Машини за лазерно рязане

МашиниСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 6, 2014

Машини за лазерно рязане

Hапредъкът в развитието на лазерните технологии доведе до бързото им популяризиране в сферата на прецизната металообработка. Съвременните лазерни машини предлагат висока ефективност, безпрецедентни скорости на рязане, богати функционални възможности и позволяват значителна степен на автоматизация на обработката на материала.

Всичко това значително увеличава производителността на процесите. В сравнение с механичното рязане, лазерното рязане не замърсява материала, тъй като липсва физически контакт, поради което не се налага и допълнителна обработка на продукта.

Също така то осигурява много висока точност на рязане, което е особено важно за редица индустриални приложения - рязане на листови материали и тежки метали, както и индустриални компоненти с различни размери и твърдост.

Видове използвани лазери
Използваните лазери в машините за рязане най-често биват твърдотелни (полупроводникови) и газови. Твърдотелните лазери са импулсни или непрекъснати. Активната среда на лазера са диелектрични кристали и стъкла, в които някои от образуващите ги йони са заместени с йони на редкоземни и преходни метали.

За момента най-широко използвани са твърдотелните лазери, при които лазерният лъч се генерира в кристална пръчка от итриево-алуминиев гранат, активиран с неодим (Nd:YAG). Дължината на вълната на лъча обикновено е от 1 до 3 микрона. Лъчът се характеризира с много къс импулс и повторение на специфична честота. Този лазер се явява един от най-мощните импулсни лазери.

Твърдотелни (полупроводникови) лазери
Лазерът на основата на полупроводници се състои от два полупроводника от различни типове, съединени заедно. На границата между двата типа се образува т.нар. преходна зона. Атомите на веществото в тази зона са способни да се възбуждат при преминаване на електрически ток през зоната и да генерират светлина. При добавяне на огледала е възможно получаването на лазерно излъчване.

Малките размери на полупроводниковите лазери ги правят много удобни там, където е нужен миниатюрен източник на светлина с голяма мощност. Недостатъкът им се състои в по-малката кохерентност и монохроматичност в сравнение с другите видове лазери. Сред тези лазери за най-добър се смята лазерът на основата на галиев арсенид.

Фиброоптичните лазери
са разновидност на твърдотелните лазери. Те са едни от най-съвременните лазери, които се наложиха на пазара през последните няколко години. Предимствата им ги правят предпочитани в редица технологични процеси и обуславят бързото им навлизане в производството.

Отличават се с висока икономическа ефективност, ниски разходи за захранване на напомпващите диоди и за охлаждане; лесен транспорт на лазерното лъчение по фиброоптично влакно до зоната на обработка; времева и пространствена стабилност на лъчението през цялото време на работа. Също така фиброоптичните лазери се характеризират с малки габарити, което е предпоставка за мобилност и вграждане в технологични поточни линии.

Този тип лазери използват като активен елемент сърцевината на оптичното влакно, която бива активирана с йони на итербий, ербий, неодим, диспрозий, празеодим или тилий. В системите за технологично рязане приложение намират предимно итербия и неодимът. Напомпването на активната среда на лазера става по оптичен път като успоредно на сърцевината на стъклото се вкарва лъчението от напомпващи диодни лазери.

Коаксиално на стъкловлакното има зона за въздушно или водно охлаждане. На границата на тези две зони настъпва пълно вътрешно отражение. В резултат на това лъчението от напомпващите диоди многократно преминава през активната среда и се усилва.

Газови лазери
Както е видно от наименованието, работното вещество в газовите лазери са различни видове газове, затворени в прозрачни тръби. Налягането в тях е стотици пъти по-ниско от атмосферното. Газовете при ниско налягане добре провеждат електрически ток, затова техните атоми могат да се възбуждат просто с електрически разряд.

В зависимост от вида на частиците, играещи ролята на активни центрове, се различават лазери с активна среда неутрални атоми и лазери с активна среда свободни молекули. Типичен представител на лазерите с активна среда неутрални атоми е хелиово-неоновият лазер. Активната среда е смес от газове хелий и неон, поставена в затворена стъклена тръба. На тръбата се подава високо напрежение и възниква газов разряд.

Получените при газовия разряд свободни електрони се ускоряват от електричното поле, удрят се в атомите на хелия и ги привеждат във възбудено състояние: един от електроните на хелиевия атом преминава от основното състояние в най-близо разположеното по енергия възбудено състояние.

Когато след това възбуден атом на хелия се удари в атом на неона, той му предава допълнителната си енергия-електронът на хелиевия атом се връща в основното си състояние, а електрон от външния слой на неона преминава в едно от високите възбудени състояния на неона което има приблизително същата енергия, както възбуденото състояние на хелия.

Получената светлинна вълна се отразява от двете огледала, многократно преминава през активната среда и се усилва от стимулираното излъчване на голям брой атоми. В резултат на тези процеси се формира сноп от кехерентна лазерна светлина с дължина на вълната 632,8 nm.
Пример за лазер с активна среда свободни молекули са

CO2 лазерите
Те намират широко приложение в металургията, за обработка на метали и неметали и извършването на технологични операции като пробиване, рязане, и други. При тях лазерният лъч се генерира във вакуум, съдържащ CO2 газ. Сред основните им предимства се посочват добрата насоченост и монохроматичност на излъчването, както и възможността им да работят в непрекъснат режим.

Машините за лазерно рязане
се отличават с висока точност на позициониране, което обуславя икономическата ефективност на рязането. Те дават възможност за изрязване на детайли с всякакъв контур, с различно ниво на сложност. Считат се за особено подходящи в случай на производство на малка партида изделия, тъй като крайната им себестойност е по-ниска в сравнение с някои други методи за производство.

Повечето съвременни лазерни машини работят с ‘’летяща оптика” (Flying Optics Laser). Конструкцията включва неподвижна маса, върху която е положен листовият материал и режеща глава с лазерен лъч, която се движи над него по оси X, Y и Z. Този тип конструкция дава изключително високи стойности на ускорението и максимална точност на компонентната геометрия.

Движението по осите се управлява от серводвигатели. Скоростта на работа зависи предимно от мощността на лазерния лъч. Немалко съвременни машини за лазерно рязане са оборудвани със система за зареждане и отвеждане на детайлите. Наличието на тези устройства значително повишава производителността на машината и в резултат снижава себестойността на готовата продукция.

Програмното осигуряване на голяма част от машините за лазерно рязане дава възможност да се проектира триизмерен модел на изготвяната конструкция. Точността на режещия инструмент при лазерното рязане е изключително висока, което напълно изключва възможност за неточна проекция на планираното изображение.

Отчитайки, че лазерът на практика не влияе на явната деформация на метала, лазерното рязане може да се използва и за производството на много крехки части или декоративни изделия. Машините за лазерно рязане позволяват да се получи минимална площ на разреза, при това почти напълно отсъстват деформации на краищата.

Също така като цяло при използването на лазерно рязане се получават по-малко отпадни продукти. Наред с редицата предимства, все пак е добре да се има предвид, че използването на лазерно оборудване се счита за целесъобразно в тези случаи, в които е необходимо да се изпълнят действия като: машинна обработка на метал без високи начални загуби и физически контакт с метала, обработка на метала без използването на голямо количество ръчен труд, рязане на метали, което не предполага последваща обработка на детайла, високоскоростно рязане на метал, което да е съпроводено с незначителни топлинни въздействия на повърхността на метала.

Top