**Cięcie laserowe i podstawy jego systemu przetwarzania – sprzęt do cięcia laserowego**

**II. Skład sprzętu do cięcia laserowego**

**2.1 Komponenty i zasada działania maszyn do cięcia laserowego**

Maszyna do cięcia laserowego składa się z generatora lasera, głowicy tnącej, elementów transmisji wiązki, stołu obróbczego obrabiarki, systemu CNC, komputera (sprzęt, oprogramowanie), chłodziarki, butli z gazem osłonowym, odciągu pyłu i osuszacza powietrza, a także innych części.

1. **Generator lasera:** Jest to urządzenie, które wytwarza źródło lasera. Do zastosowań w cięciu laserowym, z wyjątkiem kilku przypadków, w których stosuje się lasery YAG na ciele stałym, większość wykorzystuje lasery gazowe CO2 ze względu na ich wyższą sprawność konwersji elektrooptycznej i zdolność do generowania wyższej mocy. Ponieważ cięcie laserowe ma bardzo wysokie wymagania dotyczące jakości wiązki, nie wszystkie lasery nadają się do cięcia.

2. **Głowica tnąca:** Obejmuje głównie takie elementy jak dysza, soczewka skupiająca i system śledzenia ostrości. Urządzenie napędowe głowicy tnącej służy do napędzania głowicy tnącej wzdłuż osi Z zgodnie z programem, składające się z elementów takich jak silnik serwo i śruba pociągowa lub koła zębate.

* (1) **Dysza:** Rodzaje dysz obejmują głównie trzy formy: równoległą, zbieżną i stożkową.

* (2) **Soczewka skupiająca:** Aby wykorzystać energię wiązki lasera do cięcia, surowa wiązka emitowana z lasera musi być skupiona przez soczewkę, aby utworzyć plamkę o dużej gęstości energii. Soczewki o średniej i dużej ogniskowej nadają się do cięcia grubych płyt i mają niższe wymagania dotyczące stabilności odległości systemu śledzenia. Soczewki o krótkiej ogniskowej nadają się tylko do cienkich płyt poniżej 3 mm; mają surowe wymagania dotyczące stabilności odległości systemu śledzenia, ale mogą znacznie zmniejszyć wymaganą moc wyjściową lasera.

* (3) **System śledzenia:** System śledzenia ostrości maszyny do cięcia laserowego składa się zazwyczaj z głowicy tnącej skupiającej i systemu czujników śledzących. Głowica tnąca zawiera części do prowadzenia światła i skupiania, chłodzenia wodą, nadmuchu gazu i regulacji mechanicznej. Czujnik składa się z elementu czujnikowego i części wzmacniających sterowanie. W zależności od elementu czujnikowego, systemy śledzenia są całkowicie różne; przede wszystkim istnieją dwie formy: systemy śledzenia z czujnikiem pojemnościowym (bezdotykowe) i systemy śledzenia z czujnikiem indukcyjnym (kontaktowe).

3. **Elementy transmisji wiązki (zewnętrzna ścieżka światła):** Lustra refrakcyjne i odbijające służą do kierowania lasera w wymaganym kierunku. Aby zapobiec awarii ścieżki wiązki, wszystkie lustra są chronione osłonami i zaopatrywane w czysty, dodatnio ciśnieniowy gaz osłonowy, aby zapobiec zanieczyszczeniu. Zestaw soczewek wysokiej jakości skupi wiązkę bez kąta rozbieżności w nieskończenie małą plamkę. Powszechnie stosuje się soczewkę o ogniskowej 5,0 cala. Soczewka 7,5 cala jest używana tylko do materiałów o grubości >12 mm.

4. **Stół obróbczy obrabiarki (host obrabiarki):** Mechaniczna część maszyny do cięcia laserowego, która umożliwia ruch wzdłuż osi X, Y i Z, w tym platforma robocza do cięcia.

5. **System CNC:** Steruje obrabiarką w celu uzyskania ruchu w osiach X, Y, Z, a także kontroluje moc wyjściową lasera.

6. **System chłodzenia (jednostka chłodząca):** Służy do chłodzenia generatora lasera. Laser jest urządzeniem, które zamienia energię elektryczną w energię świetlną. Na przykład, współczynnik konwersji lasera gazowego CO2 wynosi zazwyczaj 20%, a pozostała energia jest zamieniana na ciepło. Woda chłodząca odprowadza nadmiar ciepła, aby utrzymać normalne działanie. Chłodziarka chłodzi również lustra zewnętrznej ścieżki światła i soczewkę skupiającą, aby zapewnić stabilną jakość transmisji wiązki i skutecznie zapobiegać deformacji lub pękaniu soczewki z powodu nadmiernej temperatury.

