יסודות חיתוך הלייזר ומערכת העיבוד שלו —ציוד חיתוך לייזר

II. הרכב ציוד חיתוך לייזר

2.1 רכיבים ועקרון עבודה של מכונת חיתוך לייזר

מכונת חיתוך לייזר מורכבת מפולט לייזר, ראש חיתוך, מכלול העברת קרן, שולחן עבודה של כלי עבודה, מערכת בקרה נומרית (NC), מחשב (חומרה ותוכנה), צ'ילר, בלון גז מגן, אספן אבק ומייבש אוויר.

מחולל לייזר

מחולל הלייזר הוא מכשיר המייצר מקורות אור לייזר. עבור יישומי חיתוך לייזר, רוב המכונות משתמשות בלייזרי גז CO₂ בעלי יעילות המרה אלקטרו-אופטית גבוהה ופלט הספק גבוה, למעט מקרים בודדים בהם משתמשים בלייזרי מצב מוצק YAG. לא כל הלייזרים מתאימים לחיתוך, מכיוון שחיתוך לייזר מטיל דרישות מחמירות על איכות הקרן.
ראש חיתוך

זה מורכב בעיקר מרכיבים כגון זרבובית, עדשת מיקוד ומערכת מעקב מיקוד.

התקן הנעת ראש החיתוך משמש להנעת ראש החיתוך לאורך ציר ה-Z בהתאם לתוכניות מוגדרות מראש. הוא מורכב ממנוע סרוו וחלקי תמסורת כמו ברגי מוביל או גלגלי שיניים.

(1) זרבובית: ישנם שלושה סוגים עיקריים של זרבובית: סוג מקביל, סוג מתכנס וסוג חרוטי.

(2) עדשת מיקוד: כדי לבצע חיתוך באמצעות אנרגיית קרן לייזר, יש למקד את הקרן המקורית הנפלטת מהלייזר דרך עדשה כדי ליצור נקודת אור בעלת צפיפות אנרגיה גבוהה. עדשות בעלות אורך מוקד בינוני וארוכה מתאימות לחיתוך לוחות עבים ויש להן דרישות נמוכות יותר ליציבות המרווח של מערכת המעקב. עדשות בעלות אורך מוקד קצר מתאימות רק לחיתוך לוחות דקים מתחת ל-3 מ"מ; יש להן דרישות מחמירות ליציבות המרווח של מערכת המעקב אך הן יכולות להפחית משמעותית את עוצמת הפלט הנדרשת של הלייזר.

(3) מערכת מעקב: מערכת מעקב המיקוד של מכונת חיתוך לייזר מורכבת בדרך כלל מראש חיתוך מוקד ומערכת חיישני מעקב. ראש החיתוך משלב פונקציות של הנחיית קרן ומיקוד, קירור מים, ניפוח גז וכיוונון מכני.

החיישן מורכב מאלמנטים של חישה ויחידת בקרת הגברה. מערכות מעקב משתנות לחלוטין בהתאם לסוג אלמנטים של חישה. קיימים שני סוגים עיקריים: האחד הוא מערכת מעקב חיישנים קיבולית, המכונה גם מערכת מעקב ללא מגע; השני הוא מערכת מעקב חיישנים אינדוקטיבית, המכונה גם מערכת מעקב מגע.
מכלול שידור קרן

נתיב אופטי חיצוני: מראות מחזירות אור משמשות להכוונת קרן הלייזר בכיוון הרצוי. כדי למנוע תקלות בנתיב הקרן, כל המראות המחזירות אור מוגנות על ידי מגנים, וגז מגן נקי בלחץ חיובי מוכנס כדי לשמור על המראות נקיות מזיהום. עדשה בעלת ביצועים גבוהים יכולה למקד קרן שאינה מתפצלת לנקודה קטנה לאין שיעור. עדשה עם אורך מוקד של 5.0 אינץ' משמשת בדרך כלל, בעוד שעדשה של 7.5 אינץ' מתאימה רק לחיתוך חומרים עבים מ-12 מ"מ.
שולחן עבודה של כלי מכונה

