Fundamentele tăierii cu laser și sistemul său de procesare —Echipamente de tăiere cu laser

II. Compoziția echipamentului de tăiere cu laser

2.1 Componentele și principiul de funcționare al mașinii de tăiere cu laser

O mașină de tăiere cu laser este alcătuită dintr-un emițător laser, un cap de tăiere, un ansamblu de transmisie a fasciculului, o masă de lucru a mașinii-unelte, un sistem de control numeric (NC), un computer (hardware și software), un răcitor de lichid, o butelie de gaz protector, un colector de praf și un uscător de aer.

Generator laser

Generatorul laser este un dispozitiv care produce surse de lumină laser. Pentru aplicațiile de tăiere cu laser, majoritatea mașinilor adoptă lasere cu gaz CO₂, care prezintă o eficiență ridicată de conversie electro-optică și o putere mare de ieșire, cu excepția câtorva cazuri în care se utilizează lasere YAG în stare solidă. Nu toate laserele sunt potrivite pentru tăiere, deoarece tăierea cu laser impune cerințe stricte privind calitatea fasciculului.
Cap de tăiere

Acesta cuprinde în principal componente precum o duză, o lentilă de focalizare și un sistem de urmărire a focalizării.

Dispozitivul de acționare a capului de tăiere este utilizat pentru a acționa capul de tăiere pentru a se deplasa de-a lungul axei Z conform programelor prestabilite. Acesta constă dintr-un servomotor și piese de transmisie, cum ar fi șuruburi de acționare sau angrenaje.

(1) Duză: Există trei tipuri principale de duze: tip paralel, tip convergent și tip conic.

(2) Lentilă de focalizare: Pentru a efectua tăierea folosind energia fasciculului laser, fasciculul original emis de laser trebuie focalizat printr-o lentilă pentru a forma un punct luminos cu densitate mare de energie. Lentilele cu distanță focală medie și lungă sunt potrivite pentru tăierea plăcilor groase și au cerințe mai mici privind stabilitatea distanței sistemului de urmărire. Lentilele cu distanță focală scurtă sunt potrivite doar pentru tăierea plăcilor subțiri sub 3 mm; acestea au cerințe stricte privind stabilitatea distanței sistemului de urmărire, dar pot reduce semnificativ puterea de ieșire necesară a laserului.

(3) Sistem de urmărire: Sistemul de urmărire a focalizării unei mașini de tăiere cu laser constă, în general, dintr-un cap de tăiere cu focalizare și un sistem de senzori de urmărire. Capul de tăiere integrează funcții de ghidare și focalizare a fasciculului, răcire cu apă, suflare de gaz și reglare mecanică.

Senzorul este compus din elemente de detectare și o unitate de control al amplificarii. Sistemele de urmărire variază complet în funcție de tipul de elemente de detectare. Există două tipuri principale disponibile: unul este sistemul de urmărire cu senzori capacitivi, cunoscut și sub denumirea de sistem de urmărire fără contact; celălalt este sistemul de urmărire cu senzori inductivi, denumit și sistem de urmărire cu contact.
Ansamblu de transmisie a fasciculului

Cale optică externă: Oglinzile reflectorizante sunt utilizate pentru a ghida fasciculul laser în direcția dorită. Pentru a preveni defecțiunile pe calea fasciculului, toate oglinzile reflectorizante sunt protejate de ecrane, iar gazul de protecție curat, cu presiune pozitivă, este introdus pentru a le proteja de contaminare. O lentilă de înaltă performanță poate focaliza un fascicul nedivergent într-un punct infinit de mic. O lentilă cu o distanță focală de 5,0 inci este utilizată în mod obișnuit, în timp ce o lentilă de 7,5 inci este aplicabilă doar pentru tăierea materialelor cu o grosime mai mare de 12 mm.
Masă de lucru pentru mașini-unelte

Corpul principal al mașinii: Secțiunea mașinii-unelte amașină de tăiat cu lasereste partea mecanică care realizează mișcarea axelor X, Y și Z, inclusiv platforma de lucru pentru tăiere.
Sistem de control numeric

Sistemul NC controlează mașina-unealtă pentru a realiza mișcări pe axele X, Y, Z și reglează simultan puterea de ieșire a laserului.
Sistem de răcire

Unitate de răcire: Este utilizată pentru răcirea generatorului laser. Un laser este un dispozitiv care transformă energia electrică în energie luminoasă. De exemplu, eficiența de conversie a unui laser cu gaz CO₂ este în general de 20%, energia rămasă fiind convertită în căldură. Apa de răcire elimină excesul de căldură pentru a menține funcționarea normală a generatorului laser. Unitatea de răcire răcește, de asemenea, oglinzile externe ale căii optice și lentilele de focalizare ale mașinii-unelte, asigurând o calitate stabilă a transmisiei fasciculului și prevenind eficient deformarea sau fisurarea lentilelor din cauza supraîncălzirii.
Butelii de gaz