7. **Butle z gazem:** Obejmują butle z gazem roboczym maszyny do cięcia laserowego i butle z gazem pomocniczym, używane do uzupełniania gazów przemysłowych do oscylacji lasera i dostarczania gazów pomocniczych do głowicy tnącej.

8. **System odciągu pyłu:** Odciąga dym i pył generowany podczas przetwarzania i filtruje je, aby emisje spalin spełniały normy środowiskowe.

9. **Osuszacz i filtr powietrza:** Dostarcza czyste, suche powietrze do generatora lasera i ścieżki wiązki, aby utrzymać normalne działanie ścieżki i luster.

**2.2 Palnik do cięcia laserowego**

Schemat struktury palnika do cięcia laserowego pokazano na poniższym rysunku, składa się on głównie z korpusu palnika, soczewki skupiającej, lustra i dyszy gazu pomocniczego. Podczas cięcia laserowego palnik musi spełniać następujące wymagania:

① Palnik musi być w stanie wyrzucać wystarczający przepływ gazu.

② Kierunek wyrzutu gazu wewnątrz palnika musi być współosiowy z osią optyczną lustra.

③ Ogniskowa palnika powinna być łatwo regulowana.

④ Podczas cięcia należy upewnić się, że opary metalu i rozpryski z procesu cięcia nie uszkadzają lustra.

Ruch palnika jest regulowany za pomocą systemu ruchu CNC. Względny ruch między palnikiem a przedmiotem obrabianym może wystąpić w trzech sytuacjach:

① Palnik jest nieruchomy, a przedmiot obrabiany porusza się za pośrednictwem stołu roboczego (głównie dla mniejszych przedmiotów obrabianych).

② Przedmiot obrabiany jest nieruchomy, a palnik się porusza.

③ Zarówno palnik, jak i stół roboczy poruszają się jednocześnie.

**2.2.1 Głowica tnąca**

Głowica tnąca laserowa znajduje się na końcu systemu transmisji wiązki i zawiera soczewkę skupiającą i dyszę tnącą.

Soczewki skupiające różnią się przede wszystkim ogniskową. Większość urządzeń do cięcia laserowego jest wyposażona w kilka głowic tnących o różnych ogniskowych. Biorąc za przykład cięcie laserem CO2, typowe ogniskowe to 127 mm (5 cali) i 190 mm (7,5 cala). Soczewka o krótkiej ogniskowej daje małą plamkę ogniskową i małą głębię ostrości, co jest korzystne dla zmniejszenia szerokości szczeliny i uzyskania dokładniejszego cięcia. Soczewka o długiej ogniskowej daje większą plamkę ogniskową i dłuższą głębię ostrości. W porównaniu z soczewką o krótkiej ogniskowej, soczewka o długiej ogniskowej może spełnić wymagania dotyczące skupionej gęstości energii wiązki w pobliżu punktu ogniskowania w szerszym zakresie grubości materiału. Dlatego soczewki o krótkiej ogniskowej są najczęściej używane do precyzyjnego cięcia cienkich arkuszy, podczas gdy grubsze materiały wymagają soczewek o długiej ogniskowej, aby uzyskać wystarczającą głębię ostrości, zapewniając minimalną zmianę średnicy plamki w zakresie grubości cięcia i utrzymanie odpowiedniej gęstości mocy.

Soczewka skupiająca służy do skupiania równoległej wiązki lasera wchodzącej do palnika w celu uzyskania małej plamki i dużej gęstości mocy. Soczewki są wykonane z materiałów, które przepuszczają długość fali lasera. Lasery na ciele stałym powszechnie wykorzystują szkło optyczne, podczas gdy lasery gazowe CO2, które nie mogą przepuszczać przez zwykłe szkło, wykorzystują materiały takie jak ZnSe, GaAs i Ge, przy czym ZnSe jest najpowszechniejszy.

Do cięcia laserowego pożądana jest średnica plamki tak mała, jak to możliwe, ponieważ zwiększa to gęstość mocy, ułatwiając cięcie z dużą prędkością. Jednak gdy ogniskowa soczewki maleje, głębia ostrości również staje się mniejsza, co utrudnia uzyskanie dobrych prostopadłych powierzchni cięcia podczas cięcia grubszych płyt. Dodatkowo, przy mniejszej ogniskowej soczewki, odległość między soczewką a przedmiotem obrabianym jest zmniejszona, co sprawia, że soczewka jest podatna na zanieczyszczenia przez rozpryski i inne stopione materiały podczas cięcia, wpływając na normalne działanie. Dlatego odpowiednią ogniskową należy określić, biorąc pod uwagę czynniki takie jak grubość cięcia i wymagania dotyczące jakości.

