Основы лазерной резки и системы обработки —Оборудование для лазерной резки

II. Состав оборудования для лазерной резки

2.1 Компоненты и принцип работы станка лазерной резки

Станок для лазерной резки состоит из лазерного излучателя, режущей головки, узла передачи луча, рабочего стола станка, системы числового управления (ЧПУ), компьютера (аппаратного и программного обеспечения), чиллера, баллона с защитным газом, пылесборника и осушителя воздуха.

Лазерный генератор

Лазерный генератор — это устройство, производящее лазерный свет. Для лазерной резки большинство станков используют CO₂-лазеры, которые отличаются высокой эффективностью электрооптического преобразования и высокой выходной мощностью, за исключением нескольких случаев, когда используются твердотельные YAG-лазеры. Не все лазеры подходят для резки, поскольку лазерная резка предъявляет строгие требования к качеству луча.
Режущая головка

В основном он состоит из таких компонентов, как сопло, фокусирующая линза и система слежения за фокусом.

Привод режущей головки используется для перемещения режущей головки вдоль оси Z в соответствии с заданными программами. Он состоит из серводвигателя и элементов трансмиссии, таких как ходовые винты или шестерни.

(1) Сопло: Существует три основных типа сопел: параллельного типа, сходящегося типа и конического типа.

(2) Фокусирующая линза: Для выполнения резки с использованием энергии лазерного луча исходный луч, излучаемый лазером, должен быть сфокусирован с помощью линзы для формирования светового пятна с высокой плотностью энергии. Линзы со средним и длинным фокусным расстоянием подходят для резки толстых пластин и предъявляют меньшие требования к стабильности шага системы слежения. Линзы с коротким фокусным расстоянием подходят только для резки тонких пластин толщиной менее 3 мм; они предъявляют строгие требования к стабильности шага системы слежения, но могут значительно снизить требуемую выходную мощность лазера.

(3) Система слежения: Система слежения за фокусом лазерного станка обычно состоит из фокусирующей режущей головки и системы датчиков слежения. Режущая головка объединяет функции направления и фокусировки луча, водяного охлаждения, продувки газом и механической регулировки.

Датчик состоит из чувствительных элементов и блока управления усилением. Системы слежения полностью различаются в зависимости от типа чувствительных элементов. Существует два основных типа: емкостная система слежения, также известная как бесконтактная система слежения; и индуктивная система слежения, также называемая контактной системой слежения.
Сборочный узел передачи луча

Внешний оптический тракт: Отражающие зеркала используются для направления лазерного луча в нужном направлении. Для предотвращения сбоев в работе тракта луча все отражающие зеркала защищены экранами, а для предотвращения загрязнения зеркал подается чистый защитный газ под избыточным давлением. Высокоэффективная линза может сфокусировать нерасходящийся луч в бесконечно малое пятно. Обычно используется линза с фокусным расстоянием 5,0 дюймов, тогда как линза с фокусным расстоянием 7,5 дюймов применима только для резки материалов толщиной более 12 мм.
Рабочий стол станка

Основной корпус станка: секция станкастанок лазерной резкиЭто механическая часть, обеспечивающая перемещение по осям X, Y и Z, включая рабочую платформу для резки.
Система числового управления

Система ЧПУ управляет станком для осуществления перемещений по осям X, Y, Z и одновременно регулирует выходную мощность лазера.
Система охлаждения

Охлаждающая установка: Она используется для охлаждения лазерного генератора. Лазер — это устройство, преобразующее электрическую энергию в световую. Например, эффективность преобразования газового CO₂-лазера обычно составляет 20%, а оставшаяся энергия преобразуется в тепло. Охлаждающая вода отводит избыточное тепло, обеспечивая нормальную работу лазерного генератора. Охлаждающая установка также охлаждает внешние оптические зеркала и фокусирующие линзы станка, обеспечивая стабильное качество передачи луча и эффективно предотвращая деформацию или растрескивание линз из-за перегрева.
Газовые баллоны

В состав газовых баллонов входят баллоны с рабочей средой и вспомогательные газовые баллоны для станков лазерной резки, которые используются для дополнения промышленных газов, необходимых для лазерной генерации, и подачи вспомогательных газов для режущей головки.
Система пылеудаления

Она удаляет дым и пыль, образующиеся в процессе обработки, и проводит фильтрацию, чтобы гарантировать соответствие выбросов отработавших газов экологическим стандартам.
Осушитель и фильтр воздушного охлаждения

Она подает чистый сухой воздух к лазерному генератору и тракту лазерного луча, поддерживая нормальную работу тракта лазерного луча и отражающих зеркал.