Buteliile de gaz includ butelii de mediu de lucru și butelii de gaz auxiliare pentru mașina de tăiere cu laser, care sunt utilizate pentru a suplimenta gazele industriale pentru oscilația laserului și pentru a furniza gaze auxiliare pentru capul de tăiere.
Sistem de îndepărtare a prafului

Acesta extrage fumul și praful generate în timpul procesării și efectuează un tratament de filtrare pentru a se asigura că emisiile de gaze de eșapament respectă standardele de protecție a mediului.
Uscător și filtru cu răcire cu aer

Furnizează aer curat și uscat generatorului laser și traseului fasciculului, menținând funcționarea normală a traseului fasciculului și a oglinzilor reflectorizante.

2.2 Torță de tăiere pentru tăiere cu laser

Schema structurală a unui torț pentru tăiere cu laser este prezentată mai jos. Acesta este compus în principal dintr-un corp al torței, o lentilă de focalizare, o oglindă reflectorizantă și o duză auxiliară de gaz. În timpul tăierii cu laser, torța trebuie să îndeplinească următoarele cerințe:

① Torța poate ejecta un debit suficient de gaz.

② Direcția de ejecție a gazului din interiorul torței trebuie să fie coaxială cu axa optică a oglinzii reflectorizante.

③ Distanța focală a lanternei poate fi reglată cu ușurință.

④ În timpul tăierii, vaporii metalici și stropii de metal tăiat nu trebuie să deterioreze oglinda reflectorizantă.

Mișcarea torței de tăiere este reglată de un sistem de mișcare NC. Există trei scenarii pentru mișcarea relativă dintre torța de tăiere și piesa de lucru:

① Torța rămâne staționară în timp ce piesa de prelucrat se mișcă pe masa de lucru — potrivită în principal pentru piese de prelucrat de dimensiuni mici.

② Piesa de prelucrat rămâne staționară în timp ce torța se mișcă.

③ Atât torța, cât și masa de lucru se mișcă simultan.

2.2.1 Cap de tăiere

Capul de tăiere cu laser este situat la capătul sistemului de transmisie a fasciculului, constând dintr-o lentilă de focalizare și o duză de tăiere.

Lentilele de focalizare sunt clasificate în principal în funcție de distanța focală. Majoritatea echipamentelor de tăiere cu laser sunt echipate cu mai multe capete de tăiere cu distanțe focale diferite. Luând ca exemplu tăierea cu laser CO₂, distanțele focale comune sunt de 127 mm (5 in) și 190 mm (7,5 in). O lentilă cu distanță focală scurtă produce un punct focal mic și o adâncime focală scurtă, ceea ce conduce la reducerea lățimii tăieturii și la obținerea unor tăieturi mai fine. O lentilă cu distanță focală mare produce un punct focal mai mare și o adâncime focală mai mare. Comparativ cu lentilele cu distanță focală scurtă, lentilele cu distanță focală mare pot oferi un fascicul focalizat cu o densitate de energie laser suficientă pentru prelucrarea materialului în apropierea punctului focal. Prin urmare, lentilele cu distanță focală scurtă sunt utilizate în principal pentru tăierea de precizie a plăcilor subțiri, în timp ce lentilele cu distanță focală mare sunt necesare pentru materiale mai groase pentru a obține o adâncime focală adecvată, asigurând o variație minimă a diametrului punctului și o densitate de putere suficientă în intervalul de grosime de tăiere.

Lentilele de focalizare sunt utilizate pentru a focaliza fasciculul laser paralel incident în torța de tăiere, obținând o dimensiune mai mică a spotului și o densitate de putere mai mare. Lentilele sunt fabricate din materiale care pot transmite lungimea de undă a laserului. Sticla optică este utilizată în mod obișnuit pentru laserele în stare solidă, în timp ce materiale precum ZnSe, GaAs și Ge sunt adoptate pentru laserele cu gaz CO₂ (deoarece sticla obișnuită nu este transparentă la fasciculele laser CO₂), dintre care ZnSe este cel mai utilizat.

Pentru tăierea cu laser, minimizarea diametrului punctului focal este de dorit pentru a crește densitatea de putere și a permite tăierea de mare viteză. Cu toate acestea, o distanță focală mai scurtă a lentilei are ca rezultat o adâncime focală mai mică, ceea ce face dificilă obținerea unei suprafețe de tăiere perpendiculare la tăierea plăcilor groase. În plus, o distanță focală mai scurtă reduce distanța dintre lentilă și piesa de prelucrat, crescând riscul ca lentila să fie contaminată de stropi de topit în timpul tăierii și afectând funcționarea normală. Prin urmare, distanța focală adecvată trebuie determinată în mod complet pe baza unor factori precum grosimea tăierii și cerințele de calitate a tăierii.

