Laserleikkauksen perusteet ja sen prosessointijärjestelmä —Laserleikkauslaitteet

II. Laserleikkauslaitteiden kokoonpano

2.1 Laserleikkauskoneen komponentit ja toimintaperiaate

Laserleikkauskone koostuu lasersäteilijästä, leikkauspäästä, säteensiirtokokoonpanosta, työstökoneen työpöydästä, numeerisesta ohjausjärjestelmästä (NC), tietokoneesta (laitteistosta ja ohjelmistosta), jäähdyttimestä, suojakaasusylinteristä, pölynkerääjästä ja ilmankuivaimesta.

Lasergeneraattori

Lasergeneraattori on laite, joka tuottaa laservalonlähteitä. Laserleikkaussovelluksissa useimmat koneet käyttävät CO₂-kaasulasereita, joilla on korkea sähköoptinen muunnostehokkuus ja suuri teho, lukuun ottamatta muutamia tapauksia, joissa käytetään YAG-kiinteän olomuodon lasereita. Kaikki laserit eivät sovellu leikkaamiseen, koska laserleikkaus asettaa tiukat vaatimukset säteen laadulle.
Leikkauspää

Se koostuu pääasiassa komponenteista, kuten suuttimesta, tarkennuslinssistä ja tarkennuksen seurantajärjestelmästä.

Leikkuupään käyttölaitetta käytetään leikkuupään liikuttamiseen Z-akselia pitkin ennalta asetettujen ohjelmien mukaisesti. Se koostuu servomoottorista ja voimansiirto-osista, kuten johtoruuveista tai hammaspyöristä.

(1) Suutin: Suuttimia on kolmea päätyyppiä: rinnakkaistyyppi, konvergentti tyyppi ja kartiomainen tyyppi.

(2) Tarkennuslinssi: Lasersäteen energialla leikkaamisen suorittamiseksi laserin lähettämä alkuperäinen säde on tarkennettava linssin läpi muodostaen suuren energiatiheyden omaavan valopisteen. Keskipitkän ja pitkän polttovälin linssit soveltuvat paksujen levyjen leikkaamiseen, ja niillä on alhaisemmat vaatimukset seurantajärjestelmän etäisyyden vakaudelle. Lyhyen polttovälin linssit soveltuvat vain alle 3 mm:n ohuiden levyjen leikkaamiseen; niillä on tiukat vaatimukset seurantajärjestelmän etäisyyden vakaudelle, mutta ne voivat merkittävästi vähentää tarvittavaa laserin lähtötehoa.

(3) Seurantajärjestelmä: Laserleikkauskoneen tarkennuksen seurantajärjestelmä koostuu yleensä tarkennusleikkuupäästä ja seuranta-anturijärjestelmästä. Leikkauspää yhdistää säteen ohjauksen ja tarkennuksen, vesijäähdytyksen, kaasun puhalluksen ja mekaanisen säädön toiminnot.

Anturi koostuu tunnistuselementeistä ja vahvistusohjausyksiköstä. Seurantajärjestelmät vaihtelevat täysin tunnistuselementtien tyypistä riippuen. Saatavilla on kaksi päätyyppiä: kapasitiivinen anturiseurantajärjestelmä, joka tunnetaan myös kosketuksettomana seurantajärjestelmänä, ja induktiivinen anturiseurantajärjestelmä, jota kutsutaan myös kosketusseurantajärjestelmäksi.
Säteensiirtokokoonpano

Ulkoinen optinen reitti: Heijastavia peilejä käytetään ohjaamaan lasersädettä haluttuun suuntaan. Säteen reitin toimintahäiriöiden estämiseksi kaikki heijastavat peilit on suojattu suojilla, ja peilien likaantumisen estämiseksi niihin johdetaan puhdasta ylipaineista suojakaasua. Tehokas linssi voi kohdistaa hajaantumattoman säteen äärettömän pieneen pisteeseen. Yleisesti käytetään 5,0 tuuman polttovälin omaavaa linssiä, kun taas 7,5 tuuman linssi soveltuu vain yli 12 mm paksujen materiaalien leikkaamiseen.
Konetyökalun työpöytä

