We help the world growing since 2012

SHIJIAZHUANG TUOOU CONSTRUCTION MATERIALS TRADING CO., LTD.

Introduktionen av laserskärning

Laserskärning är en teknik som använder en laser för att förånga material, vilket resulterar i en skärkant.Även om den vanligtvis används för industriell tillverkning, används den nu av skolor, småföretag, arkitektur och hobbyister.Laserskärning fungerar genom att styra utsignalen från en högeffektlaser oftast genom optik.Laseroptiken och CNC (computer numerical control) används för att rikta laserstrålen till materialet.En kommersiell laser för att skära material använder ett rörelsekontrollsystem för att följa en CNC- eller G-kod för mönstret som ska skäras på materialet.Den fokuserade laserstrålen riktas mot materialet, som sedan antingen smälter, brinner, förångas bort eller blåses bort av en gasstråle[1] och lämnar en kant med en ytfinish av hög kvalitet

Historia
1965 användes den första produktionslaserskärmaskinen för att borra hål i diamantformar.Denna maskin gjordes av Western Electric Engineering Research Center.[3]1967 var britterna banbrytande med laserassisterad syrgasskärning för metaller.[4]I början av 1970-talet sattes denna teknik i produktion för att skära titan för flygtillämpningar.Samtidigt anpassades CO2-lasrar för att skära icke-metaller, såsom textilier, eftersom CO2-lasrar vid den tiden inte var tillräckligt kraftfulla för att övervinna metallers värmeledningsförmåga.[5]

Bearbeta

Industriell laserskärning av stål med skärinstruktioner programmerade via CNC-gränssnittet
Laserstrålen fokuseras i allmänhet med en högkvalitativ lins på arbetszonen.Kvaliteten på strålen har en direkt inverkan på den fokuserade punktstorleken.Den smalaste delen av den fokuserade strålen är i allmänhet mindre än 0,0125 tum (0,32 mm) i diameter.Beroende på materialtjocklek är skärbredder så små som 0,004 tum (0,10 mm) möjliga.[6]För att kunna börja skära från någon annanstans än kanten görs en håltagning före varje skärning.Piercing involverar vanligtvis en pulsad laserstråle med hög effekt som långsamt gör ett hål i materialet, vilket tar cirka 5–15 sekunder för till exempel 0,5 tum tjockt (13 mm) rostfritt stål.

De parallella strålarna av koherent ljus från laserkällan faller ofta i intervallet mellan 0,06–0,08 tum (1,5–2,0 mm) i diameter.Denna stråle fokuseras och intensifieras normalt av en lins eller en spegel till en mycket liten punkt på cirka 0,001 tum (0,025 mm) för att skapa en mycket intensiv laserstråle.För att uppnå en så jämn finish som möjligt under konturskärning, måste strålpolarisationens riktning roteras när den går runt periferin av ett konturerat arbetsstycke.För skärning av plåt är brännvidden vanligtvis 1,5–3 tum (38–76 mm).[7]

Fördelarna med laserskärning framför mekanisk skärning inkluderar enklare arbetshållning och minskad kontaminering av arbetsstycket (eftersom det inte finns någon skäregg som kan förorenas av materialet eller kontaminera materialet).Precisionen kan vara bättre, eftersom laserstrålen inte slits under processen.Det finns också en minskad risk för att materialet som skärs skevt, eftersom lasersystem har en liten värmepåverkad zon.[8]Vissa material är också mycket svåra eller omöjliga att skära på mer traditionella sätt.

Laserskärning för metaller har fördelen jämfört med plasmaskärning att den är mer exakt[9] och använder mindre energi vid skärning av plåt;dock kan de flesta industriella lasrar inte skära igenom den större metalltjocklek som plasma kan.Nyare lasermaskiner som arbetar med högre effekt (6000 watt, i motsats till tidiga laserskärmaskiners 1500 watts kapacitet) närmar sig plasmamaskiner i sin förmåga att skära igenom tjocka material, men kapitalkostnaden för sådana maskiner är mycket högre än för plasma skärmaskiner som kan skära tjocka material som stålplåt.[10]

     

Typer

4000 watt CO2 laserskärare
Det finns tre huvudtyper av lasrar som används vid laserskärning.CO2-lasern är lämplig för skärning, borrning och gravering.Lasrarna neodym (Nd) och neodym yttrium-aluminium-granat (Nd:YAG) är identiska i stil och skiljer sig endast i applikation.Nd används för tråkigt och där hög energi men låg upprepning krävs.Nd:YAG-lasern används där mycket hög effekt behövs och för borrning och gravering.Både CO2- och Nd/Nd:YAG-lasrar kan användas för svetsning.[11]