2.2 Резак для лазерной резки

Ниже представлена конструктивная схема резака для лазерной резки. Он состоит в основном из корпуса резака, фокусирующей линзы, отражающего зеркала и вспомогательного газового сопла. Во время лазерной резки резак должен соответствовать следующим требованиям:

① Горелка может выбрасывать достаточный поток газа.

② Направление выброса газа внутри горелки должно совпадать с оптической осью отражающего зеркала.

③ Фокусное расстояние фонаря легко регулируется.

④ В процессе резки металлические пары и брызги от разрезаемого металла не должны повреждать отражающее зеркало.

Перемещение резака регулируется системой ЧПУ. Существует три сценария относительного перемещения резака и заготовки:

① Горелка остается неподвижной, в то время как заготовка перемещается по рабочему столу — подходит в основном для заготовок небольших размеров.

② Заготовка остается неподвижной, в то время как горелка перемещается.

③ И горелка, и рабочий стол движутся одновременно.

2.2.1 Режущая головка

Лазерная режущая головка расположена на конце системы передачи луча и состоит из фокусирующей линзы и режущего сопла.

Фокусирующие линзы в основном классифицируются по фокусному расстоянию. Большинство лазерных станков для резки оснащены несколькими режущими головками с различными фокусными расстояниями. В качестве примера рассмотрим лазерную резку CO₂, где распространенными являются фокусные расстояния 127 мм (5 дюймов) и 190 мм (7,5 дюймов). Линза с коротким фокусным расстоянием создает небольшое фокусное пятно и малую глубину резкости, что способствует уменьшению ширины пропила и получению более тонких разрезов. Линза с длинным фокусным расстоянием обеспечивает большее фокусное пятно и большую глубину резкости. По сравнению с линзами с коротким фокусным расстоянием, линзы с длинным фокусным расстоянием могут обеспечить сфокусированный луч с плотностью лазерной энергии, достаточной для обработки материала вблизи фокусной точки. Поэтому линзы с коротким фокусным расстоянием в основном используются для точной резки тонких пластин, в то время как линзы с длинным фокусным расстоянием необходимы для более толстых материалов, чтобы получить достаточную глубину резкости, обеспечивая минимальное изменение диаметра пятна и достаточную плотность мощности в диапазоне толщины резки.

Фокусирующие линзы используются для фокусировки параллельного лазерного луча, падающего на резак, что позволяет уменьшить размер пятна и повысить плотность мощности. Линзы изготавливаются из материалов, способных пропускать лазерный луч определенной длины волны. Для твердотельных лазеров обычно используется оптическое стекло, тогда как для газовых CO₂-лазеров применяются такие материалы, как ZnSe, GaAs и Ge (поскольку обычное стекло непрозрачно для лазерных лучей CO₂), среди которых ZnSe является наиболее распространенным.

При лазерной резке желательно минимизировать диаметр фокусного пятна для увеличения удельной мощности и обеспечения высокоскоростной резки. Однако меньшее фокусное расстояние линзы приводит к меньшей глубине резкости, что затрудняет получение перпендикулярной поверхности реза при резке толстых пластин. Кроме того, меньшее фокусное расстояние уменьшает расстояние между линзой и заготовкой, увеличивая риск загрязнения линзы брызгами расплавленного металла во время резки и влияя на нормальную работу. Поэтому соответствующее фокусное расстояние следует определять комплексно, исходя из таких факторов, как толщина реза и требования к качеству резки.

