Как работи машината за рязане с влакнест лазер?

Генериране на лазерен лъч и оптично-волокнено усилване

Как влакнестият лазер генерира и насочва лазерния лъч

Фибер лазерните резачи работят, като използват специални помпи-лазери, които преобразуват електричеството в интензивни лъчи светлина. Тази светлина преминава през оптичен влак, легиран с редкоземни материали, най-често итербий. Когато частиците на светлината (фотони) се срещнат с възбудени електрони в ядрената зона на влака, се случва нещо интересно. Взаимодействието причинява така нареченото стимулирано излъчване, при което всеки фотон поражда още фотони в верижна реакция. Този процес прави светлината много по-силна, понякога над 1000 пъти по-ярка, като при това запазва лъча фокусиран и когерентен през цялото време. Резултатът е мощен режещ инструмент, който запазва прецизността си дори при тези екстремни интензитети.

Лазерни диоди за накачване и генериране на светлина

Съвременните системи комбинират изхода от 11–20 помпени диода в единичен влаконен канал, за да се постигнат индустриални нива на мощност от 1–10 kW. Тези диодни масиви достигат ефективност при включване към мрежата от 45–50%, повече от три пъти повече в сравнение с CO лазерите (laser-welder.net), което ги прави високо енергийно ефективни за непрекъсната работа.

Структура на оптичното влакно: Ядро и заобикалящ слой

Двуслоевата конструкция на влакното осигурява ефективна светлинна предавателност:

• Ядро (диаметър 8–50 µm): Премества усилваната лазерна светлина
• Облицовка: Обгражда ядрото и отразява разпръснатите фотони чрез пълно вътрешно отражение
  Тази конфигурация минимизира загубата на сигнал до по-малко от 0,1 dB/km, позволявайки стабилна предавателност на лъча на разстояния над 100 метра.

Фиброоптични решетки на Брег за усилване на лъча

Подобни на огледала фотонни решетки на Брег записани в двата края на легирания фибр, формират оптична резонансна кухина, която:

1. Избира тесен спектрален диапазон (1,070 nm ±3 nm)
2. Увеличава плътността на мощността до 10–10 W/cm²
3. Ограничава разходимостта на лъча под 0,5 mrad

Това прецизно усилване позволява на фибер лазерите да пробият 30 мм неръждаема стомана за по-малко от две секунди с точност ±0,05 mm.

Основни компоненти на машина за рязане с фибер лазер

Съвременните машини за рязане с фибер лазер интегрират четири ключови подсистеми, за да осигурят прецизност на ниво микрони при обработката на метали:

Източник на фибер лазер и блок за генериране на лъч

Основният компонент на тази система се основава на влакно, легирано с редкоземни елементи, обикновено съдържащо или итербий, или ербий. При стимулиране тези влакна произвеждат когерентен лазерен лъч, работещ в диапазона на дължината на вълната от приблизително 1060 до 1070 нанометра. Това, което я отличава от конвенционалните газови лазери, е начинът на работа. Вместо да разчита на габаритни газови камери, твърдотелният дизайн изпраща светлина чрез гъвкави оптични влакна. Това не само позволява значително по-малки инсталации, но осигурява и около 30 процента по-добра енергийна ефективност в сравнение с по-старите системи с CO2 лазери, които съществуват от десетилетия.

Лазерна режеща глава, фокусиращи лещи и дюза

Режещата глава има тези специални лещи, изработени от много чист фузирани кварц, които фокусират лазерния лъч до размер, по-малък от 0,1 мм. Съществува и коаксиална дюза, която издухва помощни газове като азот (който трябва да е доста чист, около 99,95%) при налягане между 15 и 20 бара. Това помага за изтласкване на разтопения материал, като в същото време се предотвратява контактът на кислород с мястото на рязане, осигурявайки онези чисти ръбове, които всички искат. Операторите установяват, че тази конфигурация работи най-добре, когато налягането на газа се настройва според вида на обработвания материал.

Ролята на CNC системите в прецизния контрол и автоматизацията

Системите с ЧПУ по същество вземат тези CAD проекти и ги превръщат в реални траектории на движение, осигурявайки повтаряемост в рамките на около 0,03 мм. Контролерите в тези напреднали машини постоянно коригират параметри като мощността на лазера, която може да варира от 500 вата до 30 киловата, регулират скоростта на движение на рязещата глава (понякога до 200 метра в минута) и контролират налягането на газа по време на сложните петоси движения. Това позволява създаването на много сложни форми с минимално ръчно намесване. Впечатляващото е, че въпреки работата с големи листове материал, тези системи все пак успяват да запазят равнинността на повърхността в допуск от само 0,05 мм на квадратен метър. Такава последователност прави голяма разлика при производството на висококачествени части.

Системи за охлаждане и стабилност на машинната рама

Точността изисква топлинна стабилност: водните охладители поддържат лазерните диоди в диапазона 25°C±2°C, предотвратявайки промяна на производителността по време на продължителна работа. Рамата на машината, често изградена с гранитни основи и линейни насочващи, потиска вибрациите под 5 µm, осигурявайки последователни рязания при скорости над 1 500 mm/s.

