagy hőátadó rendszeren keresztül keringetnek.

A laser microjet egy vízsugárral vezérelt lézer, amelyben egy impulzusos lézersugarat alacsony nyomású vízsugárba kapcsolnak.Ezzel lézeres vágási funkciókat hajtanak végre, miközben vízsugárral vezetik a lézersugarat, hasonlóan egy optikai szálhoz, a teljes belső visszaverődésen.Ennek az az előnye, hogy a víz a törmeléket is eltávolítja és lehűti az anyagot.További előnyök a hagyományos „száraz” lézervágással szemben a nagy kockázási sebesség, a párhuzamos bevágás és a mindenirányú vágás.[13]

A szálas lézerek olyan szilárdtestlézerek, amelyek gyorsan terjednek a fémforgácsoló iparban.A CO2-vel ellentétben a Fiber technológia szilárd erősítő közeget használ, nem gázt vagy folyadékot.A „maglézer” állítja elő a lézersugarat, majd egy üvegszálon belül felerősíti.A mindössze 1064 nanométeres hullámhosszú szálas lézerek rendkívül kis foltméretet produkálnak (akár 100-szor kisebb a CO2-hoz képest), így ideálisak a fényvisszaverő fémanyagok vágására.Ez a Fiber egyik fő előnye a CO2-hoz képest.[14]

A szálas lézervágó előnyei a következők:

Gyors feldolgozási idők.
Csökkentett energiafogyasztás és számlák – a nagyobb hatékonyságnak köszönhetően.
Nagyobb megbízhatóság és teljesítmény – nem kell beállítani vagy igazítani optikát, és nem kell cserélni lámpát.
Minimális karbantartás.
Az erősen tükröződő anyagok, például a réz és a sárgaréz feldolgozásának képessége
Magasabb termelékenység – az alacsonyabb működési költségek nagyobb megtérülést biztosítanak a befektetésnek.[15]

Mód
A lézeres vágás során számos különböző módszer létezik, különböző anyagok vágására különböző típusokat.Néhány módszer a párologtatás, az olvadás és a fúvás, az olvadékfúvás és -égetés, a termikus feszültségrepesztés, a karcolás, a hidegvágás és az égető stabilizált lézervágás.

Párologtató vágás
Párologtatásnál a fókuszált sugár az anyag felületét lobbanáspontig melegíti és kulcslyukat hoz létre.A kulcslyuk az abszorpciós képesség hirtelen növekedéséhez vezet, ami gyorsan mélyíti a lyukat.Ahogy a lyuk mélyül és az anyag felforr, a keletkező gőz erodálja az olvadt falakat, kifújja és tovább növeli a lyukat.A nem olvadó anyagokat, mint a fa, szén és hőre keményedő műanyagokat általában ezzel a módszerrel vágják.
Megolvasztjuk és fújjuk
Az olvasztási és fúvási vagy fúziós vágás nagynyomású gázt használ az olvadt anyag kifújására a vágási területről, ami nagymértékben csökkenti a teljesítményigényt.Először az anyagot olvadáspontig hevítik, majd egy gázsugár kifújja az olvadt anyagot a hasadékból, elkerülve az anyag hőmérsékletének további emelését.Az ezzel az eljárással vágott anyagok általában fémek.

Hőfeszültségi repedés
A rideg anyagok különösen érzékenyek a termikus törésre, amely jellemző a termikus feszültségrepedés során.Egy sugár a felületre fókuszál, ami helyi felmelegedést és hőtágulást okoz.Ez repedést eredményez, amelyet a gerenda mozgatásával lehet irányítani.A repedés m/s-os sorrendben mozgatható.Általában üvegvágásra használják.

Szilícium lapkák lopakodó kockázása
További információ: Ostya kockázás
A félvezető eszköz gyártásban előállított mikroelektronikai chipek szilícium lapkákról történő leválasztása az úgynevezett lopakodó kockázási eljárással végezhető el, amely impulzusos Nd:YAG lézerrel működik, amelynek hullámhossza (1064 nm) jól illeszkedik az elektronikához. szilícium sávszélessége (1,11 eV vagy 1117 nm).

Reaktív vágás
Más néven „égető stabilizált lézeres gázvágás”, „lángvágás”.A reaktív vágás olyan, mint az oxigénfáklyás vágás, de lézersugárral gyújtóforrásként.Leginkább 1 mm-nél vastagabb szénacél vágására használják.Ezzel az eljárással nagyon vastag acéllemezeket lehet vágni viszonylag kis lézerteljesítménnyel.

Tűrések és felületi minőség
A lézervágók pozicionálási pontossága 10 mikrométer, ismételhetősége pedig 5 mikrométer.

