1. Zasada i klasyfikacja cięcia laserowego

● Zasada cięcia laserowego

Ten cięcie laserowe wykorzystuje skoncentrowaną wiązkę o dużej gęstości mocy, dzięki czemu napromieniowany materiał ulega szybkiemu stopieniu, odparowaniu, ablacji lub zapłonowi, a stopiony materiał jest zdmuchiwany przez szybki przepływ powietrza współosiowy z wiązką, co powoduje przecięcie obrabianego przedmiotu.

Gdy wiązka lasera oddziałuje z materiałem, zachodzi kilka procesów. Intensywne ciepło generowane przez wiązkę laserową gwałtownie podnosi temperaturę materiału, powodując jego topienie, parowanie lub reakcję chemiczną. Konkretna interakcja zależy od właściwości materiału, takich jak współczynnik absorpcji i temperatura topnienia, a także od parametrów lasera, takich jak gęstość mocy i czas trwania impulsu.

W przypadku materiałów o niskiej temperaturze topnienia, takich jak tworzywa sztuczne, wiązka laserowa może stopić materiał podczas cięcia. Stopiony materiał jest następnie zdmuchiwany przez strumień gazu, tworząc szczelinę (szerokość cięcia). W przypadku materiałów o wyższej temperaturze topnienia, takich jak metale, wiązka laserowa bezpośrednio odparowuje materiał, zapewniając wąskie i precyzyjne cięcie.

Wspomaganie gazowe jest powszechnie stosowane w cięciu laserowym w celu usprawnienia procesu cięcia. Gaz, taki jak tlen lub azot, jest wdmuchiwany przez dyszę głowicy tnącej na powierzchnię materiału. Gaz pomaga usunąć stopiony lub odparowany materiał ze strefy cięcia, schładza materiał i zapobiega powstawaniu zadziorów i żużlu. Wybór gazu zależy od ciętego materiału i pożądanej jakości cięcia.

Szerokość szczeliny, czyli szerokość cięcia, zależy od kilku czynników, takich jak moc lasera, rozmiar ogniska, grubość materiału i prędkość cięcia. Szerokość szczeliny można kontrolować, dostosowując te parametry, aby uzyskać pożądaną precyzję cięcia. Ponadto, cięcie laserowe może powodować zjawisko zwane stożkowatością, polegające na nabieraniu przez cięcie lekko stożkowego kształtu. Kąt stożkowatości zależy od właściwości materiału i parametrów lasera i można go zminimalizować poprzez optymalizację warunków cięcia.

●Podstawy lasera:

Laser (wzmocnienie światła poprzez wymuszoną emisję promieniowania) to urządzenie wytwarzające skoncentrowaną wiązkę spójnego światła. Składa się z trzech głównych elementów: ośrodka czynnego, źródła energii oraz rezonatora optycznego. Ośrodek czynny, który może być ciałem stałym, cieczą lub gazem, emituje fotony po pobudzeniu przez źródło energii. Rezonator optyczny odbija fotony w tę i z powrotem przez ośrodek czynny, wzmacniając i wyrównując fale świetlne. Proces ten prowadzi do powstania silnej i spójnej wiązki laserowej.

● Cięcie laserowe klasyfikacja

W urządzeniach do cięcia laserowego stosuje się kilka rodzajów laserów, w tym lasery CO2, lasery Nd:YAG i lasery światłowodowe. Lasery CO2 są najpopularniejsze i wykorzystują mieszaninę dwutlenku węgla, azotu i helu jako ośrodek czynny. Lasery Nd:YAG wykorzystują jako ośrodek czynny kryształ ciała stałego, taki jak granat itrowo-glinowy domieszkowany neodymem. Lasery światłowodowe natomiast wykorzystują jako ośrodek czynny światłowód domieszkowany pierwiastkami ziem rzadkich. Każdy rodzaj lasera ma swoje unikalne właściwości i nadaje się do określonych zastosowań cięcia.

1) Lasery CO2

Używane powszechnie do cięcia materiałów niemetalowych, takich jak drewno, plastik, szkło i tekstylia. Przy odpowiednim ustawieniu nadają się również do cięcia metali, takich jak stal miękka, stal nierdzewna i aluminium.

2) Cięcie laserowe metodą parowania

Przedmiot obrabiany jest nagrzewany wiązką lasera o wysokiej gęstości energii. Temperatura gwałtownie rośnie, materiał osiąga temperaturę wrzenia w bardzo krótkim czasie, po czym zaczyna parować, tworząc parę. Pary te są wyrzucane z dużą prędkością, a w materiale tworzy się szczelina. Ciepło parowania materiału jest zazwyczaj duże, dlatego do cięcia z gazyfikacją laserową wymagana jest duża moc i gęstość mocy.

