Základy laserového rezania a jeho spracovateľského systému —Zariadenia na rezanie laserom

II. Zloženie laserového rezacieho zariadenia

2.1 Komponenty a princíp činnosti laserového rezacieho stroja

Laserový rezací stroj pozostáva z laserového žiariča, rezacej hlavy, zostavy prenosu lúča, pracovného stola obrábacieho stroja, systému numerického riadenia (NC), počítača (hardvér a softvér), chladiča, valca s ochranným plynom, lapača prachu a sušiča vzduchu.

Laserový generátor

Laserový generátor je zariadenie, ktoré produkuje laserové svetelné zdroje. Na laserové rezanie väčšina strojov používa plynové CO₂ lasery, ktoré sa vyznačujú vysokou účinnosťou elektrooptickej konverzie a vysokým výstupným výkonom, s výnimkou niekoľkých prípadov, keď sa používajú YAG lasery v pevnej fáze. Nie všetky lasery sú vhodné na rezanie, pretože laserové rezanie kladie prísne požiadavky na kvalitu lúča.
Rezacia hlava

Skladá sa hlavne z komponentov, ako je tryska, zaostrovacia šošovka a systém sledovania zaostrenia.

Pohon reznej hlavy sa používa na pohon reznej hlavy pozdĺž osi Z podľa prednastavených programov. Pozostáva zo servomotora a prevodových častí, ako sú vodiace skrutky alebo ozubené kolesá.

(1) Tryska: Existujú tri hlavné typy trysiek: paralelný typ, konvergentný typ a kužeľový typ.

(2) Zaostrovacia šošovka: Na vykonanie rezania pomocou energie laserového lúča musí byť pôvodný lúč vyžarovaný laserom zaostrený cez šošovku, aby sa vytvoril svetelný bod s vysokou hustotou energie. Šošovky so strednou a dlhou ohniskovou vzdialenosťou sú vhodné na rezanie hrubých plechov a majú nižšie požiadavky na stabilitu rozstupu sledovacieho systému. Šošovky s krátkou ohniskovou vzdialenosťou sú vhodné iba na rezanie tenkých plechov s hrúbkou menšou ako 3 mm; majú prísne požiadavky na stabilitu rozstupu sledovacieho systému, ale môžu výrazne znížiť požadovaný výstupný výkon laseru.

(3) Sledovací systém: Systém sledovania zaostrenia laserového rezacieho stroja sa vo všeobecnosti skladá zo zaostrovacej reznej hlavy a systému sledovacích senzorov. Rezacia hlava integruje funkcie vedenia a zaostrovania lúča, vodného chladenia, vháňania plynu a mechanického nastavenia.

Senzor sa skladá zo snímacích prvkov a zosilňovacej riadiacej jednotky. Sledovacie systémy sa úplne líšia v závislosti od typu snímacích prvkov. Existujú dva hlavné typy: jedným je kapacitný systém sledovania senzorov, známy aj ako bezkontaktný systém sledovania; druhým je indukčný systém sledovania senzorov, označovaný aj ako kontaktný systém sledovania.
Zostava prenosu lúča

Vonkajšia optická dráha: Na vedenie laserového lúča požadovaným smerom sa používajú reflexné zrkadlá. Aby sa predišlo poruchám v dráhe lúča, všetky reflexné zrkadlá sú chránené štítmi a na ochranu zrkadiel pred kontamináciou sa privádza čistý ochranný plyn s pozitívnym tlakom. Vysokovýkonná šošovka dokáže zaostriť nedivergentný lúč do nekonečne malého bodu. Bežne sa používa šošovka s ohniskovou vzdialenosťou 5,0 palca, zatiaľ čo šošovka s ohniskovou vzdialenosťou 7,5 palca je vhodná iba na rezanie materiálov hrubších ako 12 mm.
Pracovný stôl obrábacieho stroja

Hlavné teleso stroja: Časť obrábacieho strojalaserový rezací strojje mechanická časť, ktorá realizuje pohyb osí X, Y a Z vrátane rezacej pracovnej plošiny.
Numerický riadiaci systém