גוף המכונה הראשי: מקטע כלי המכונה שלמכונת חיתוך לייזרהוא החלק המכני שמממש את תנועת צירי X, Y ו-Z, כולל משטח העבודה לחיתוך.
מערכת בקרה נומרית

מערכת ה- NC שולטת בכלי המכונה כדי להשיג תנועות של ציר X, Y ו- Z ומווסתת את עוצמת המוצא של הלייזר בו זמנית.
מערכת קירור

יחידת קירור: משמשת לקירור מחולל הלייזר. לייזר הוא מכשיר הממיר אנרגיה חשמלית לאנרגיית אור. לדוגמה, יעילות ההמרה של לייזר גז CO₂ היא בדרך כלל 20%, כאשר האנרגיה הנותרת מומרת לחום. מי קירור מסירים עודפי חום כדי לשמור על פעולתו התקינה של מחולל הלייזר. יחידת הקירור מקררת גם את מראות הנתיב האופטי החיצוני ואת עדשות המיקוד של כלי העבודה, מה שמבטיח איכות העברת קרן יציבה ומונע ביעילות עיוות או סדקים של העדשה עקב התחממות יתר.
בלוני גז

בלוני גז כוללים בלוני גז עבודה ובלוני גז עזר למכונת חיתוך הלייזר, המשמשים להשלמת גזים תעשייתיים לתנודת לייזר ולאספקת גזים עזר לראש החיתוך.
מערכת להסרת אבק

הוא שואב עשן ואבק הנוצרים במהלך העיבוד ומבצע טיפול סינון כדי להבטיח שפליטות גזי הפליטה יעמדו בתקני הגנת הסביבה.
מייבש קירור אוויר ומסנן

הוא מספק אוויר נקי ויבש לגנרטור הלייזר ולנתיב הקרן, תוך שמירה על פעולה תקינה של נתיב הקרן והמראות המחזירות אור.

2.2 מבער חיתוך לחיתוך לייזר

דיאגרמת המבנה של מבער חיתוך לחיתוך בלייזר מוצגת להלן. הוא מורכב בעיקר מגוף המבער, עדשת מיקוד, מראה מחזירת אור ופיה גז עזר. במהלך חיתוך בלייזר, מבער החיתוך חייב לעמוד בדרישות הבאות:

① הלפיד יכול לפלוט זרימת גז מספקת.

② כיוון הפליטה של הגז בתוך הלפיד חייב להיות קואקסיאלי עם הציר האופטי של המראה המחזירה אור.

③ ניתן לכוונן בקלות את אורך המוקד של הפנס.

④ במהלך החיתוך, אסור שאדי מתכת והתזות מהמתכת החתוכה יפגעו במראה המחזירה אור.

תנועת מבער החיתוך מותאמת על ידי מערכת תנועה NC. ישנם שלושה תרחישים לתנועה היחסית בין מבער החיתוך לחומר העבודה:

① המבער נשאר נייח בזמן שחומר העבודה נע דרך שולחן העבודה - מתאים בעיקר לחומרי עבודה קטנים.

② חומר העבודה נשאר נייח בזמן שהמבער נע.

③ גם המבער וגם שולחן העבודה נעים בו זמנית.

2.2.1 ראש חיתוך

ראש חיתוך הלייזר ממוקם בקצה מערכת העברת הקרן, המורכב מעדשת מיקוד ופיה חיתוך.

עדשות מיקוד מסווגות בעיקר לפי אורך מוקד. רוב ציוד חיתוך הלייזר מצויד במספר ראשי חיתוך עם אורכי מוקד שונים. אם ניקח לדוגמה חיתוך בלייזר CO₂, אורכי מוקד נפוצים הם 127 מ"מ (5 אינץ') ו-190 מ"מ (7.5 אינץ'). עדשה בעלת אורך מוקד קצר מייצרת נקודת מוקד קטנה ועומק מוקד קצר, מה שתורם להפחתת רוחב החריץ ולהשגת חיתוכים עדינים יותר. עדשה בעלת אורך מוקד ארוך מניבה נקודת מוקד גדולה יותר ועומק מוקד ארוך יותר. בהשוואה לעדשות בעלות אורך מוקד קצר, עדשות בעלות אורך מוקד ארוך יכולות לספק קרן ממוקדת עם צפיפות אנרגיית לייזר מספקת לעיבוד חומרים ליד נקודת המוקד. לכן, עדשות בעלות אורך מוקד קצר משמשות בעיקר לחיתוך מדויק של לוחות דקים, בעוד שעדשות בעלות אורך מוקד ארוך נדרשות לחומרים עבים יותר כדי להשיג עומק מוקד מספק, תוך הבטחת וריאציה מינימלית בקוטר הנקודה וצפיפות הספק מספקת בטווח עובי החיתוך.