Pääkoneen runko: Koneen työstökoneosalaserleikkauskoneon mekaaninen osa, joka toteuttaa X-, Y- ja Z-akseleiden liikkeen, mukaan lukien leikkaustyöalusta.
Numeerinen ohjausjärjestelmä

NC-järjestelmä ohjaa työstökonetta X-, Y- ja Z-akselien liikkeiden saavuttamiseksi ja säätää samalla laserin lähtötehoa.
Jäähdytysjärjestelmä

Jäähdytysyksikkö: Sitä käytetään lasergeneraattorin jäähdyttämiseen. Laser on laite, joka muuntaa sähköenergian valoenergiaksi. Esimerkiksi CO₂-kaasulaserin muuntotehokkuus on yleensä 20 %, ja jäljelle jäävä energia muuttuu lämmöksi. Jäähdytysvesi poistaa ylimääräisen lämmön lasergeneraattorin normaalin toiminnan ylläpitämiseksi. Jäähdytysyksikkö jäähdyttää myös työstökoneen ulkoisia optisia peilejä ja tarkennuslinssejä varmistaen vakaan säteenläpäisylaadun ja estäen tehokkaasti linssin muodonmuutoksen tai halkeilun ylikuumenemisen vuoksi.
Kaasupullot

Kaasupulloihin kuuluvat työväliainepullot ja laserleikkauskoneen apukaasupullot, joita käytetään laseroskillaatiossa käytettävien teollisuuskaasujen täydentämiseen ja leikkauspään apukaasujen syöttämiseen.
Pölynpoistojärjestelmä

Se poistaa käsittelyn aikana syntyvän savun ja pölyn ja suorittaa suodatuskäsittelyn varmistaakseen, että pakokaasupäästöt täyttävät ympäristönsuojelustandardit.
Ilmajäähdytyskuivain ja -suodatin

Se syöttää puhdasta, kuivaa ilmaa lasergeneraattorille ja säderatalle ylläpitäen säderadan ja heijastavien peilien normaalia toimintaa.

2.2 Leikkauspoltin laserleikkaukseen

Laserleikkauksessa käytettävän leikkauspolttimen rakennekaavio on esitetty alla. Se koostuu pääasiassa polttimen rungosta, tarkennuslinssistä, heijastavasta peilistä ja apukaasusuuttimesta. Laserleikkauksessa leikkauspolttimen on täytettävä seuraavat vaatimukset:

① Poltin voi syöttää riittävän kaasuvirtauksen.

② Polttimen sisällä olevan kaasun poistosuunnan on oltava koaksiaalinen heijastavan peilin optisen akselin kanssa.

③ Taskulampun polttoväliä voidaan säätää helposti.

④ Leikkauksen aikana leikatusta metallista tulevat metallihöyryt ja roiskeet eivät saa vahingoittaa heijastavaa peiliä.

Leikkauspolttimen liikettä säädetään NC-liikejärjestelmällä. Leikkauspolttimen ja työkappaleen väliselle suhteelliselle liikkeelle on kolme mahdollista skenaariota:

① Poltin pysyy paikallaan työkappaleen liikkuessa työpöydän kautta – sopii pääasiassa pienille työkappaleille.

② Työkappale pysyy paikallaan polttimen liikkuessa.

③ Sekä poltin että työpöytä liikkuvat samanaikaisesti.

2.2.1 Leikkuupää

Laserleikkauspää sijaitsee säteensiirtojärjestelmän päässä ja koostuu tarkennuslinssistä ja leikkaussuuttimesta.

Tarkennuslinssit luokitellaan pääasiassa polttovälin mukaan. Useimmissa laserleikkauslaitteissa on useita leikkauspäitä, joilla on eri polttovälit. Esimerkiksi CO₂-laserleikkauksessa yleisiä polttovälejä ovat 127 mm ja 190 mm. Lyhyen polttovälin linssi tuottaa pienen polttopisteen ja lyhyen polttovälin, mikä auttaa pienentämään leikkausleveyttä ja saavuttamaan hienompia leikkauksia. Pitkän polttovälin linssi tuottaa suuremman polttopisteen ja pidemmän polttovälin. Lyhyen polttovälin linsseihin verrattuna pitkän polttovälin linssit voivat tuottaa tarkennetun säteen, jonka lasersäteen energiatiheys on riittävä materiaalin käsittelyyn polttopisteen lähellä. Siksi lyhyen polttovälin linssejä käytetään enimmäkseen ohuiden levyjen tarkkaan leikkaamiseen, kun taas pitkän polttovälin linssejä tarvitaan paksummille materiaaleille riittävän polttovälin saavuttamiseksi. Näin varmistetaan, että pisteen halkaisijan vaihtelu on minimaalinen ja tehotiheys riittävä leikkauspaksuusalueella.