Az Rz szabványos érdesség a lemezvastagsággal nő, de csökken a lézerteljesítmény és a vágási sebesség növekedésével.Alacsony széntartalmú acél 800 W-os lézerteljesítményű vágásakor az Rz szabványos érdesség 1 mm-es lemezvastagság esetén 10 μm, 3 mm-es lemezvastagság esetén 20 μm és 6 mm-es lemezvastagság esetén 25 μm.

{\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}}}}
Ahol: {\displaystyle S=}S= acéllemez vastagsága mm-ben;{\displaystyle P=}P= lézerteljesítmény kW-ban (egyes új lézervágók lézerteljesítménye 4 kW);{\displaystyle V=}V= vágási sebesség méter per percben.[16]

Ez az eljárás meglehetősen közeli tűréseket képes tartani, gyakran 0,001 hüvelyk (0,025 mm) pontossággal.Az alkatrészek geometriája és a gép mechanikai szilárdsága nagymértékben összefügg a tolerancia-képességekkel.A lézersugaras vágásból származó tipikus felületi minőség 125 és 250 mikroinch (0,003–0,006 mm) között lehet.[11]

Gép konfigurációk

Kettős raklapos repülő optika lézer

Repülő optika lézerfej
Az ipari lézervágó gépeknek általában három különböző konfigurációja létezik: mozgóanyag-, hibrid- és repülőoptikai rendszerek.Ezek arra a módra vonatkoznak, ahogyan a lézersugár a vágandó vagy feldolgozandó anyag felett mozog.Mindezek esetében a mozgástengelyeket jellemzően X és Y tengelynek jelöljük.Ha a vágófej vezérelhető, akkor azt Z-tengelynek kell jelölni.

Az anyagmozgató lézerek álló vágófejjel rendelkeznek, és az alatta mozgatják az anyagot.Ez a módszer állandó távolságot biztosít a lézergenerátor és a munkadarab között, és egyetlen pontot biztosít a vágási szennyvíz eltávolításához.Kevesebb optikát igényel, de a munkadarab mozgatását igényli.Ennek a stílusú gépnek általában a legkevesebb sugártovábbítási optikája van, de általában a leglassabb is.

A hibrid lézerek olyan asztalt biztosítanak, amely egy tengelyen mozog (általában az X tengelyen), és a fejet a rövidebb (Y) tengely mentén mozgatja.Ez állandóbb sugártovábbítási úthosszt eredményez, mint egy repülő optikai gép, és egyszerűbb sugártovábbítási rendszert tesz lehetővé.Ez kisebb teljesítményveszteséget eredményezhet a szállítórendszerben, és nagyobb wattonkénti kapacitást, mint a repülő optika gépek.

A repülő optikai lézerek álló asztallal és vágófejjel (lézersugárral) rendelkeznek, amely mindkét vízszintes méretben mozog a munkadarabon.A repülő optikavágók a munkadarabot a feldolgozás során mozdulatlanul tartják, és gyakran nincs szükség anyagszorításra.A mozgó tömeg állandó, így a dinamikát nem befolyásolja a munkadarab változó mérete.A repülő optika gépek a leggyorsabb típusok, ami vékonyabb munkadarabok vágásakor előnyös.[17]

A repülő optikai gépeknek valamilyen módszert kell alkalmazniuk ahhoz, hogy figyelembe vegyék a sugárhossz változását a közeli (rezonátorhoz közeli) vágástól a távoli (rezonátortól távoli) vágásig.Ennek szabályozására általánosan elterjedt módszerek a kollimáció, az adaptív optika vagy az állandó sugárhosszúság tengelyének alkalmazása.

Az öt- és hattengelyes gépek formázott munkadarabok vágását is lehetővé teszik.Ezenkívül különféle módszerek léteznek a lézersugár formázott munkadarabhoz való orientálására, a megfelelő fókusztávolság és a fúvóka távolság fenntartására stb.

Pulzáló
Az impulzuslézerek, amelyek rövid ideig nagy teljesítményű energiakitörést adnak, nagyon hatékonyak egyes lézeres vágási eljárásokban, különösen szúrásnál, vagy amikor nagyon kis lyukak vagy nagyon alacsony vágási sebesség szükséges, mivel ha állandó lézersugarat használnak, a hő elérheti azt a pontot, hogy az egész vágandó darab megolvadjon.

A legtöbb ipari lézer képes CW (folyamatos hullám) impulzusra vagy vágására NC (numerikus vezérlés) programvezérlés mellett.

A kettős impulzusú lézerek egy sor impulzuspárt használnak az anyageltávolítási sebesség és a furatok minőségének javítására.Lényegében az első impulzus eltávolítja az anyagot a felületről, a második pedig megakadályozza, hogy a kidobott anyag hozzátapadjon a lyuk vagy vágás oldalához.[18]