עדשות מיקוד משמשות למיקוד קרן הלייזר המקבילה הפוגעת במבער החיתוך, ובכך להשיג גודל נקודה קטן יותר וצפיפות הספק גבוהה יותר. עדשות עשויות מחומרים שיכולים להעביר את אורך הגל של הלייזר. זכוכית אופטית משמשת בדרך כלל עבור לייזרים במצב מוצק, בעוד שחומרים כמו ZnSe, GaAs ו-Ge מאומצים עבור לייזרי גז CO₂ (מכיוון שזכוכית רגילה אינה שקופה לקרני לייזר CO₂), שביניהן ZnSe הוא הנפוץ ביותר.

עבור חיתוך לייזר, מזעור קוטר נקודת המוקד רצוי כדי להגדיל את צפיפות ההספק ולאפשר חיתוך במהירות גבוהה. עם זאת, אורך מוקד קצר יותר של העדשה מביא לעומק מוקד קטן יותר, מה שמקשה על השגת משטח חיתוך אנכי בעת חיתוך לוחות עבים. בנוסף, אורך מוקד קצר יותר מקטין את המרחק בין העדשה לחומר העבודה, מה שמגדיל את הסיכון לזיהום העדשה על ידי התזות מותכות במהלך החיתוך ולפגוע בפעולה הרגילה. לכן, יש לקבוע את אורך המוקד המתאים באופן מקיף על סמך גורמים כגון עובי החיתוך ודרישות איכות החיתוך.

2.2.2 מראה מחזירת אור

תפקידה של המראה המחזירה אור הוא לשנות את כיוון הקרן הנפלטת מהלייזר. עבור קרניים מלייזרים במצב מוצק, ניתן להשתמש במראות מחזירות אור העשויות מזכוכית אופטית. לעומת זאת, מראות מחזירות אור במכשירי חיתוך לייזר בגז CO₂ עשויות בדרך כלל מנחושת או מתכות בעלות רפלקטיביות גבוהה. כדי למנוע נזק הנגרם כתוצאה מחימום יתר מקרינת לייזר במהלך הפעולה, מראות מחזירות אור מקוררות בדרך כלל במים.

2.2.3 זרבובית

הפיה משמשת לריסוס גז עזר לתוך אזור החיתוך, ולמבנה שלה יש השפעה מסוימת על יעילות החיתוך ואיכותו. איור 4.11 מציג צורות פיה נפוצות לחיתוך לייזר; צורות פתח הפיה כוללות סוגים גליליים, חרוטיים וסוגים מתכנסים-מתפצלים.

בחירת הפיה נקבעת בדרך כלל באמצעות בדיקות המבוססות על החומר ועובי חומר העבודה, ועל לחץ גז העזר. חיתוך בלייזר בדרך כלל משתמש בפיות קואקסיאליות (כאשר זרימת הגז קואקסיאלית עם הציר האופטי). אם זרימת הגז ואלומת הלייזר אינם קואקסיאלים, סביר להניח שתתרחש התזה מוגזמת במהלך החיתוך. הדופן הפנימית של פתח הפיה צריכה להיות חלקה כדי להבטיח זרימת גז ללא הפרעה ולמנוע מערבולת שעלולה להשפיע על איכות החיתוך. כדי להבטיח יציבות חיתוך, יש למזער את המרחק בין פני קצה הפיה לפני השטח של חומר העבודה, בדרך כלל בטווח של 0.5 מ"מ עד 2.0 מ"מ. קוטר פתח הפיה חייב לאפשר לקרן הלייזר לעבור בצורה חלקה, ולמנוע מהקרן לגעת בדופן הפנימית של הפתח. ככל שקוטר הפתח קטן יותר, כך קשה יותר לכוון את הקרן. עבור לחץ גז עזר נתון, קיים טווח אופטימלי של קוטרי פתחי פיה. פתח קטן או גדול מדי יפריע להוצאת מוצרים מותכים מהחיתוך וישפיע על מהירות החיתוך.

