Grondbeginsels van lasersny en die verwerkingsstelsel daarvan —Lasersnytoerusting
II. Samestelling van lasersnytoerusting
2.1 Komponente en werkbeginsel van lasersnymasjien
'n Lasersnymasjien bestaan uit 'n laseremitter, snykop, straaltransmissie-eenheid, masjienwerktafel, numeriese beheerstelsel (NC), rekenaar (hardeware en sagteware), verkoeler, beskermingsgassilinder, stofversamelaar en lugdroër.
-
Lasergenerator
Die lasergenerator is 'n toestel wat laserligbronne produseer. Vir lasersnytoepassings gebruik die meeste masjiene CO₂-gaslasers wat hoë elektro-optiese omskakelingsdoeltreffendheid en hoë kraglewering bied, behalwe vir 'n paar gevalle waar YAG-vastetoestandlasers gebruik word. Nie alle lasers is geskik vir sny nie, aangesien lasersny streng vereistes aan straalkwaliteit stel.
-
Snykop
Dit bestaan hoofsaaklik uit komponente soos 'n spuitstuk, fokuslens en fokusopsporingstelsel.
Die snykop-aandrywingstoestel word gebruik om die snykop aan te dryf om langs die Z-as te beweeg volgens voorafbepaalde programme. Dit bestaan uit 'n servomotor en transmissiedele soos loodskroewe of ratte.
(1) Spuitstuk: Daar is drie hooftipes spuitstukke: parallelle tipe, konvergente tipe en koniese tipe.
(2) Fokuslens: Om snywerk met laserstraalenergie uit te voer, moet die oorspronklike straal wat deur die laser uitgestraal word, deur 'n lens gefokus word om 'n ligkol met hoë energiedigtheid te vorm. Medium- en lang brandpuntsafstandlense is geskik vir die sny van dik plate en het laer vereistes vir die spasiëringstabiliteit van die dopstelsel. Kort brandpuntsafstandlense is slegs geskik vir die sny van dun plate onder 3 mm; hulle het streng vereistes vir die spasiëringstabiliteit van die dopstelsel, maar kan die vereiste laseruitsetkrag aansienlik verminder.
(3) Opsporingstelsel: Die fokusopsporingstelsel van 'n lasersnymasjien bestaan gewoonlik uit 'n fokusserende snykop en 'n opsporingssensorstelsel. Die snykop integreer funksies van straalgeleiding en -fokussering, waterverkoeling, gasblaas en meganiese aanpassing.
Die sensor bestaan uit sensorelemente en 'n versterkingsbeheereenheid. Opsporingstelsels wissel heeltemal afhangende van die tipe sensorelemente. Daar is twee hooftipes beskikbaar: een is die kapasitiewe sensoropsporingstelsel, ook bekend as die kontaklose opsporingstelsel; die ander is die induktiewe sensoropsporingstelsel, ook na verwys as die kontakopsporingstelsel.
-
Straaltransmissie-samestelling
Eksterne Optiese Pad: Reflektiewe spieëls word gebruik om die laserstraal in die verlangde rigting te lei. Om wanfunksies in die straalpad te voorkom, word alle reflektiewe spieëls deur skilde beskerm, en skoon positiewe-druk-beskermingsgas word ingebring om die spieëls vry van kontaminasie te hou. 'n Hoëprestasie-lens kan 'n nie-divergente straal in 'n oneindig klein kol fokus. 'n Lens met 'n brandpuntsafstand van 5.0 duim word algemeen gebruik, terwyl 'n lens van 7.5 duim slegs van toepassing is vir die sny van materiale dikker as 12 mm.
-
Masjiengereedskap Werktafel
Hoofmasjienliggaam: Die masjiengereedskapgedeelte van dielaser snymasjienis die meganiese deel wat die beweging van X-, Y- en Z-asse realiseer, insluitend die snywerkplatform.
-
Numeriese Beheerstelsel
Die NC-stelsel beheer die masjiengereedskap om X-, Y- en Z-asbewegings te bewerkstellig en reguleer terselfdertyd die uitsetkrag van die laser.
-
Verkoelingstelsel
Koeleenheid: Dit word gebruik om die lasergenerator af te koel. 'n Laser is 'n toestel wat elektriese energie in ligenergie omskakel. Byvoorbeeld, die omskakelingsdoeltreffendheid van 'n CO₂-gaslaser is gewoonlik 20%, met die oorblywende energie wat in hitte omgeskakel word. Koelwater verwyder oortollige hitte om die normale werking van die lasergenerator te handhaaf. Die koeleenheid verkoel ook die eksterne optiese padspieëls en fokuslense van die masjiengereedskap, wat stabiele straaltransmissiekwaliteit verseker en lensvervorming of krake as gevolg van oorverhitting effektief voorkom.