**2.2.2 Lustro**

Funkcją lustra jest zmiana kierunku wiązki pochodzącej z lasera. Do wiązek z laserów na ciele stałym można używać luster wykonanych ze szkła optycznego, podczas gdy lustra w urządzeniach do cięcia laserem CO2 są często wykonane z miedzi lub metali o wysokiej odbijalności. Podczas użytkowania lustra są zazwyczaj chłodzone wodą, aby uniknąć uszkodzeń spowodowanych przegrzaniem od ekspozycji na światło.

**2.2.3 Dysza**

Dysza służy do wtryskiwania gazu pomocniczego do strefy cięcia. Jej kształt strukturalny ma pewien wpływ na wydajność i jakość cięcia. Rysunek 4.11 przedstawia typowe kształty dysz stosowane w cięciu laserowym; kształty wylotów strumienia obejmują typy cylindryczne, stożkowe i zbieżno-rozbieżne (De Laval).

Wybór dyszy jest generalnie określany po testach w oparciu o materiał przedmiotu obrabianego, grubość, ciśnienie gazu pomocniczego itp. Cięcie laserowe generalnie wykorzystuje dysze współosiowe (przepływ gazu współosiowy z osią optyczną). Jeśli przepływ gazu nie jest współosiowy z wiązką, może łatwo generować znaczne rozpryski podczas cięcia. Ściana otworu dyszy powinna być gładka, aby zapewnić płynny przepływ gazu i uniknąć wpływu na jakość cięcia z powodu turbulencji. Aby zapewnić stabilność procesu cięcia, odległość od czoła dyszy do powierzchni przedmiotu obrabianego powinna być zminimalizowana, często przyjmuje się wartość 0,5~2,0 mm. Otwór dyszy musi umożliwiać swobodny przepływ wiązki lasera, unikając kontaktu wiązki ze ścianą wewnętrzną dyszy. Im mniejszy otwór, tym trudniejsze staje się kolimacja wiązki. Przy określonym ciśnieniu gazu pomocniczego istnieje optymalny zakres średnic otworu dyszy. Jeśli otwór jest zbyt mały lub zbyt duży, wpłynie to na usuwanie stopionych produktów ze szczeliny, a także wpłynie na prędkość cięcia.

Wpływ otworu dyszy na prędkość cięcia przy określonej mocy lasera i ciśnieniu gazu pomocniczego pokazano na rysunkach 4.12 i 4.13. Widać, że istnieje optymalny otwór dyszy, który daje maksymalną prędkość cięcia. Niezależnie od tego, czy jako gaz pomocniczy stosuje się tlen czy argon, ta optymalna wartość wynosi około 1,5 mm.

Testy cięcia laserowego na trudnych do cięcia materiałach, takich jak węglik spiekany, pokazują, że optymalny otwór dyszy jest bardzo zbliżony do powyższego wyniku, jak pokazano na rysunku 4.14. Otwór dyszy wpływa również na szerokość szczeliny i szerokość strefy wpływu ciepła (HAZ). Jak pokazano na rysunku 4.15, wraz ze wzrostem otworu dyszy, szczelina się poszerza, a HAZ zwęża. Głównym powodem zwężenia HAZ jest wzmocniony efekt chłodzenia przepływu gazu pomocniczego na materiale podstawowym w strefie cięcia.

**2.3 Parametry sprzętu do cięcia laserowego**

**2.3.1 Sprzęt do cięcia z napędem palnikowym**

W sprzęcie do cięcia z napędem palnikowym głowica tnąca jest zainstalowana na ruchomej bramie i porusza się poprzecznie (w kierunku Y) wzdłuż belki bramy. Brama napędza palnik wzdłuż kierunku X, a przedmiot obrabiany jest zamocowany na stole do cięcia. Ponieważ źródło lasera jest oddzielone od palnika, podczas cięcia mogą mieć wpływ charakterystyki transmisji lasera, równoległość wzdłuż kierunku skanowania wiązki i stabilność luster odbijających.

Sprzęt z napędem palnikowym może przetwarzać większe części, wymaga stosunkowo mniej miejsca na podłodze dla obszaru produkcji cięcia i może być łatwo zintegrowany z liniami produkcyjnymi z innym sprzętem. Jednak dokładność pozycjonowania wynosi zazwyczaj około ±0,04 mm.

Typowa struktura sprzętu do cięcia z napędem palnikowym pokazana jest na rysunku 4.19. Ten przykład wykorzystuje wycinarkę laserową CO2 o fali ciągłej, z odległością transmisji wiązki 18 m od źródła lasera do palnika. Aby zapewnić, że zmiany w kształcie wiązki na tej odległości nie utrudniają cięcia, kombinacja luster oscylatora musi być starannie zaprojektowana.