2.2.2 Отражающее зеркало

Функция отражающего зеркала заключается в изменении направления лазерного луча. Для лучей твердотельных лазеров могут использоваться отражающие зеркала из оптического стекла. В отличие от них, отражающие зеркала в устройствах для резки CO₂-лазером обычно изготавливаются из меди или металлов с высокой отражательной способностью. Для предотвращения повреждений, вызванных перегревом от лазерного излучения во время работы, отражающие зеркала обычно охлаждаются водой.

2.2.3 Сопло

Сопло используется для распыления вспомогательного газа в зону резки, и его конструкция оказывает определенное влияние на эффективность и качество резки. На рисунке 4.11 показаны распространенные формы сопел для лазерной резки; формы отверстий сопел включают цилиндрические, конические и сужающе-расширяющиеся типы.

Выбор сопла обычно определяется на основе испытаний, учитывающих материал и толщину заготовки, а также давление вспомогательного газа. При лазерной резке обычно используются коаксиальные сопла (где поток газа соосен с оптической осью). Если поток газа и лазерный луч не соосны, во время резки может возникнуть чрезмерное разбрызгивание. Внутренняя стенка сопла должна быть гладкой, чтобы обеспечить беспрепятственный поток газа и избежать турбулентности, которая может повлиять на качество пропила. Для обеспечения стабильности резки расстояние между торцом сопла и поверхностью заготовки должно быть минимальным, обычно в диапазоне от 0,5 мм до 2,0 мм. Диаметр сопла должен обеспечивать беспрепятственное прохождение лазерного луча, предотвращая его касание внутренней стенки сопла. Чем меньше диаметр сопла, тем сложнее коллимировать луч. Для заданного давления вспомогательного газа существует оптимальный диапазон диаметров сопла. Слишком маленькое или слишком большое отверстие будет препятствовать удалению расплавленных продуктов из пропила и влиять на скорость резания.

Влияние диаметра сопла на скорость резки при фиксированной мощности лазера и давлении вспомогательного газа показано на рисунках 4.12 и 4.13. Видно, что существует оптимальный диаметр сопла, обеспечивающий максимальную скорость резки. Это оптимальное значение составляет приблизительно 1,5 мм независимо от того, используется ли кислород или аргон в качестве вспомогательного газа.

Испытания лазерной резки твердых сплавов (которые трудно резать) показывают, что оптимальный диаметр сопла очень близок к приведенным выше результатам, как показано на рисунке 4.14. Диаметр сопла также влияет на ширину пропила и ширину зоны термического воздействия (ЗТВ). Как показано на рисунке 4.15, с увеличением диаметра сопла ширина пропила увеличивается, а ширина ЗТВ сужается. Основная причина сужения ЗТВ — усиленный охлаждающий эффект вспомогательного газового потока на основной материал в зоне резания.

2.3 Параметры оборудования для лазерной резки

2.3.1 Оборудование для резки с помощью горелки

В оборудовании для резки с помощью лазерного резака, резак установлен на подвижном портале и перемещается горизонтально вдоль балки портала (ось Y). Портал приводит резак в движение вдоль оси X, в то время как заготовка закреплена на рабочем столе. Поскольку лазер и резак расположены раздельно, характеристики лазерного излучения, параллельность вдоль направления сканирования луча и стабильность отражающих зеркал изменяются в процессе резки.

Оборудование для резки с помощью горелки позволяет обрабатывать заготовки больших размеров. Оно занимает относительно небольшую площадь в зоне резки и легко интегрируется с другим оборудованием для формирования производственной линии. Однако точность позиционирования составляет всего ±0,04 мм.

Типичная конструкция оборудования для резки с помощью горелки показана на рисунке 4.19. Используется станок для непрерывной лазерной резки CO₂, расстояние от лазера до режущей горелки составляет 18 м. Для обеспечения того, чтобы изменение диаметра луча на этом расстоянии не мешало операциям резки, необходимо тщательно продумать комбинацию зеркал генератора.