-
Gassilinders
Gassilinders sluit werkmediumsilinders en hulpgassilinders vir die lasersnymasjien in, wat gebruik word om industriële gasse vir laserossillasie aan te vul en hulpgasse vir die snykop te verskaf.
-
Stofverwyderingstelsel
Dit onttrek rook en stof wat tydens verwerking gegenereer word en voer filtrasiebehandeling uit om te verseker dat uitlaatgasvrystellings aan omgewingsbeskermingsstandaarde voldoen.
-
Lugverkoelingsdroër en filter
Dit verskaf skoon, droë lug aan die lasergenerator en straalpad, wat die normale werking van die straalpad en weerkaatsende spieëls handhaaf.
2.2 Snybrander vir lasersny
Die strukturele diagram van 'n snybrander vir lasersny word hieronder getoon. Dit bestaan hoofsaaklik uit 'n branderliggaam, fokuslens, reflektiewe spieël en hulpgasmondstuk. Tydens lasersny moet die snybrander aan die volgende vereistes voldoen:
① Die fakkel kan 'n voldoende gasvloei uitwerp.
② Die uitwerprigting van die gas binne die fakkel moet koaksiaal wees met die optiese as van die weerkaatsende spieël.
③ Die brandpuntsafstand van die flitslig kan maklik verstel word.
④ Tydens die sny moet metaaldamp en spatsels van die gesnyde metaal nie die weerkaatsende spieël beskadig nie.
Die beweging van die snybrander word deur 'n NC-bewegingstelsel aangepas. Daar is drie scenario's vir die relatiewe beweging tussen die snybrander en die werkstuk:
① Die fakkel bly stilstaande terwyl die werkstuk via die werktafel beweeg — hoofsaaklik geskik vir klein werkstukke.
② Die werkstuk bly stilstaande terwyl die fakkel beweeg.
③ Beide die fakkel en die werktafel beweeg gelyktydig.
2.2.1 Snykop
Die lasersnykop is aan die einde van die straaltransmissiestelsel geleë en bestaan uit 'n fokuslens en 'n snymondstuk.
Fokuslense word hoofsaaklik volgens brandpuntsafstand geklassifiseer. Die meeste lasersnytoerusting is toegerus met verskeie snykoppe met verskillende brandpuntsafstande. As ons CO₂-lasersny as voorbeeld neem, is algemene brandpuntsafstande 127 mm (5 duim) en 190 mm (7.5 duim). 'n Kort brandpuntsafstandlens produseer 'n klein brandpuntpunt en kort brandpuntsdiepte, wat bevorderlik is om die kerfwydte te verminder en fyner snitte te verkry. 'n Lang brandpuntsafstandlens lewer 'n groter brandpuntpunt en langer brandpuntsdiepte. In vergelyking met kort brandpuntsafstandlense, kan lang brandpuntsafstandlense 'n gefokusde straal met laser-energiedigtheid verskaf wat voldoende is vir materiaalverwerking naby die brandpunt. Daarom word kort brandpuntsafstandlense meestal gebruik vir die presisie-sny van dun plate, terwyl lang brandpuntsafstandlense benodig word vir dikker materiale om voldoende brandpuntsdiepte te verkry, wat minimale variasie in koldiameter en voldoende kragdigtheid binne die snydiktebereik verseker.
Fokuslense word gebruik om die parallelle laserstraal wat in die snybrander inval, te fokus, wat 'n kleiner kolgrootte en hoër kragdigtheid verkry. Lense word gemaak van materiale wat die lasergolflengte kan oordra. Optiese glas word algemeen gebruik vir vastetoestandlasers, terwyl materiale soos ZnSe, GaAs en Ge vir CO₂-gaslasers aangeneem word (aangesien gewone glas nie deursigtig is vir CO₂-laserstrale nie), waaronder ZnSe die mees gebruikte is.
Vir lasersny is die minimalisering van die brandpuntdiameter wenslik om die kragdigtheid te verhoog en hoëspoed-snywerk moontlik te maak. 'n Korter lensbrandpuntafstand lei egter tot 'n kleiner brandpuntdiepte, wat dit moeilik maak om 'n loodregte snyoppervlak te verkry wanneer dik plate gesny word. Boonop verminder 'n korter brandpuntafstand die afstand tussen die lens en die werkstuk, wat die risiko verhoog dat die lens tydens sny deur gesmelte spatsels besoedel word en normale werking beïnvloed. Daarom moet die toepaslike brandpuntafstand omvattend bepaal word op grond van faktore soos snydikte en snykwaliteitvereistes.