2.2.2 Oglindă reflectorizantă

Funcția oglinzii reflectorizante este de a schimba direcția fasciculului emis de laser. Pentru fasciculele laserelor în stare solidă, se pot utiliza oglinzi reflectorizante din sticlă optică. În schimb, oglinzile reflectorizante din dispozitivele de tăiere cu laser cu gaz CO₂ sunt de obicei fabricate din cupru sau metale cu reflectivitate ridicată. Pentru a preveni deteriorarea cauzată de supraîncălzirea cauzată de iradierea cu laser în timpul funcționării, oglinzile reflectorizante sunt de obicei răcite cu apă.

2.2.3 Duză

Duza este utilizată pentru a pulveriza gaz auxiliar în zona de tăiere, iar structura sa are un anumit impact asupra eficienței și calității tăierii. Figura 4.11 prezintă forme comune ale duzelor pentru tăierea cu laser; formele orificiilor duzelor includ tipuri cilindrice, conice și convergente-divergente.

Selectarea duzei se face în general prin teste bazate pe materialul și grosimea piesei de prelucrat, precum și pe presiunea gazului auxiliar. Tăierea cu laser utilizează de obicei duze coaxiale (unde fluxul de gaz este coaxial cu axa optică). Dacă fluxul de gaz și fasciculul laser nu sunt coaxiale, este probabil să apară stropi excesivi în timpul tăierii. Peretele interior al orificiului duzei trebuie să fie neted pentru a asigura un flux de gaz neobstrucționat și pentru a evita turbulențele care pot afecta calitatea tăierii. Pentru a asigura stabilitatea tăierii, distanța dintre fața capătului duzei și suprafața piesei de prelucrat trebuie redusă la minimum, variind de obicei între 0,5 mm și 2,0 mm. Diametrul orificiului duzei trebuie să permită trecerea lină a fasciculului laser, împiedicând fasciculul să atingă peretele interior al orificiului. Cu cât diametrul orificiului este mai mic, cu atât este mai dificilă colimarea fasciculului. Pentru o anumită presiune a gazului auxiliar, există un interval optim de diametre ale orificiului duzei. Un orificiu excesiv de mic sau mare va împiedica îndepărtarea produselor topite din tăietură și va afecta viteza de tăiere.

Influența diametrului orificiului duzei asupra vitezei de tăiere în condiții de putere laser fixă și presiune a gazului auxiliar este prezentată în Figurile 4.12 și 4.13. Se poate observa că există un diametru optim al orificiului duzei care atinge viteza maximă de tăiere. Această valoare optimă este de aproximativ 1,5 mm, indiferent dacă se utilizează oxigen sau argon ca gaz auxiliar.

Testele efectuate asupra tăierii cu laser a aliajelor dure (care sunt dificil de tăiat) arată că diametrul optim al orificiului duzei este foarte apropiat de rezultatele de mai sus, așa cum se ilustrează în Figura 4.14. Diametrul orificiului duzei afectează, de asemenea, lățimea tăieturii și lățimea zonei afectate termic (ZAT). După cum se arată în Figura 4.15, odată cu creșterea diametrului orificiului duzei, lățimea tăieturii crește, în timp ce lățimea ZAT se îngustează. Principalul motiv pentru îngustarea ZAT este efectul sporit de răcire al fluxului de gaz auxiliar asupra materialului de bază din zona de tăiere.

2.3 Parametrii echipamentului de tăiere cu laser

2.3.1 Echipament de tăiere acționat cu torță

În echipamentele de tăiere acționate de torță, torța de tăiere este montată pe un portal mobil și se mișcă orizontal de-a lungul grinzii portalului (axa Y). Portalul acționează torța pentru a se deplasa de-a lungul axei X, în timp ce piesa de prelucrat este fixată pe masa de lucru. Deoarece laserul și torța de tăiere sunt aranjate separat, caracteristicile de transmisie laser, paralelismul de-a lungul direcției de scanare a fasciculului și stabilitatea oglinzilor reflectorizante sunt toate afectate în timpul procesului de tăiere.

Echipamentele de tăiere acționate de torță pot prelucra piese de dimensiuni mari. Acestea ocupă o suprafață relativ mică pentru zona de producție de tăiere și pot fi ușor integrate cu alte echipamente pentru a forma o linie de producție. Cu toate acestea, precizia lor de poziționare este de numai ±0,04 mm.

Structura tipică a echipamentului de tăiere acționat de torță este prezentată în Figura 4.19. Se adoptă o mașină de tăiere cu laser CO₂ cu undă continuă, distanța dintre laser și torța de tăiere fiind de 18 m. Pentru a se asigura că modificarea diametrului fasciculului pe această distanță de transmisie nu interferează cu operațiunile de tăiere, combinația de oglinzi oscilatoare trebuie proiectată cu atenție.