NC systém riadi obrábací stroj tak, aby dosahoval pohyby v osiach X, Y a Z a zároveň reguluje výstupný výkon laseru.
Chladiaci systém

Chladiaca jednotka: Používa sa na chladenie laserového generátora. Laser je zariadenie, ktoré premieňa elektrickú energiu na svetelnú energiu. Napríklad účinnosť konverzie plynového CO₂ laseru je vo všeobecnosti 20 %, pričom zvyšná energia sa premieňa na teplo. Chladiaca voda odvádza prebytočné teplo, aby sa udržala normálna prevádzka laserového generátora. Chladiaca jednotka tiež chladí vonkajšie optické zrkadlá a zaostrovacie šošovky obrábacieho stroja, čím zabezpečuje stabilnú kvalitu prenosu lúča a účinne zabraňuje deformácii alebo praskaniu šošoviek v dôsledku prehriatia.
Plynové fľaše

Plynové fľaše zahŕňajú fľaše s pracovným médiom a pomocné plynové fľaše pre laserový rezací stroj, ktoré sa používajú na doplnenie priemyselných plynov pre laserové oscilácie a na dodávku pomocných plynov pre reznú hlavu.
Systém na odsávanie prachu

Odsáva dym a prach vznikajúci počas spracovania a vykonáva filtračné čistenie, aby sa zabezpečilo, že emisie výfukových plynov spĺňajú normy ochrany životného prostredia.
Sušička a filter chladenia vzduchu

Dodáva čistý a suchý vzduch do laserového generátora a dráhy lúča, čím udržiava normálnu prevádzku dráhy lúča a reflexných zrkadiel.

2.2 Rezací horák na laserové rezanie

Štrukturálna schéma rezacieho horáka na laserové rezanie je znázornená nižšie. Skladá sa hlavne z tela horáka, zaostrovacej šošovky, reflexného zrkadla a pomocnej plynovej trysky. Počas laserového rezania musí rezací horák spĺňať nasledujúce požiadavky:

① Horák dokáže vystreknúť dostatočný prúd plynu.

② Smer vystrekovania plynu vo vnútri horáka musí byť súosový s optickou osou reflexného zrkadla.

③ Ohniskovú vzdialenosť baterky možno ľahko nastaviť.

④ Počas rezania nesmú kovové výpary a striekance z rezaného kovu poškodiť reflexné zrkadlo.

Pohyb rezacieho horáka je nastavený NC systémom riadenia pohybu. Existujú tri scenáre relatívneho pohybu medzi rezacím horákom a obrobkom:

① Horák zostáva nehybný, zatiaľ čo sa obrobok pohybuje po pracovnom stole – vhodné najmä pre malé obrobky.

② Obrobok zostáva nehybný, kým sa horák pohybuje.

③ Horák aj pracovný stôl sa pohybujú súčasne.

2.2.1 Rezacia hlava

Laserová rezacia hlava sa nachádza na konci systému prenosu lúča a pozostáva zo zaostrovacej šošovky a rezacej trysky.

Zaostrovacie šošovky sa klasifikujú hlavne podľa ohniskovej vzdialenosti. Väčšina laserových rezacích zariadení je vybavená niekoľkými reznými hlavami s rôznymi ohniskovými vzdialenosťami. Napríklad rezanie CO₂ laserom je bežné ohniskové vzdialenosti 127 mm (5 palcov) a 190 mm (7,5 palca). Šošovka s krátkou ohniskovou vzdialenosťou vytvára malú ohniskovú škvrnu a krátku ohniskovú hĺbku, čo vedie k zmenšeniu šírky rezu a dosiahnutiu jemnejších rezov. Šošovka s dlhou ohniskovou vzdialenosťou poskytuje väčšiu ohniskovú škvrnu a dlhšiu ohniskovú hĺbku. V porovnaní s šošovkami s krátkou ohniskovou vzdialenosťou môžu šošovky s dlhou ohniskovou vzdialenosťou poskytnúť zaostrený lúč s hustotou laserovej energie dostatočnou na spracovanie materiálu v blízkosti ohniska. Preto sa šošovky s krátkou ohniskovou vzdialenosťou väčšinou používajú na presné rezanie tenkých plechov, zatiaľ čo šošovky s dlhou ohniskovou vzdialenosťou sú potrebné pre hrubšie materiály na dosiahnutie dostatočnej ohniskovej hĺbky, čím sa zabezpečí minimálna zmena priemeru škvrny a dostatočná hustota výkonu v rozsahu hrúbky rezu.