2.2.2 Reflektiewe Spieël
Die funksie van die reflektiewe spieël is om die rigting van die straal wat deur die laser uitgestraal word, te verander. Vir strale van vastetoestandlasers kan reflektiewe spieëls van optiese glas gebruik word. In teenstelling hiermee word reflektiewe spieëls in CO₂-gaslasersnytoestelle gewoonlik van koper of metale met hoë reflektiwiteit gemaak. Om skade wat veroorsaak word deur oorverhitting van laserbestraling tydens werking te voorkom, word reflektiewe spieëls tipies met water afgekoel.
2.2.3 Spuitstuk
Die spuitstuk word gebruik om hulpgas in die snysone te spuit, en die struktuur daarvan het 'n sekere impak op snydoeltreffendheid en -kwaliteit. Figuur 4.11 toon algemene spuitstukvorms vir lasersny; die spuitstukopeningvorms sluit silindriese, koniese en konvergerende-divergerende tipes in.
Die keuse van die spuitstuk word oor die algemeen bepaal deur toetse gebaseer op die materiaal en dikte van die werkstuk, en die druk van die hulpgas. Lasersny gebruik gewoonlik koaksiale spuitstukke (waar die gasvloei koaksiaal met die optiese as is). As die gasvloei en die laserstraal nie koaksiaal is nie, is dit waarskynlik dat oormatige spatsels tydens sny sal voorkom. Die binnewand van die spuitstukopening moet glad wees om onbelemmerde gasvloei te verseker en turbulensie te vermy wat die kerfkwaliteit kan beïnvloed. Om snystabiliteit te verseker, moet die afstand tussen die spuitstuk se eindvlak en die werkstukoppervlak geminimaliseer word, tipies tussen 0.5 mm en 2.0 mm. Die spuitstuk se openingdiameter moet die laserstraal toelaat om glad deur te beweeg, wat verhoed dat die straal die binnewand van die opening raak. Hoe kleiner die openingdiameter, hoe moeiliker is dit om die straal te kollimeer. Vir 'n gegewe hulpgasdruk is daar 'n optimale reeks spuitstukopeningdiameters. 'n Oormatige klein of groot opening sal die verwydering van gesmelte produkte uit die kerf belemmer en die snyspoed beïnvloed.
Die invloed van die spuitmondstuk se openingdiameter op snyspoed onder vaste laserkrag en hulpgasdruk word in Figure 4.12 en 4.13 getoon. Daar kan gesien word dat daar 'n optimale spuitmondstuk se openingdiameter is wat die maksimum snyspoed bereik. Hierdie optimale waarde is ongeveer 1.5 mm, ongeag of suurstof of argon as die hulpgas gebruik word.
Toetse op lasersny van harde legerings (wat moeilik is om te sny) toon dat die optimale spuitmondopeningdiameter baie naby aan die bogenoemde resultate is, soos geïllustreer in Figuur 4.14. Die spuitmondopeningdiameter beïnvloed ook die kerfwydte en die hitte-geaffekteerde sone (HAZ) breedte. Soos getoon in Figuur 4.15, neem die kerfwydte toe met die toename van die spuitmondopeningdiameter terwyl die HAZ-wydte vernou. Die hoofrede vir die vernouing van die HAZ is die verbeterde verkoelingseffek van die hulpgasvloei op die basismateriaal in die snysone.
2.3 Parameters van lasersnytoerusting
2.3.1 Brander-aangedrewe snytoerusting
In fakkelaangedrewe snytoerusting is die snyfakkel op 'n beweegbare portaal gemonteer en beweeg horisontaal langs die portaalbalk (Y-as). Die portaal dryf die fakkel aan om langs die X-as te beweeg, terwyl die werkstuk op die werktafel vas is. Aangesien die laser en die snyfakkel afsonderlik gerangskik is, word die laser-oordragseienskappe, parallelisme langs die straal se skanderingsrigting en die stabiliteit van die weerkaatsende spieëls alles tydens die snyproses beïnvloed.
Snytoerusting met 'n brander kan groot werkstukke verwerk. Dit neem 'n relatief klein vloeroppervlakte op vir die snyproduksiesone en kan maklik met ander toerusting geïntegreer word om 'n produksielyn te vorm. Die posisioneringsakkuraatheid daarvan is egter slegs ±0.04 mm.
Die tipiese struktuur van fakkel-aangedrewe snytoerusting word in Figuur 4.19 getoon. 'n Deurlopende-golf CO₂-lasersnymasjien word gebruik, met die afstand van die laser na die snyfakkel van 18 m. Om te verseker dat die verandering in straaldiameter oor hierdie transmissieafstand nie met snybedrywighede inmeng nie, moet die kombinasie van ossillatorspieëls noukeurig ontwerp word.