Principalii parametri tehnici ai echipamentelor de tăiere acționate cu torță sunt următorii:

Putere de ieșire laser: 1,5 kW (monomod), 3 kW (multimod)
Cursa torței: axa X 6,2 m, axa Y 2,6 m
Viteză de deplasare: 0–10 m/min (reglabilă)
Cursă flotantă a torței pe axa Z: 150 mm
Viteză de reglare a axei Z a torței: 300 mm/min
Dimensiunea maximă a plăcii de oțel prelucrate: 12 mm × 2400 mm × 6000 mm
Sistem de control: Mod de control NC integrat

2.3.2 Echipament de tăiere acționat de masă XY

În echipamentul de tăiere acționat de masa XY, torța de tăiere este fixată pe cadru, iar piesa de prelucrat este plasată pe masa de tăiere. Masa de tăiere se mișcă de-a lungul axelor X și Y conform comenzilor NC, cu o viteză de acționare reglabilă, de obicei între 0 și 1 m/min sau 0 și 5 m/min. Deoarece torța de tăiere rămâne staționară față de piesa de prelucrat, aceasta minimizează impactul asupra alinierii și centrării fasciculului laser în timpul procesului de tăiere, asigurând performanțe de tăiere uniforme și stabile. Atunci când este echipată cu o masă de tăiere de dimensiuni mici, cu o precizie mecanică ridicată, mașina atinge o precizie de poziționare de ±0,01 mm șiprecizie excelentă de tăiere, ceea ce o face deosebit de potrivită pentru tăierea de precizie a componentelor mici. În plus, sunt disponibile mese de tăiere mai mari, cu o cursă pe axa X de 2300–2400 mm și o cursă pe axa Y de 1200–1300 mm, pentru prelucrarea pieselor de dimensiuni mari.

Principalii parametri tehnici ai echipamentului de tăiere acționat de masa XY sunt următorii:

Sursă laser: laser cu gaz CO₂ (tip tub drept semi-închis)
Sursă de alimentare laser: Tensiune de intrare 200 VAC; Tensiune de ieșire 0–30 kV; Curent maxim de ieșire 100 mA
Putere de ieșire laser: 550 W
Cursa mesei de tăiere: axa X 2300 mm, axa Y 1300 mm
Viteză de acționare a mesei de tăiere (reglabilă în trepte): 0,4–5,0 m/min, 0,2–2,5 m/min, 0,1–1,3 m/min, 0,05–0,6 m/min
Cursă flotantă a torței pe axa Z: 180 mm
Dimensiunea maximă a plăcii procesate: 6 mm × 1300 mm × 2300 mm
Sistem de control: Mod de control numeric (NC)

2.3.3 Echipament de tăiere cu acționare dublă (torță și masă)

Echipamentul de tăiere cu acționare dublă (torță și masă) se situează ca design între mașinile de tăiere acționate de torță și cele acționate de masă XY. Torța de tăiere este montată pe un portal și se mișcă orizontal de-a lungul grinzii portalului (axa Y), în timp ce masa de tăiere este acționată longitudinal. Acest design hibrid combină avantajele preciziei ridicate de tăiere cu eficiența economisirii spațiului. Cu o precizie de poziționare de ±0,01 mm și un interval de viteză de tăiere reglabil de 0–20 m/min, este una dintre cele mai utilizate mașini de tăiere de pe piață. Modelele mai mari ale acestei mașini oferă o cursă pe axa Y de 2000 mm și o cursă pe axa X de 6000 mm, permițând tăierea pieselor de dimensiuni mari.

Oscilatorul laser este montat pe portal, alături de torța de tăiere. Această configurație oferă o precizie excepțională la tăierea găurilor circulare. Mașina se mândrește, de asemenea, cu o eficiență ridicată a producției: poate tăia 46 de găuri circulare (10 mm în diametru) pe minut pe o placă de oțel cu grosimea de 1 mm.

2.3.4 Echipament de tăiere integrat

Într-unmașină de tăiat integrată, sursa laser este instalată pe cadru și se mișcă longitudinal odată cu acesta, în timp ce torța de tăiere este integrată cu mecanismul său de acționare pentru a se deplasa orizontal de-a lungul grinzii cadrului. Mașina utilizează control numeric pentru a tăia componente de diferite forme. Pentru a compensa variația lungimii căii optice cauzată de mișcarea orizontală a torței de tăiere, este de obicei echipat cu un modul de reglare a lungimii căii optice. Acest modul asigură un fascicul laser omogen în zona de tăiere și menține o calitate constantă a suprafeței de tăiere.

Data publicării: 17 decembrie 2025

Fundamentele tăierii cu laser și sistemul său de procesare — Echipament de tăiere cu laser