Tarkennuslinssejä käytetään leikkauspolttimeen tulevan yhdensuuntaisen lasersäteen tarkentamiseen, jolloin saavutetaan pienempi pistekoko ja suurempi tehotiheys. Linssit on valmistettu materiaaleista, jotka voivat läpäistä laserin aallonpituuden. Optista lasia käytetään yleisesti kiinteän olomuodon lasereissa, kun taas CO₂-kaasulasereissa käytetään materiaaleja, kuten ZnSe, GaAs ja Ge (koska tavallinen lasi ei ole läpinäkyvä CO₂-lasereille), joista ZnSe on yleisimmin käytetty.

Laserleikkauksessa polttopisteen halkaisijan minimointi on toivottavaa tehotiheyden lisäämiseksi ja nopean leikkauksen mahdollistamiseksi. Lyhyempi linssin polttoväli johtaa kuitenkin pienempään polttosyvyyteen, mikä vaikeuttaa kohtisuoran leikkauspinnan saavuttamista paksuja levyjä leikattaessa. Lisäksi lyhyempi polttoväli lyhentää linssin ja työkappaleen välistä etäisyyttä, mikä lisää linssin kontaminaatioriskiä sulan roiskeen vaikutuksesta leikkauksen aikana ja vaikuttaa normaaliin toimintaan. Siksi sopiva polttoväli tulisi määrittää kattavasti ottaen huomioon esimerkiksi leikkauspaksuuden ja leikkauslaatuvaatimukset.

2.2.2 Heijastava peili

Heijastavan peilin tehtävänä on muuttaa laserista lähtevän säteen suuntaa. Kiinteän olomuodon lasereiden säteissä voidaan käyttää optisesta lasista valmistettuja heijastavia peilejä. Sitä vastoin CO₂-kaasulaserleikkauslaitteiden heijastavat peilit on yleensä valmistettu kuparista tai muista korkean heijastavuuden omaavista metalleista. Heijastavat peilit jäähdytetään tyypillisesti vedellä lasersäteilyn ylikuumenemisen aiheuttamien vaurioiden estämiseksi käytön aikana.

2.2.3 Suutin

Suutinta käytetään apukaasun suihkuttamiseen leikkausalueelle, ja sen rakenteella on tietty vaikutus leikkauksen tehokkuuteen ja laatuun. Kuva 4.11 esittää yleisiä laserleikkauksessa käytettäviä suutinmuotoja; suuttimen aukon muotoja ovat lieriömäiset, kartiomaiset ja suppenevat-hajaantuvat tyypit.

Suuttimen valinta tehdään yleensä testien avulla, jotka perustuvat työkappaleen materiaaliin ja paksuuteen sekä apukaasun paineeseen. Laserleikkauksessa käytetään yleensä koaksiaalisia suuttimia (joissa kaasun virtaus on koaksiaalinen optisen akselin kanssa). Jos kaasun virtaus ja lasersäde eivät ole koaksiaalisia, leikkauksen aikana on todennäköistä, että roiskuu liikaa. Suuttimen aukon sisäseinän tulee olla sileä esteettömän kaasun virtauksen varmistamiseksi ja turbulenssin välttämiseksi, joka voi vaikuttaa leikkausjäljen laatuun. Leikkauksen vakauden varmistamiseksi suuttimen päätypinnan ja työkappaleen pinnan välinen etäisyys on minimoitava, tyypillisesti 0,5 mm:stä 2,0 mm:iin. Suuttimen aukon halkaisijan on sallittava lasersäteen kulkea tasaisesti läpi estäen säteen koskettamasta aukon sisäseinämää. Mitä pienempi aukon halkaisija on, sitä vaikeampaa on kollimoida sädettä. Tietyllä apukaasun paineella on optimaalinen suuttimen aukon halkaisijoiden alue. Liian pieni tai suuri aukko estää sulan tuotteen poistumisen leikkausjäljestä ja vaikuttaa leikkausnopeuteen.