Cięcie laserowe z odparowaniem pary jest często stosowane do cięcia bardzo cienkich materiałów metalowych i niemetalowych.

3) Cięcie laserowe

Podczas topienia i cięcia laserem, materiał metalowy jest topiony poprzez nagrzewanie laserowe, a następnie gaz nieutleniający jest rozpylany przez dyszę współosiową z wiązką światła, a ciekły metal jest uwalniany pod silnym ciśnieniem gazu, tworząc szczelinę. Topienie i cięcie laserowe nie wymaga całkowitego odparowania metalu, a wymagana energia stanowi zaledwie 1/10 energii potrzebnej do cięcia przez odparowanie.

Cięcie laserowe metodą topienia jest stosowane głównie do cięcia niektórych materiałów nieutleniających się lub metali aktywnych.

4) Cięcie laserowe tlenem

Zasada cięcia laserowo-tlenowego jest podobna do cięcia acetylenowo-tlenowego. Wykorzystuje ono laser jako źródło ciepła do nagrzewania wstępnego oraz gaz aktywny, taki jak tlen, jako gaz tnący. Z jednej strony, wtryskiwany gaz oddziałuje na cięty metal, wywołując reakcję utleniania, uwalniając dużą ilość ciepła utleniania; z drugiej strony, stopiony tlenek i stop są wydmuchiwane ze strefy reakcji, tworząc szczelinę w metalu.

Ponieważ reakcja utleniania zachodząca w trakcie cięcia generuje dużą ilość ciepła, energia potrzebna do cięcia utleniającego laserem stanowi zaledwie połowę energii potrzebnej do cięcia stopionego materiału, a prędkość cięcia jest znacznie większa niż w przypadku cięcia laserowego przez odparowanie i cięcia przez topienie.

Cięcie laserowe tlenowe stosowane jest głównie do stali węglowej, stali tytanowej i materiałów metalowych poddawanych obróbce cieplnej.

5) Cięcie laserowe i kontrola złamań

Grawerowanie laserowe polega na skanowaniu powierzchni kruchego materiału za pomocą lasera o wysokiej gęstości energii, co powoduje odparowanie materiału do małego rowka pod wpływem ciepła, a następnie zastosowanie określonego ciśnienia, które powoduje pęknięcie kruchego materiału w tym małym rowku. Lasery do grawerowania laserowego to zazwyczaj lasery Q-switch i lasery CO2.

Pęknięcia są kontrolowane poprzez gwałtowny rozkład temperatury generowany przez grawerowanie laserowe, które generuje lokalne naprężenia cieplne w kruchym materiale, powodując przerwanie jego ciągłości.

●Proces cięcia laserowego

Proces cięcia laserowego składa się z kilku etapów. Najpierw wiązka laserowa jest generowana przez źródło laserowe i kierowana przez szereg zwierciadeł i soczewek do głowicy tnącej. Głowica tnąca zawiera układ optyczny skupiający wiązkę laserową w małej plamce. Skupiona wiązka laserowa jest następnie kierowana na cięty materiał.

2. Funkcje cięcia laserowego

● Zaleta

1) Dobra jakość cięcia

Cięcie laserowe pozwala na osiągnięcie lepszej jakości cięcia ze względu na małą plamkę lasera, wysoką gęstość energii i dużą prędkość cięcia.

2) Wysoka wydajność cięcia

Ze względu na charakterystykę transmisji lasera, wycinarka laserowa jest zazwyczaj wyposażona w wiele stołów roboczych sterowanych numerycznie, co pozwala na sterowanie całym procesem cięcia. Podczas pracy wystarczy zmienić program NC, aby móc ciąć elementy o różnych kształtach, a także wykonywać cięcie dwuwymiarowe i trójwymiarowe.

3) Duża prędkość cięcia

Cięcie laserowe nie wymaga stosowania materiałów mocujących, co pozwala ograniczyć zużycie osprzętu oraz zaoszczędzić czas poświęcany na załadunek i rozładunek.

4) Cięcie bezkontaktowe

Podczas cięcia laserowego palnik nie styka się z przedmiotem obrabianym, a narzędzie nie ulega zużyciu. Obróbka elementów o różnych kształtach nie wymaga wymiany „narzędzia”, wystarczy zmienić parametry wyjściowe lasera. Proces cięcia laserowego charakteryzuje się niskim poziomem hałasu, niskim poziomem wibracji i brakiem zanieczyszczeń.

● Wada

Cięcie laserowe Ze względu na ograniczenia mocy lasera i wielkości urządzenia, cięcie laserowe umożliwia cięcie wyłącznie blach i rur o średniej i małej grubości, a prędkość cięcia znacznie spada wraz ze wzrostem grubości przedmiotu obrabianego.

Sprzęt do cięcia laserowego jest drogi, a inwestycja w niego jest jednorazowa.