חיתוך בלייזר ומערכת העיבוד שלו

חיתוך לייזרבַּקָשָׁה

לייזרי CO2 בעלי זרימה צירית מהירה משמשים בעיקר לחיתוך לייזר של חומרי מתכת, בעיקר בגלל איכות הקרן הטובה שלהם. למרות שההחזרה של רוב המתכות לקרני לייזר CO2 גבוהה למדי, ההחזרה של פני המתכת בטמפרטורת החדר עולה עם עליית הטמפרטורה ומידת החמצון. לאחר שפני המתכת ניזוק, ההחזרה של המתכת קרובה ל-1. עבור חיתוך לייזר מתכת, נדרשת הספק ממוצע גבוה יותר, ורק לייזרי CO2 בעלי הספק גבוה עומדים בתנאי זה.

1. חיתוך לייזר של חומרי פלדה

1.1 חיתוך לייזר רציף CO2 פרמטרי התהליך העיקריים של חיתוך לייזר רציף CO2 כוללים עוצמת לייזר, סוג ולחץ גז עזר, מהירות חיתוך, מיקום מוקד, עומק מוקד וגובה הזרבובית.

(1) עוצמת לייזר לעוצמת הלייזר יש השפעה רבה על עובי החיתוך, מהירות החיתוך ורוחב החתך. כאשר פרמטרים אחרים קבועים, מהירות החיתוך יורדת עם עלייה בעובי לוח החיתוך ועולה עם עלייה בעוצמת הלייזר. במילים אחרות, ככל שעוצמת הלייזר גדולה יותר, כך הלוח שניתן לחתוך עבה יותר, כך מהירות החיתוך גבוהה יותר, ורוחב החתך גדול מעט יותר.

(2) סוג ולחץ של גז עזר בעת חיתוך פלדה דלת פחמן, CO2 משמש כגז עזר כדי לנצל את חום תגובת הבעירה של ברזל-חמצן כדי לקדם את תהליך החיתוך. מהירות החיתוך גבוהה ואיכות החיתוך טובה, במיוחד ניתן להשיג חיתוך ללא סיגים דביקים. בעת חיתוך פלדת אל-חלד, נעשה שימוש ב-CO2. סיגים נדבקים בקלות לחלק התחתון של החתך. לעתים קרובות משתמשים בגז מעורב של CO2 + N2 או בזרימת גז דו-שכבתית. ללחץ של גז העזר יש השפעה משמעותית על אפקט החיתוך. הגברה מתאימה של לחץ הגז יכולה להגדיל את מהירות החיתוך ללא סיגים דביקים עקב עלייה בתנופת זרימת הגז ושיפור קיבולת הסרת הסיגים. עם זאת, אם הלחץ גבוה מדי, משטח החיתוך הופך מחוספס. השפעת לחץ החמצן על החספוס הממוצע של משטח החיתוך מוצגת באיור שלהלן.

לחץ הגוף תלוי גם בעובי הפלטה. בעת חיתוך פלדה דלת פחמן עם לייזר CO2 של 1 קילוואט, הקשר בין לחץ החמצן לעובי הפלטה מוצג באיור למטה.

(3) מהירות חיתוך למהירות החיתוך יש השפעה משמעותית על איכות החיתוך. בתנאים מסוימים של עוצמת לייזר, קיימים ערכים קריטיים עליונים ותחתונים תואמים למהירות חיתוך טובה בעת חיתוך פלדה דלת פחמן. אם מהירות החיתוך גבוהה או נמוכה מהערך הקריטי, תתרחש הידבקות סיגים. כאשר מהירות החיתוך איטית, זמן הפעולה של חום תגובת החמצון על קצה החיתוך מתארך, רוחב החיתוך גדל ומשטח החיתוך הופך מחוספס. ככל שמהירות החיתוך עולה, החתך הופך בהדרגה צר יותר עד שרוחב החתך העליון שווה ערך לקוטר הנקודה. בשלב זה, החתך מעט בצורת טריז, רחב בחלקו העליון וצר בחלקו התחתון. ככל שמהירות החיתוך ממשיכה לעלות, רוחב החתך העליון ממשיך להיות קטן יותר, אך החלק התחתון של החתך מתרחב יחסית והופך לצורת טריז הפוכה.

(5) עומק מיקוד

לעומק המיקוד יש השפעה מסוימת על איכות משטח החיתוך ועל מהירות החיתוך. בעת חיתוך לוחות פלדה גדולים יחסית, יש להשתמש בקרן בעלת עומק מיקוד גדול; בעת חיתוך לוחות דקים, יש להשתמש בקרן בעלת עומק מיקוד קטן.