Die belangrikste tegniese parameters van fakkel-aangedrewe snytoerusting is soos volg:
- Laseruitsetkrag: 1.5 kW (enkelmodus), 3 kW (multimodus)
- Fakkelslag: X-as 6.2 m, Y-as 2.6 m
- Ryspoed: 0–10 m/min (verstelbaar)
- Z-as drywende slag van die fakkel: 150 mm
- Fakkel Z-as Verstelspoed: 300 mm/min
- Maksimum grootte van verwerkte staalplaat: 12 mm × 2400 mm × 6000 mm
- Beheerstelsel: Geïntegreerde NC-beheermodus
2.3.2 XY-tafelgedrewe snytoerusting
In die XY-tafelgedrewe snytoerusting word die snybrander op die raam vasgemaak en die werkstuk word op die snytafel geplaas. Die snytafel beweeg langs die X- en Y-asse volgens NC-opdragte, met 'n verstelbare aandryfspoed wat tipies wissel van 0–1 m/min of 0–5 m/min. Aangesien die snybrander stilstaande bly relatief tot die werkstuk, verminder dit die impak op laserstraalbelyning en -sentrering tydens die snyproses, wat eenvormige en stabiele snyprestasie verseker. Wanneer dit toegerus is met 'n klein snytafel met hoë meganiese presisie, bereik die masjien 'n posisioneringsakkuraatheid van ±0.01 mm enuitstekende snypresisie, wat dit veral geskik maak vir die presisie sny van klein komponente. Daarbenewens is groter snytafels met 'n X-as slag van 2300–2400 mm en Y-as slag van 1200–1300 mm beskikbaar vir die verwerking van groot werkstukke.
Die belangrikste tegniese parameters van die XY-tafelgedrewe snytoerusting is soos volg:
- Laserbron: CO₂-gaslaser (semi-geslote reguitbuistipe)
- Laserkragtoevoer: Insetspanning 200 VAC; Uitsetspanning 0–30 kV; Maksimum uitsetstroom 100 mA
- Laseruitsetkrag: 550 W
- Snytafelslag: X-as 2300 mm, Y-as 1300 mm
- Snytafel-dryfspoed (stap-verstelbaar): 0.4–5.0 m/min, 0.2–2.5 m/min, 0.1–1.3 m/min, 0.05–0.6 m/min
- Z-as drywende slag van die fakkel: 180 mm
- Maksimum grootte van verwerkte plaat: 6 mm × 1300 mm × 2300 mm
- Beheerstelsel: Numeriese Beheer (NC) Modus
2.3.3 Dubbelgedrewe snytoerusting (fakkel en tafel)
Die dubbelgedrewe snytoerusting (fakkel en tafel) val tussen die fakkelgedrewe en XY-tafelgedrewe snymasjiene in ontwerp. Die snyfakkel is op 'n portaal gemonteer en beweeg horisontaal langs die portaalbalk (Y-as), terwyl die snytafel in die lengte aangedryf word. Hierdie hibriede ontwerp kombineer die voordele van hoë snypresisie en ruimtebesparende doeltreffendheid. Met 'n posisioneringsakkuraatheid van ±0.01 mm en 'n verstelbare snyspoedbereik van 0–20 m/min, is dit een van die mees gebruikte snymasjiene op die mark. Groter modelle van hierdie masjien bied 'n Y-as-slag van 2000 mm en 'n X-as-slag van 6000 mm, wat die sny van groot werkstukke moontlik maak.
Die laser-ossillator is op die portaal langs die snybrander gemonteer. Hierdie konfigurasie lewer uitsonderlike presisie wanneer sirkelvormige gate gesny word. Die masjien spog ook met hoë produksiedoeltreffendheid: dit kan 46 sirkelvormige gate (10 mm in deursnee) per minuut op 'n 1 mm dik staalplaat sny.
2.3.4 Geïntegreerde snytoerusting
In 'ngeïntegreerde snymasjien, die laserbron word op die raam geïnstalleer en beweeg in die lengte daarmee saam, terwyl die snybrander met sy aandryfmeganisme geïntegreer is om horisontaal langs die raamstraal te beweeg. Die masjien gebruik numeriese beheer om verskillende gevormde komponente te sny. Om te kompenseer vir die variasie in die optiese padlengte wat veroorsaak word deur die horisontale beweging van die snybrander, word 'n optiese padlengte-aanpassingsmodule gewoonlik toegerus. Hierdie module verseker 'n homogene laserstraal binne die snyarea en handhaaf 'n konsekwente snyoppervlakkwaliteit.
Plasingstyd: 17 Desember 2025 