השפעת קוטר פתח הזרבובית על מהירות החיתוך תחת עוצמת לייזר קבועה ולחץ גז עזר מוצגת באיורים 4.12 ו-4.13. ניתן לראות כי קיים קוטר פתח זרבובית אופטימלי המשיג את מהירות החיתוך המקסימלית. ערך אופטימלי זה הוא כ-1.5 מ"מ ללא קשר לשאלה האם משתמשים בחמצן או בארגון כגז עזר.

בדיקות חיתוך לייזר של סגסוגות קשות (שקשה לחתוך) מראות שקוטר פתח הזרבובית האופטימלי קרוב מאוד לתוצאות הנ"ל, כפי שמודגם באיור 4.14. קוטר פתח הזרבובית משפיע גם על רוחב החריץ ורוחב האזור המושפע מחום (HAZ). כפי שמוצג באיור 4.15, עם הגדלת קוטר פתח הזרבובית, רוחב החריץ גדל בעוד שרוחב ה-HAZ מצטמצם. הסיבה העיקרית להיצרות ה-HAZ היא אפקט הקירור המוגבר של זרימת גז העזר על חומר הבסיס באזור החיתוך.

2.3 פרמטרים של ציוד חיתוך לייזר

2.3.1 ציוד חיתוך מונע על ידי מבער

בציוד חיתוך המונע על ידי מבער, מבער החיתוך מורכב על גשר נייד ונע אופקית לאורך קרן הגשר (ציר Y). הגשר מניע את המבער לנוע לאורך ציר X, בעוד שחומר העבודה קבוע על שולחן העבודה. מכיוון שהלייזר מבער החיתוך מסודרים בנפרד, מאפייני העברת הלייזר, המקבילות לאורך כיוון סריקת הקרן ויציבות המראות המחזירות אור מושפעים במהלך תהליך החיתוך.

ציוד חיתוך מונע על ידי מבער יכול לעבד חומרי עבודה גדולים. הוא תופס שטח רצפה קטן יחסית עבור אזור ייצור החיתוך וניתן לשלב אותו בקלות עם ציוד אחר ליצירת קו ייצור. עם זאת, דיוק המיקום שלו הוא ±0.04 מ"מ בלבד.

המבנה הטיפוסי של ציוד חיתוך מונע על ידי מבער מוצג באיור 4.19. נעשה שימוש במכונת חיתוך לייזר CO₂ בגל רציף, כאשר המרחק בין הלייזר למבער החיתוך הוא 18 מטר. כדי להבטיח שהשינוי בקוטר הקרן לאורך מרחק העברה זה לא יפריע לפעולות החיתוך, יש לתכנן בקפידה את שילוב מראות המתנד.

הפרמטרים הטכניים העיקריים של ציוד חיתוך מונע על ידי לפיד הם כדלקמן:

הספק פלט לייזר: 1.5 קילוואט (מצב יחיד), 3 קילוואט (מצב רב)
מהלך לפיד: ציר X 6.2 מטר, ציר Y 2.6 מטר
מהירות נהיגה: 0–10 מטר/דקה (ניתן להתאמה)
מהלך צף של ציר Z של המבער: 150 מ"מ
מהירות כוונון ציר Z של המבער: 300 מ"מ/דקה
גודל מקסימלי של לוח פלדה מעובד: 12 מ"מ × 2400 מ"מ × 6000 מ"מ
מערכת בקרה: מצב בקרת NC משולב