(6) גובה הזרבובית

גובה הזרבובית מתייחס למרחק מקצה זרבובית הגז העזר למשטח העליון של חומר העבודה. גובה הזרבובית גדול, ותנודת זרימת האוויר העזר הנפלטת קלה לתנודות, מה שמשפיע על איכות החיתוך ומהירותו. לכן, בעת חיתוך לייזר, גובה הזרבובית בדרך כלל ממוזער, בדרך כלל 0.5~2.0 מ"מ.

① היבטי לייזר

א. הגדלת עוצמת הלייזר. פיתוח לייזרים חזקים יותר היא דרך ישירה ויעילה להגדלת עובי החיתוך.

ב. עיבוד פולסים. ללייזרים פולסים יש עוצמת שיא גבוהה מאוד והם יכולים לחדור דרך לוחות פלדה עבים. יישום טכנולוגיית חיתוך לייזר פולסים בתדר גבוה וברוחב פולסים צר יכול לחתוך לוחות פלדה עבים מבלי להגדיל את עוצמת הלייזר, וגודל החתך קטן יותר מזה של חיתוך לייזר רציף.

ג. השתמשו בלייזרים חדשים

②מערכת אופטית

א. מערכת אופטית אדפטיבית. ההבדל מחיתוך לייזר מסורתי הוא שאין צורך למקם את המיקוד מתחת למשטח החיתוך. כאשר מיקום המיקוד משתנה למעלה ולמטה בכמה מילימטרים לאורך כיוון העובי של לוח הפלדה, אורך המוקד במערכת האופטית האדפטיבית ישתנה עם הזזת מיקום המיקוד. השינויים למעלה ולמטה באורך המוקד חופפים לתנועה היחסית בין הלייזר לחומר העבודה, מה שגורם למיקום המיקוד להשתנות למעלה ולמטה לאורך עומק חומר העבודה. תהליך חיתוך זה שבו מיקום המיקוד משתנה בהתאם לתנאים חיצוניים יכול לייצר חיתוכים באיכות גבוהה. החיסרון של שיטה זו הוא שעומק החיתוך מוגבל, בדרך כלל לא יותר מ-30 מ"מ.

ב. טכנולוגיית חיתוך דו-מוקדית. עדשה מיוחדת משמשת למיקוד הקרן פעמיים בחלקים שונים. כפי שמוצג באיור 4.58, D הוא קוטר החלק המרכזי של העדשה וקוטר החלק הקצה של העדשה. רדיוס העקמומיות במרכז העדשה גדול מהשטח שמסביב, ויוצר מיקוד כפול. במהלך תהליך החיתוך, המיקוד העליון ממוקם על המשטח העליון של חומר העבודה, והמיקוד התחתון ממוקם ליד המשטח התחתון של חומר העבודה. לטכנולוגיית חיתוך לייזר דו-מוקדית מיוחדת זו יתרונות רבים. לחיתוך פלדה רכה, ניתן לא רק לשמור על קרן לייזר בעוצמה גבוהה על המשטח העליון של המתכת כדי לעמוד בתנאים הנדרשים להצתת החומר, אלא גם לשמור על קרן לייזר בעוצמה גבוהה ליד המשטח התחתון של המתכת כדי לעמוד בדרישות ההצתה. הצורך לייצר חיתוכים נקיים על פני כל טווח עובי החומר. טכנולוגיה זו מרחיבה את טווח הפרמטרים להשגת חיתוכים באיכות גבוהה. לדוגמה, שימוש ב-CO2 של 3kW. בלייזר, עובי החיתוך הקונבנציונלי יכול להגיע רק ל-15~20 מ"מ, בעוד שעובי החיתוך בטכנולוגיית חיתוך כפול-מיקוד יכול להגיע ל-30~40 מ"מ.

③זרבובית וזרימת אוויר עזר

יש לתכנן את הזרבובית באופן סביר כדי לשפר את מאפייני שדה זרימת האוויר. קוטר הדופן הפנימית של הזרבובית העל-קולית מתכווץ תחילה ואז מתרחב, מה שיכול ליצור זרימת אוויר על-קולית ביציאה. לחץ אספקת האוויר יכול להיות גבוה מאוד מבלי ליצור גלי הלם. בעת שימוש בזרבובית על-קולית לחיתוך לייזר, איכות החיתוך גם היא אידיאלית. מכיוון שלחץ החיתוך של הזרבובית העל-קולית על פני חומר העבודה יציב יחסית, הוא מתאים במיוחד לחיתוך לייזר של לוחות פלדה עבים.