Suuttimen aukon halkaisijan vaikutus leikkausnopeuteen kiinteällä laserteholla ja apukaasun paineella on esitetty kuvissa 4.12 ja 4.13. Voidaan nähdä, että on olemassa optimaalinen suuttimen aukon halkaisija, jolla saavutetaan suurin leikkausnopeus. Tämä optimaalinen arvo on noin 1,5 mm riippumatta siitä, käytetäänkö apukaasuna happea vai argonia.

Kovametallien (vaikeasti leikattavien) laserleikkauksella tehdyt kokeet osoittavat, että optimaalinen suuttimen aukon halkaisija on hyvin lähellä yllä olevia tuloksia, kuten kuvassa 4.14 on esitetty. Suuttimen aukon halkaisija vaikuttaa myös leikkuuraon leveyteen ja lämpövaikutusvyöhykkeen (HAZ) leveyteen. Kuten kuvassa 4.15 on esitetty, suuttimen aukon halkaisijan kasvaessa leikkuuraon leveys kasvaa ja HAZ:n leveys kapenee. HAZ:n kaventumisen pääasiallinen syy on apukaasuvirtauksen tehostunut jäähdytysvaikutus perusmateriaaliin leikkausvyöhykkeellä.

2.3 Laserleikkauslaitteiden parametrit

2.3.1 Poltinkäyttöiset leikkauslaitteet

Poltinkäyttöisissä leikkauslaitteissa leikkauspoltin on asennettu liikkuvalle portaalille ja liikkuu vaakasuunnassa portaalipalkkia (Y-akselia) pitkin. Portaali liikuttaa poltinta X-akselia pitkin, kun taas työkappale on kiinnitetty työpöydälle. Koska laser ja leikkauspoltin on sijoitettu erikseen, laserin läpäisyominaisuudet, säteen skannaussuunnan yhdensuuntaisuus ja heijastavien peilien vakaus vaikuttavat kaikki leikkausprosessiin.

Poltinkäyttöinen leikkauslaitteisto pystyy käsittelemään suuria työkappaleita. Se vie suhteellisen pienen lattiapinta-alan leikkaustuotantoalueella ja se voidaan helposti integroida muihin laitteisiin tuotantolinjan muodostamiseksi. Sen paikannustarkkuus on kuitenkin vain ±0,04 mm.

Tyypillinen poltinkäyttöisen leikkauslaitteiston rakenne on esitetty kuvassa 4.19. Käytetään jatkuvatoimista CO₂-laserleikkauskonetta, jonka etäisyys laserista leikkauspolttimeen on 18 m. Jotta säteen halkaisijan muutos tällä lähetysmatkalla ei häiritse leikkaustoimintoja, oskillaattoripeilien yhdistelmä on suunniteltava huolellisesti.

Poltinkäyttöisten leikkauslaitteiden tärkeimmät tekniset parametrit ovat seuraavat:

Laserlähtöteho: 1,5 kW (yksitila), 3 kW (monitila)
Polttimen isku: X-akseli 6,2 m, Y-akseli 2,6 m
Ajonopeus: 0–10 m/min (säädettävä)
Polttimen Z-akselin kelluva isku: 150 mm
Polttimen Z-akselin säätönopeus: 300 mm/min
Jalostetun teräslevyn enimmäiskoko: 12 mm × 2400 mm × 6000 mm
Ohjausjärjestelmä: Integroitu NC-ohjaustila