Fokusačné šošovky sa používajú na zaostrenie paralelného laserového lúča dopadajúceho na rezací horák, čím sa dosahuje menšia veľkosť bodu a vyššia hustota výkonu. Šošovky sú vyrobené z materiálov, ktoré dokážu prenášať vlnovú dĺžku laseru. Optické sklo sa bežne používa pre tuhé lasery, zatiaľ čo materiály ako ZnSe, GaAs a Ge sa používajú pre plynové CO₂ lasery (pretože bežné sklo nie je priehľadné pre CO₂ laserové lúče), medzi ktorými je ZnSe najpoužívanejší.

Pri rezaní laserom je žiaduce minimalizovať priemer ohniskovej bodky, aby sa zvýšila hustota výkonu a umožnilo vysokorýchlostné rezanie. Kratšia ohnisková vzdialenosť šošovky však vedie k menšej hĺbke ohniska, čo sťažuje dosiahnutie kolmej plochy rezu pri rezaní hrubých plechov. Okrem toho kratšia ohnisková vzdialenosť znižuje vzdialenosť medzi šošovkou a obrobkom, čím sa zvyšuje riziko kontaminácie šošovky roztavenými striekancami počas rezania a ovplyvnenie bežnej prevádzky. Preto by sa vhodná ohnisková vzdialenosť mala určiť komplexne na základe faktorov, ako je hrúbka rezu a požiadavky na kvalitu rezu.

2.2.2 Reflexné zrkadlo

Funkciou reflexného zrkadla je meniť smer lúča vyžarovaného z lasera. Pre lúče z pevnolátkových laserov možno použiť reflexné zrkadlá vyrobené z optického skla. Naproti tomu reflexné zrkadlá v zariadeniach na rezanie plynovým CO₂ laserom sú zvyčajne vyrobené z medi alebo kovov s vysokou odrazivosťou. Aby sa predišlo poškodeniu spôsobenému prehriatím laserovým žiarením počas prevádzky, reflexné zrkadlá sa zvyčajne chladia vodou.

2.2.3 Tryska

Tryska sa používa na vstrekovanie pomocného plynu do zóny rezania a jej konštrukcia má určitý vplyv na účinnosť a kvalitu rezania. Obrázok 4.11 znázorňuje bežné tvary trysiek pre laserové rezanie; tvary otvorov trysky zahŕňajú valcové, kužeľové a konvergujúco-rozbiehavé typy.

Výber trysky sa vo všeobecnosti určuje testami na základe materiálu a hrúbky obrobku a tlaku pomocného plynu. Pri rezaní laserom sa zvyčajne používajú koaxiálne trysky (kde je prúdenie plynu koaxiálne s optickou osou). Ak prúdenie plynu a laserový lúč nie sú koaxiálne, počas rezania môže dôjsť k nadmernému rozstrekovaniu. Vnútorná stena otvoru trysky by mala byť hladká, aby sa zabezpečil nerušený prietok plynu a zabránilo sa turbulenciám, ktoré by mohli ovplyvniť kvalitu rezu. Pre zaistenie stability rezania by sa mala minimalizovať vzdialenosť medzi čelnou plochou trysky a povrchom obrobku, zvyčajne v rozmedzí od 0,5 mm do 2,0 mm. Priemer otvoru trysky musí umožňovať hladký prechod laserového lúča a brániť dotyku lúča s vnútornou stenou otvoru. Čím menší je priemer otvoru, tým ťažšie je lúč kolimovať. Pre daný tlak pomocného plynu existuje optimálny rozsah priemerov otvoru trysky. Príliš malý alebo veľký otvor bude brániť odstraňovaniu roztavených produktov z rezu a ovplyvní rýchlosť rezania.