CO2-lasrar "pumpas" vanligtvis genom att leda en ström genom gasblandningen (DC-exciterad) eller använda radiofrekvensenergi (RF-exciterad).RF-metoden är nyare och har blivit mer populär.Eftersom DC-konstruktioner kräver elektroder inuti kaviteten, kan de stöta på elektroderosion och plätering av elektrodmaterial på glasvaror och optik.Eftersom RF-resonatorer har externa elektroder är de inte utsatta för dessa problem.CO2-lasrar används för industriell skärning av många material, inklusive titan, rostfritt stål, mjukt stål, aluminium, plast, trä, konstruerat trä, vax, tyger och papper.YAG-lasrar används främst för att skära och rita metaller och keramik.[12]

Förutom strömkällan kan typen av gasflöde också påverka prestandan.Vanliga varianter av CO2-lasrar inkluderar snabbt axiellt flöde, långsamt axiellt flöde, tvärflöde och plattor.I en resonator med snabbt axiellt flöde cirkuleras blandningen av koldioxid, helium och kväve med hög hastighet av en turbin eller fläkt.Tvärflödeslasrar cirkulerar gasblandningen med lägre hastighet, vilket kräver en enklare fläkt.Plattor eller diffusionskylda resonatorer har ett statiskt gasfält som inte kräver någon trycksättning eller glasvaror, vilket leder till besparingar på ersättningsturbiner och glasvaror.

Lasergeneratorn och extern optik (inklusive fokuslinsen) kräver kylning.Beroende på systemstorlek och konfiguration kan spillvärme överföras med kylvätska eller direkt till luft.Vatten är ett vanligt kylmedel som vanligtvis cirkuleras genom en kylare eller värmeöverföringssystem.

1laser microjet är en vattenstrålestyrd laser i vilken en pulsad laserstråle kopplas till en lågtrycksvattenstråle.Detta används för att utföra laserskärningsfunktioner samtidigt som vattenstrålen används för att styra laserstrålen, ungefär som en optisk fiber, genom total intern reflektion.Fördelarna med detta är att vattnet även tar bort skräp och kyler materialet.Ytterligare fördelar jämfört med traditionell "torr" laserskärning är höga tärningshastigheter, parallell skärning och rundstrålande skärning.[13]

Fiberlasrar är en typ av solid state-laser som växer snabbt inom metallskärningsindustrin.Till skillnad från CO2, använder fibertekniken ett fast förstärkningsmedium, till skillnad från en gas eller vätska."Frölasern" producerar laserstrålen och förstärks sedan i en glasfiber.Med en våglängd på endast 1064 nanometer producerar fiberlasrar en extremt liten punktstorlek (upp till 100 gånger mindre jämfört med CO2) vilket gör den idealisk för att skära reflekterande metallmaterial.Detta är en av de största fördelarna med fiber jämfört med CO2.[14]

 

Fördelarna med fiberlaserskärare inkluderar:

Snabba handläggningstider.
Minskad energiförbrukning och räkningar – tack vare högre effektivitet.
Större tillförlitlighet och prestanda – ingen optik att justera eller justera och inga lampor att byta ut.
Minimalt underhåll.
Förmågan att bearbeta högreflekterande material som koppar och mässing
Högre produktivitet – lägre driftskostnader ger en högre avkastning på din investering.[15]

Metoder
Det finns många olika metoder för att skära med laser, med olika typer som används för att skära olika material.Några av metoderna är förångning, smältning och blåsning, smältblåsning och bränning, termisk spänningssprickning, ritsning, kallskärning och brännstabiliserad laserskärning.

Förångningsskärning
Vid förångningsskärning värmer den fokuserade strålen upp materialets yta till flampunktspunkt och genererar ett nyckelhål.Nyckelhålet leder till en plötslig ökning av absorptionsförmågan som snabbt fördjupar hålet.När hålet blir djupare och materialet kokar, eroderar ånga som genereras de smälta väggarna som blåser ut och förstorar hålet ytterligare.Icke-smältande material som trä, kol och härdplast skärs vanligtvis med denna metod.
Smält och blås
Smält- och blås- eller smältskärning använder högtrycksgas för att blåsa smält material från skärområdet, vilket kraftigt minskar effektbehovet.Först värms materialet upp till smältpunkten och sedan blåser en gasstråle det smälta materialet ut ur snittet och undviker behovet av att höja temperaturen på materialet ytterligare.Material som skärs med denna process är vanligtvis metaller.

 

Termisk spänningssprickning
Spröda material är särskilt känsliga för termiska brott, en egenskap som utnyttjas vid termisk spänningssprickning.En stråle fokuseras på ytan och orsakar lokal uppvärmning och termisk expansion.Detta resulterar i en spricka som sedan kan styras genom att förflytta balken.Sprickan kan flyttas i ordningsföljd m/s.Det används vanligtvis vid skärning av glas.

Stealth tärning av kiselwafers
Ytterligare information: Tärning av rån
Separationen av mikroelektroniska chip som framställts vid tillverkning av halvledaranordningar från kiselskivor kan utföras genom den så kallade stealth dicing-processen, som arbetar med en pulsad Nd:YAG-laser, vars våglängd (1064 nm) är väl anpassad till den elektroniska bandgap av kisel (1,11 eV eller 1117 nm).