Główne parametry techniczne dla sprzętu z napędem palnikowym:

* Moc wyjściowa lasera: 1,5 kW (tryb pojedynczy), 3 kW (tryb wielokrotny).

* Przesuw palnika: oś X 6,2 m, oś Y 2,6 m.

* Prędkość napędu: 0~10 m/min (regulowana).

* Wysokość palnika (oś Z) Przesuw pływający: 150 mm.

* Prędkość regulacji wysokości palnika: 300 mm/min.

* Maksymalny możliwy do przetworzenia rozmiar płyty stalowej: 12 mm grubości * 2400 mm * 6000 mm.

* Sprzęt sterujący: Zintegrowana metoda sterowania CNC.

**2.3.2 Sprzęt z napędem stołu tnącego w układzie współrzędnych XY**

W sprzęcie z napędem stołu tnącego w układzie współrzędnych XY palnik jest zamocowany na ramie maszyny, a przedmiot obrabiany jest umieszczony na stole do cięcia. Stół do cięcia porusza się zgodnie z instrukcjami NC wzdłuż kierunków X i Y. Prędkość napędu wynosi zazwyczaj 0~1 m/min (regulowana) lub 0~5 m/min (regulowana). Ponieważ palnik jest zamocowany względem przedmiotu obrabianego, wyrównanie wiązki lasera jest mniej narażone na wpływ podczas cięcia, co pozwala na równomierne i stabilne cięcia. Gdy rozmiar stołu do cięcia jest mały, a dokładność mechaniczna wysoka, dokładność pozycjonowania może wynosić ±0,01 mm, co skutkuje doskonałą precyzją cięcia, co czyni go szczególnie odpowiednim do precyzyjnego cięcia małych części. Istnieją również stoły do cięcia z przesuwem w osi X 2300~2400 mm i przesuwem w osi Y 1200~1300 mm do obróbki większych części.

Główne parametry techniczne dla sprzętu z napędem stołu XY:

* Laser: laser gazowy CO2 (półzamknięty typ prostej rury).

* Zasilanie lasera: Napięcie wejściowe 200 V AC, Napięcie wyjściowe 0~30 kV, Maksymalny prąd wyjściowy 100 mA.

* Moc wyjściowa lasera: 550 W.

* Przesuw stołu do cięcia: oś X 2300 mm, oś Y 1300 mm.

* Prędkość napędu stołu do cięcia (regulowana skokowo): 0,4~5,0 m/min, 0,2~2,5 m/min, 0,1~1,3 m/min, 0,05~0,6 m/min.

* Wysokość palnika (oś Z) Przesuw pływający: 180 mm.

* Maksymalny możliwy do przetworzenia rozmiar arkusza: 6 mm grubości * 1300 mm * 2300 mm.

* Sprzęt sterujący: Metoda NC.

**2.3.3 Sprzęt do cięcia z podwójnym napędem palnik-stół**

Sprzęt do cięcia z podwójnym napędem palnik-stół jest hybrydą między typami z napędem palnikowym i z napędem stołu XY. Palnik jest zainstalowany na bramie i porusza się poprzecznie (w kierunku Y) wzdłuż belki bramy, podczas gdy stół do cięcia napędza wzdłużnie (w kierunku X). Łączy w sobie zalety wysokiej dokładności cięcia i oszczędności miejsca. Dokładność pozycjonowania wynosi ±0,01 mm, zakres regulacji prędkości cięcia wynosi 0~20 m/min, co czyni go powszechnie stosowanym rodzajem sprzętu do cięcia. Większe modele tego typu mogą mieć przesuw w osi Y 2000 mm i przesuw w osi X 6000 mm, zdolne do cięcia dużych części.

W niektórych konstrukcjach oscylator lasera jest również montowany na bramie wraz z palnikiem. Dokładność cięcia otworów okrągłych za pomocą sprzętu z podwójnym napędem jest dość dobra. Wydajność produkcji jest również wysoka; na przykład może wyciąć 46 otworów o średnicy 10 mm na minutę w płycie stalowej o grubości 1 mm.

**2.3.4 Zintegrowany sprzęt do cięcia**

W zintegrowanym sprzęcie do cięcia źródło lasera jest zainstalowane na ramie maszyny i porusza się z nią wzdłużnie, podczas gdy palnik i jego mechanizm napędowy tworzą jednostkę, która porusza się poprzecznie na belce ramy. Używając CNC, można wycinać części o różnych kształtach. Aby zrekompensować zmianę długości ścieżki optycznej spowodowaną ruchem poprzecznym palnika, zwykle wyposaża się element regulacji długości ścieżki optycznej, zapewniając jednorodną wiązkę w całym obszarze cięcia i utrzymując spójną jakość powierzchni cięcia.