2.3.2 XY-pöytäkäyttöinen leikkauslaitteisto

XY-pöytäkäyttöisessä leikkauslaitteessa leikkauspoltin on kiinnitetty runkoon ja työkappale asetetaan leikkauspöydälle. Leikkauspöytä liikkuu X- ja Y-akseleita pitkin NC-komentojen mukaisesti, ja säädettävä ajonopeus on tyypillisesti 0–1 m/min tai 0–5 m/min. Koska leikkauspoltin pysyy paikallaan työkappaleeseen nähden, se minimoi lasersäteen kohdistuksen ja keskityksen vaikutuksen leikkausprosessin aikana varmistaen tasaisen ja vakaan leikkaustehon. Kun kone on varustettu pienellä ja mekaanisesti tarkalla leikkauspöydällä, sen paikannustarkkuus on ±0,01 mm.erinomainen leikkaustarkkuus, joten se sopii erityisen hyvin pienten komponenttien tarkkaan leikkaukseen. Lisäksi suurten työkappaleiden työstämiseen on saatavilla suurempia leikkuupöytiä, joiden X-akselin isku on 2300–2400 mm ja Y-akselin isku 1200–1300 mm.

XY-pöytäkäyttöisen leikkauslaitteiston tärkeimmät tekniset parametrit ovat seuraavat:

Laserlähde: CO₂-kaasulaser (puolisuljettu suoraputkinen tyyppi)
Laservirtalähde: Tulojännite 200 VAC; Lähtöjännite 0–30 kV; Suurin lähtövirta 100 mA
Laserteho: 550 W
Leikkuupöydän isku: X-akseli 2300 mm, Y-akseli 1300 mm
Leikkuupöydän ajonopeus (portaittain säädettävä): 0,4–5,0 m/min, 0,2–2,5 m/min, 0,1–1,3 m/min, 0,05–0,6 m/min
Polttimen Z-akselin kelluva isku: 180 mm
Käsiteltävän levyn enimmäiskoko: 6 mm × 1300 mm × 2300 mm
Ohjausjärjestelmä: Numeerinen ohjaus (NC) -tila

2.3.3 Kaksoiskäyttöinen leikkauslaitteisto (poltin ja pöytä)

Kaksoiskäyttöinen leikkauslaitteisto (poltin ja pöytä) sijoittuu rakenteeltaan poltinkäyttöisten ja XY-pöytäkäyttöisten leikkauskoneiden väliin. Leikkauspoltin on asennettu portaaliin ja liikkuu vaakasuunnassa portaalipalkkia (Y-akseli) pitkin, kun taas leikkauspöytää käytetään pituussuunnassa. Tämä hybridirakenne yhdistää korkean leikkaustarkkuuden ja tilansäästötehokkuuden edut. ±0,01 mm:n paikannustarkkuuden ja 0–20 m/min:n säädettävän leikkausnopeusalueen ansiosta se on yksi markkinoiden käytetyimmistä leikkauskoneista. Koneen suuremmissa malleissa Y-akselin isku on 2000 mm ja X-akselin isku 6000 mm, mikä mahdollistaa suurten työkappaleiden leikkaamisen.

Laseroskillaattori on asennettu portaaliin leikkauspolttimen viereen. Tämä kokoonpano tarjoaa poikkeuksellisen tarkkuuden pyöreiden reikien leikkauksessa. Koneella on myös korkea tuotantotehokkuus: se voi leikata 46 pyöreää reikää (halkaisijaltaan 10 mm) minuutissa 1 mm paksulle teräslevylle.

2.3.4 Integroidut leikkauslaitteet

Eräässäintegroitu leikkauskone, laserlähde on asennettu runkoon ja liikkuu pituussuunnassa sen mukana, kun taas leikkauspoltin on integroitu käyttömekanismiinsa liikkuakseen vaakasuunnassa runkopalkkia pitkin. Kone käyttää numeerista ohjausta eri muotoisten komponenttien leikkaamiseen. Leikkauspolttimen vaakasuuntaisen liikkeen aiheuttaman optisen reitin pituuden vaihtelun kompensoimiseksi laitteessa on yleensä optisen reitin pituuden säätömoduuli. Tämä moduuli varmistaa homogeenisen lasersäteen leikkausalueella ja ylläpitää tasaisen leikkauspinnan laadun.

Julkaisun aika: 17.12.2025

Laserleikkauksen perusteet ja sen prosessointijärjestelmä — Laserleikkauslaitteet