Основные технические параметры оборудования для резки с помощью газовой горелки следующие:

Выходная мощность лазера: 1,5 кВт (одномодовый режим), 3 кВт (многомодовый режим).
Ход горелки: по оси X 6,2 м, по оси Y 2,6 м
Скорость движения: 0–10 м/мин (регулируемая)
Плавающий ход по оси Z горелки: 150 мм
Скорость регулировки оси Z горелки: 300 мм/мин.
Максимальный размер обрабатываемой стальной пластины: 12 мм × 2400 мм × 6000 мм
Система управления: Интегрированный режим ЧПУ-управления

2.3.2 Оборудование для резки с XY-приводом

В станках для резки с XY-приводом резак закреплен на раме, а заготовка размещена на режущем столе. Режущий стол перемещается вдоль осей X и Y в соответствии с командами ЧПУ, при этом регулируемая скорость перемещения обычно составляет от 0 до 1 м/мин или от 0 до 5 м/мин. Поскольку резак остается неподвижным относительно заготовки, это минимизирует влияние на выравнивание и центрирование лазерного луча во время процесса резки, обеспечивая равномерную и стабильную резку. При оснащении малогабаритным режущим столом с высокой механической точностью станок обеспечивает точность позиционирования ±0,01 мм.превосходная точность резкиЭто делает его особенно подходящим для точной резки мелких деталей. Кроме того, для обработки крупногабаритных заготовок доступны более крупные режущие столы с ходом по оси X 2300–2400 мм и ходом по оси Y 1200–1300 мм.

Основные технические параметры станка для резки с XY-приводом следующие:

Источник лазерного излучения: газовый лазер на CO₂ (полузакрытый прямотрубный тип).
Источник питания лазера: входное напряжение 200 В переменного тока; выходное напряжение 0–30 кВ; максимальный выходной ток 100 мА.
Мощность лазерного луча: 550 Вт
Ход режущего стола: ось X 2300 мм, ось Y 1300 мм
Скорость вращения режущего стола (ступенчатая регулировка): 0,4–5,0 м/мин, 0,2–2,5 м/мин, 0,1–1,3 м/мин, 0,05–0,6 м/мин
Плавающий ход по оси Z горелки: 180 мм
Максимальный размер обрабатываемой пластины: 6 мм × 1300 мм × 2300 мм
Система управления: режим числового программного управления (ЧПУ).

2.3.3 Двухприводное режущее оборудование (горелка и стол)

Двухприводное режущее оборудование (резак и стол) по своей конструкции занимает промежуточное положение между станками с резкой с помощью резака и станками с приводом от стола по осям XY. Резак установлен на портале и перемещается горизонтально вдоль балки портала (ось Y), в то время как режущий стол перемещается продольно. Эта гибридная конструкция сочетает в себе преимущества высокой точности резки и компактности. Благодаря точности позиционирования ±0,01 мм и регулируемому диапазону скорости резки 0–20 м/мин, это один из наиболее широко используемых станков для резки на рынке. Более крупные модели этого станка предлагают ход по оси Y 2000 мм и ход по оси X 6000 мм, что позволяет обрабатывать заготовки больших размеров.

Лазерный генератор установлен на портале рядом с резаком. Такая конфигурация обеспечивает исключительную точность при резке круглых отверстий. Станок также отличается высокой производительностью: он может вырезать 46 круглых отверстий (диаметром 10 мм) в минуту на стальной пластине толщиной 1 мм.

2.3.4 Интегрированное режущее оборудование

Винтегрированный режущий станокИсточник лазерного луча устанавливается на раме и перемещается вдоль нее, в то время как режущий резак, благодаря встроенному приводному механизму, перемещается горизонтально вдоль балки рамы. Станок использует числовое управление для резки деталей различной формы. Для компенсации изменения длины оптического пути, вызванного горизонтальным перемещением режущего резака, обычно устанавливается модуль регулировки длины оптического пути. Этот модуль обеспечивает однородность лазерного луча в зоне резки и поддерживает стабильное качество поверхности резки.

Дата публикации: 17 декабря 2025 г.