Reaktiv skärning
Kallas även "brinnande stabiliserad lasergasskärning", "flammskärning".Reaktiv skärning är som syrebrännskärning men med en laserstråle som antändningskälla.Används mest för att skära kolstål i tjocklekar över 1 mm.Denna process kan användas för att skära mycket tjocka stålplåtar med relativt liten laserkraft.

Toleranser och ytfinish
Laserskärare har en positioneringsnoggrannhet på 10 mikrometer och repeterbarhet på 5 mikrometer.[citat behövs]

Standardråhet Rz ökar med plåttjockleken, men minskar med laserkraft och skärhastighet.Vid skärning av lågkolhaltigt stål med lasereffekt på 800 W är standardråheten Rz 10 μm för plåttjocklek på 1 mm, 20 μm för 3 mm och 25 μm för 6 mm.

{\displaystyle Rz={\frac {12.528\cdot S^{0.542}}{P^{0.528}\cdot V^{0.322}}}}{\displaystyle Rz={\frac {12.528\cdot S^{0.542 }}{P^{0.528}\cdot V^{0.322}}}}
Där: {\displaystyle S=}S= stålplåttjocklek i mm;{\displaystyle P=}P= lasereffekt i kW (vissa nya laserskärare har lasereffekt på 4 kW);{\displaystyle V=}V= skärhastighet i meter per minut.[16]

Denna process kan hålla ganska nära toleranser, ofta inom 0,001 tum (0,025 mm).Delgeometri och maskinens mekaniska sundhet har mycket att göra med toleransförmåga.Den typiska ytfinishen som är resultatet av laserstråleskärning kan variera från 125 till 250 mikrotum (0,003 mm till 0,006 mm).[11]

Maskinkonfigurationer

Flygoptiklaser med dubbla pallar

Flygande optiklaserhuvud
Det finns generellt tre olika konfigurationer av industriella laserskärmaskiner: rörligt material, hybridsystem och flygoptiksystem.Dessa hänvisar till hur laserstrålen flyttas över materialet som ska skäras eller bearbetas.För alla dessa är rörelseaxlarna typiskt betecknade med X- och Y-axel.Om skärhuvudet kan styras är det betecknat som Z-axeln.

Rörliga materiallasrar har ett stationärt skärhuvud och flyttar materialet under det.Denna metod ger ett konstant avstånd från lasergeneratorn till arbetsstycket och en enda punkt från vilken skäravloppsvatten kan avlägsnas.Det kräver mindre optik, men kräver att arbetsstycket flyttas.Denna typ av maskin tenderar att ha minst stråleleveransoptik, men tenderar också att vara den långsammaste.

Hybridlasrar tillhandahåller ett bord som rör sig i en axel (vanligtvis X-axeln) och flyttar huvudet längs den kortare (Y) axeln.Detta resulterar i en mer konstant stråltillförselvägslängd än en flygande optisk maskin och kan tillåta ett enklare strålavgivningssystem.Detta kan resultera i minskad effektförlust i leveranssystemet och mer kapacitet per watt än flygande optikmaskiner.

Flygoptiklasrar har ett stationärt bord och ett skärhuvud (med laserstråle) som rör sig över arbetsstycket i båda de horisontella dimensionerna.Flygande optikskärare håller arbetsstycket stationärt under bearbetning och kräver ofta inte material fastspänning.Den rörliga massan är konstant, så dynamiken påverkas inte av varierande storlek på arbetsstycket.Flygoptikmaskiner är den snabbaste typen, vilket är fördelaktigt när man skär tunnare arbetsstycken.[17]

激光-3

Flygande optiska maskiner måste använda någon metod för att ta hänsyn till den förändrade strållängden från närfältsskärning (nära resonator) till skärning i fjärrfält (långt bort från resonator).Vanliga metoder för att kontrollera detta inkluderar kollimering, adaptiv optik eller användning av en konstant strållängdsaxel.

Fem- och sexaxliga maskiner tillåter också skärning av formade arbetsstycken.Dessutom finns det olika metoder för att orientera laserstrålen till ett format arbetsstycke, bibehålla ett korrekt fokusavstånd och munstyckesavstånd, etc.

Pulserande
Pulsade lasrar som ger en högeffektsburst av energi under en kort period är mycket effektiva i vissa laserskärningsprocesser, särskilt för piercing, eller när mycket små hål eller mycket låga skärhastigheter krävs, eftersom om en konstant laserstråle skulle användas, värmen kan nå punkten att smälta hela biten som skärs.

De flesta industriella lasrar har förmågan att pulsera eller skära CW (kontinuerlig våg) under NC (numerisk kontroll) programkontroll.

Dubbelpulslasrar använder en serie pulspar för att förbättra materialavlägsningshastigheten och hålkvaliteten.I huvudsak tar den första pulsen bort material från ytan och den andra förhindrar utkastet från att fästa vid sidan av hålet eller skära.[18]


Posttid: 2022-jun-16