Vplyv priemeru otvoru trysky na rýchlosť rezania pri konštantnom výkone lasera a tlaku pomocného plynu je znázornený na obrázkoch 4.12 a 4.13. Je zrejmé, že existuje optimálny priemer otvoru trysky, pri ktorom sa dosahuje maximálna rýchlosť rezania. Táto optimálna hodnota je približne 1,5 mm bez ohľadu na to, či sa ako pomocný plyn používa kyslík alebo argón.

Testy laserového rezania tvrdých zliatin (ktoré sa ťažko režú) ukazujú, že optimálny priemer otvoru dýzy je veľmi blízky vyššie uvedeným výsledkom, ako je znázornené na obrázku 4.14. Priemer otvoru dýzy ovplyvňuje aj šírku reznej škáry a šírku tepelne ovplyvnenej zóny (HAZ). Ako je znázornené na obrázku 4.15, so zvyšujúcim sa priemerom otvoru dýzy sa zväčšuje šírka reznej škáry, zatiaľ čo šírka HAZ sa zužuje. Hlavným dôvodom zúženia HAZ je zvýšený chladiaci účinok pomocného prúdu plynu na základný materiál v reznej zóne.

2.3 Parametre zariadenia na laserové rezanie

2.3.1 Rezacie zariadenie poháňané horákom

V rezacích zariadeniach poháňaných horákom je rezací horák namontovaný na pohyblivom portáli a pohybuje sa horizontálne pozdĺž portálového nosníka (os Y). Portál poháňa horák tak, aby sa pohyboval pozdĺž osi X, zatiaľ čo obrobok je upevnený na pracovnom stole. Keďže laser a rezací horák sú umiestnené oddelene, počas procesu rezania sú ovplyvnené charakteristiky laserového prenosu, rovnobežnosť pozdĺž smeru skenovania lúča a stabilita odrazových zrkadiel.

Rezacie zariadenie poháňané horákom dokáže spracovávať obrobky veľkých rozmerov. V zóne rezania zaberá relatívne malú plochu podlahy a možno ho ľahko integrovať s inými zariadeniami a vytvoriť tak výrobnú linku. Jeho presnosť polohovania je však iba ±0,04 mm.

Typická štruktúra rezacieho zariadenia poháňaného horákom je znázornená na obrázku 4.19. Používa sa rezací stroj s kontinuálnym CO₂ laserom, pričom vzdialenosť od lasera k rezaciemu horáku je 18 m. Aby sa zabezpečilo, že zmena priemeru lúča v priebehu tejto prenosovej vzdialenosti neovplyvní rezacie operácie, musí byť kombinácia oscilačných zrkadiel starostlivo navrhnutá.

Hlavné technické parametre rezacieho zariadenia poháňaného horákom sú nasledovné:

Výstupný výkon laseru: 1,5 kW (jednorežimový), 3 kW (viacrežimový)
Zdvih horáka: os X 6,2 m, os Y 2,6 m
Rýchlosť jazdy: 0–10 m/min (nastaviteľná)
Plávajúci zdvih horáka v osi Z: 150 mm
Rýchlosť nastavenia osi Z horáka: 300 mm/min
Maximálna veľkosť spracovaného oceľového plechu: 12 mm × 2400 mm × 6000 mm
Riadiaci systém: Integrovaný režim riadenia NC