2.3.2 ציוד חיתוך מונע על ידי שולחן XY

בציוד חיתוך המונע על ידי שולחן XY, מבער החיתוך קבוע על המסגרת, וחומר העבודה מונח על שולחן החיתוך. שולחן החיתוך נע לאורך צירי X ו-Y בהתאם לפקודות NC, עם מהירות נהיגה מתכווננת הנעה בדרך כלל בין 0-1 מטר/דקה או 0-5 מטר/דקה. מכיוון שמבער החיתוך נשאר נייח יחסית לחומר העבודה, הוא ממזער את ההשפעה על יישור ומרכוז קרן הלייזר במהלך תהליך החיתוך, ומבטיח ביצועי חיתוך אחידים ויציבים. כאשר המכונה מצוידת בשולחן חיתוך קטן בעל דיוק מכני גבוה, היא משיגה דיוק מיקום של ±0.01 מ"מ ו...דיוק חיתוך מעולהמה שהופך אותו מתאים במיוחד לחיתוך מדויק של רכיבים קטנים. בנוסף, זמינים שולחנות חיתוך גדולים יותר עם מהלך ציר X של 2300-2400 מ"מ ומהלך ציר Y של 1200-1300 מ"מ לעיבוד חלקי עבודה גדולים.

הפרמטרים הטכניים העיקריים של ציוד חיתוך מונע שולחן XY הם כדלקמן:

מקור לייזר: לייזר גז CO₂ (סוג צינור ישר חצי סגור)
ספק כוח לייזר: מתח כניסה 200 וולט AC; מתח יציאה 0–30 קילו-וולט; זרם יציאה מרבי 100 מיליאמפר
עוצמת פלט לייזר: 550 וואט
מהלך שולחן חיתוך: ציר X 2300 מ"מ, ציר Y 1300 מ"מ
מהירות הנעה של שולחן חיתוך (ניתנת להתאמה בשלבים): 0.4–5.0 מטר/דקה, 0.2–2.5 מטר/דקה, 0.1–1.3 מטר/דקה, 0.05–0.6 מטר/דקה
מהלך צף של ציר Z של המבער: 180 מ"מ
גודל מקסימלי של לוח מעובד: 6 מ"מ × 1300 מ"מ × 2300 מ"מ
מערכת בקרה: מצב בקרה נומרית (NC)

2.3.3 ציוד חיתוך בעל הנעה כפולה (מבער ושולחן)

ציוד החיתוך בעל ההנעה הכפולה (מבער ושולחן) נופל בתכנון בין מכונות חיתוך המונעות על ידי מבער לבין מכונות חיתוך המונעות על ידי שולחן XY. מבער החיתוך מורכב על גשר ונע אופקית לאורך קורת הגשר (ציר Y), בעוד ששולחן החיתוך מונע לאורכו. עיצוב היברידי זה משלב את היתרונות של דיוק חיתוך גבוה ויעילות חיסכון במקום. עם דיוק מיקום של ±0.01 מ"מ וטווח מהירות חיתוך מתכוונן של 0-20 מטר/דקה, זוהי אחת ממכונות החיתוך הנפוצות ביותר בשוק. דגמים גדולים יותר של מכונה זו מציעים מהלך ציר Y של 2000 מ"מ ומהלך ציר X של 6000 מ"מ, המאפשרים חיתוך של חלקי עבודה גדולים.

מתנד הלייזר מותקן על הגנטרי לצד מבער החיתוך. תצורה זו מספקת דיוק יוצא דופן בעת חיתוך חורים עגולים. המכונה מתגאה גם ביעילות ייצור גבוהה: היא יכולה לחתוך 46 חורים עגולים (בקוטר 10 מ"מ) לדקה על לוח פלדה בעובי 1 מ"מ.

2.3.4 ציוד חיתוך משולב

במכונת חיתוך משולבת, מקור הלייזר מותקן על המסגרת ונע איתה לאורכה, בעוד שמבער החיתוך משולב במנגנון ההנעה שלו כדי לנוע אופקית לאורך קרן המסגרת. המכונה משתמשת בבקרה מספרית כדי לחתוך רכיבים בצורות שונות. כדי לפצות על שינוי אורך הנתיב האופטי הנגרם על ידי התנועה האופקית של מבער החיתוך, בדרך כלל מצויד במודול כוונון אורך הנתיב האופטי. מודול זה מבטיח קרן לייזר הומוגנית בתוך אזור החיתוך ושומר על איכות משטח חיתוך עקבית.

זמן פרסום: 17 בדצמבר 2025