2.3.2 Rezacie zariadenie s pohonom stola XY

V rezacom zariadení s pohonom stola XY je rezací horák upevnený na ráme a obrobok je umiestnený na rezacom stole. Rezací stôl sa pohybuje pozdĺž osí X a Y podľa NC príkazov s nastaviteľnou rýchlosťou pohybu, ktorá sa zvyčajne pohybuje v rozmedzí od 0 do 1 m/min alebo od 0 do 5 m/min. Keďže rezací horák zostáva nehybný vzhľadom na obrobok, minimalizuje sa vplyv na zarovnanie a centrovanie laserového lúča počas procesu rezania, čím sa zabezpečuje rovnomerný a stabilný rezací výkon. Pri vybavení malým rezacím stolom s vysokou mechanickou presnosťou dosahuje stroj presnosť polohovania ±0,01 mm avynikajúca presnosť rezania, vďaka čomu je obzvlášť vhodný na presné rezanie malých súčiastok. Okrem toho sú na spracovanie veľkých obrobkov k dispozícii väčšie rezacie stoly so zdvihom osi X 2300 – 2400 mm a zdvihom osi Y 1200 – 1300 mm.

Hlavné technické parametre rezacieho zariadenia s pohonom stola XY sú nasledovné:

Zdroj laseru: plynový CO₂ laser (polouzavretý typ s rovnou trubicou)
Napájanie lasera: Vstupné napätie 200 V AC; Výstupné napätie 0–30 kV; Maximálny výstupný prúd 100 mA
Výstupný výkon laseru: 550 W
Zdvih rezacieho stola: os X 2300 mm, os Y 1300 mm
Rýchlosť pohybu rezacieho stola (stupne nastaviteľná): 0,4–5,0 m/min, 0,2–2,5 m/min, 0,1–1,3 m/min, 0,05–0,6 m/min
Plávajúci zdvih horáka v osi Z: 180 mm
Maximálna veľkosť spracovávaného plechu: 6 mm × 1300 mm × 2300 mm
Riadiaci systém: Režim numerického riadenia (NC)

2.3.3 Dvojpohonné rezacie zariadenie (horák a stôl)

Dvojito poháňané rezacie zariadenie (horák a stôl) sa svojou konštrukciou radí medzi rezacie stroje poháňané horákom a rezacie stroje poháňané stolom XY. Rezací horák je namontovaný na portáli a pohybuje sa horizontálne pozdĺž portálového nosníka (os Y), zatiaľ čo rezací stôl je poháňaný pozdĺžne. Táto hybridná konštrukcia kombinuje výhody vysokej presnosti rezania a úspory miesta. S presnosťou polohovania ±0,01 mm a nastaviteľným rozsahom rýchlosti rezania 0–20 m/min je to jeden z najpoužívanejších rezacích strojov na trhu. Väčšie modely tohto stroja ponúkajú zdvih osi Y 2000 mm a zdvih osi X 6000 mm, čo umožňuje rezanie veľkých obrobkov.

Laserový oscilátor je namontovaný na portáli vedľa rezacieho horáka. Táto konfigurácia poskytuje výnimočnú presnosť pri rezaní kruhových otvorov. Stroj sa tiež môže pochváliť vysokou produktivitou: dokáže vyrezať 46 kruhových otvorov (s priemerom 10 mm) za minútu na oceľovom plechu s hrúbkou 1 mm.

2.3.4 Integrované rezacie zariadenie

Vintegrovaný rezací strojLaserový zdroj je nainštalovaný na ráme a pohybuje sa s ním pozdĺžne, zatiaľ čo rezací horák je integrovaný so svojím pohonným mechanizmom, aby sa pohyboval horizontálne pozdĺž nosníka rámu. Stroj používa numerické riadenie na rezanie rôznych tvarovaných komponentov. Na kompenzáciu zmeny dĺžky optickej dráhy spôsobenej horizontálnym pohybom rezacieho horáka je zvyčajne vybavený modulom na nastavenie dĺžky optickej dráhy. Tento modul zaisťuje homogénny laserový lúč v oblasti rezania a udržiava konzistentnú kvalitu rezaného povrchu.

Čas uverejnenia: 17. decembra 2025

Základy laserového rezania a jeho systém spracovania — Zariadenia na laserové rezanie