Компонент	Функция	Метрика за представяне
Лазерен Източник	Генерира силно интензивен лъч	98% ефективност при включване към мрежата
Резачна глава	Фокусира лъча и управлява газовия поток	диаметър на фокусното петно 0,08 mm
Контролер за CNC	Изпълнява шаблони за рязане	точност на въртене 0,01°
Топлинен стабилизатор	Поддържа работни температури	допуск ±0,5°C

Тази интегрирана архитектура осигурява точно изпаряване на метали с дебелина до 40 мм, като поддържа точност на позициониране 0,1 мм/м в обширни работни зони с размери 3×2 метра.

Механизъм на топене и изпарение в металообработката

Фибер лазерите произвеждат инфрачервена светлина с дължина на вълната около 1,070 nm, която предава много топлина на всеки материал, върху който работят. Когато тази светлина достигне метал, тя се абсорбира от електроните в структурата на метала, причинявайки рязко повишаване на температурата, далеч над това, което повечето видове стомана могат да поемат (обикновено между 1 400 и 1 650 градуса по Целзий). Бързото увеличение на температурата води до ефекти на разтопяване и изпарение, които прорязват материала, образувайки това, което наричаме рез (керф). За по-тънки листове с дебелина под около 6 милиметра процесът работи в режим, известен като "ключалка", при който лазерният лъч минава директно през материала и буквално го превръща в пара веднага. При по-дебели материали обаче производителите обикновено преминават към различен подход, известен като разтопяване-и-издухване. Този метод използва непрекъснато вълново действие, за да контролира количеството премахнат материал по време на рязането.

Роля на помощните газове: кислород, азот и компресиран въздух

Помощните газове подобряват качеството и скоростта на рязане чрез три основни функции: изхвърляне на разтопен материал, охлаждане на зоната, засегната от топлина (HAZ), и контролиране на окислението.

Вид газ	Влияние върху процеса на рязане	Най-добър за
Кислород	Екзотермичната реакция добавя топлина, увеличавайки скоростта до 30%	Мека стомана >3 мм
Азот	Инертно защитно газово обграждане предотвратява окисляването, осигурявайки ръбове без заравни	Нержавееща оцел, Алуминий
Сжат въздух	Икономически вариант за некритични приложения	Тънки листови метали (<2 мм)

Както се посочва в анализa на The Fabricator за 2024 г., налягането на газа (1–20 бара) значително влияе на качеството на рязане — по-високите налягания подобряват изхвърлянето на шлака, но могат да предизвикат турбуленция. Съвременните системи използват CNC-регулирани пропорционални клапани за поддържане на стабилност на налягането ±2% за оптимални резултати.

Функция на дюзата и динамика на газовата струя при чисто рязане

Коничната дюза (диаметър 0,8–3,0 мм) формира помощния газ в свръхзвукова струя (Мах 1,2–2,4), която ефективно отстранява разтопения метал от процепа. Ключови фактори включват:

• Разстояние до детайла : Зазор между 0,5 и 1,5 мм предпазва дюзата, като осигурява ефективно газово покритие
• Конструкция на газова леща : Намалява турбулентността на потока с 62% в сравнение със стандартните дюзи
• Коаксиално подравняване : Изисква подравняване <0,05 мм между лъча и газовия поток

Оптимизирани конструкции на дюзи увеличават скоростите на рязане с 18% и намаляват консумацията на газ с 22% чрез подобрена ламинарна течност. Интегрирани пьезоелектрични сензори откриват запушвания в рамките на 50 мс, предотвратявайки приблизително 93% от свързаните дефекти.

Фокусиране на лъча, прецизен контрол и гарантиране на качеството

Фокусиране на лазерния лъч чрез колимиращи и фокусиращи лещи

Колимационните лещи работят, като поемат разпръснатите светлинни лъчи и ги подреждат в нещо близко до успоредни, преди да достигнат целта. Високоточната оптика от фузирани кварцови стъкла след това фокусира този подравнен лъч до много малък диаметър на петното между 0,1 и 0,3 мм. Проучвания от InTechOpen сочат, че когато става дума за метрики за качеството на лъча като BPP (Beam Parameter Product), всяка стойност под 2 mm·mrad има истинско значение за точността на рязане. Резултатът? Рязането на неръждаема стомана може да бъде около 30% по-тясно в сравнение с възможното при традиционни CO₂ лазерни системи. Това има голямо значение в производството, където всеки милиметров дял има значение.

Подравняване на дюзата и оптимизация на фокусната точка

Поддържането на разстояние на зазоряване от ±0,05 мм между върха на соплото и фокусната равнина осигурява ефективно изхвърляне на разтопения материал без намеса на лъча. Капацитивни датчици за височина осигуряват автоматична калибровка в реално време по време на процеса на рязане. Отклонения над 0,1 мм могат да увеличат образуването на шлака с 60% при обработка на алуминий, според пробите от заваряване през 2023 г.

Мониторинг в реално време и адаптивен контрол чрез CNC системи

Съвременните CNC системи събират около 1000 данни на секунда по време на работа. Тези измервания обхващат всичко – от моделите на поведението на газовете до влиянието на топлината върху лещите и точното местоположение на машината във всеки един момент. Въз основа на тази информация системата може да коригира настройките на лазерната мощност между 1 и 20 киловата и да регулира скоростите на придвижване в диапазон от 0,1 метра в минута до 40 метра в минута за милисекунди. Резултатът? Последователно точни рязания с допуски в рамките на плюс или минус 0,1 милиметра, дори при работа със сложни форми и детайлизирани дизайни. Вземете като пример модулацията с променлива честота на импулса. Когато се прилага за рязане на ламарини от латун с дебелина 5 мм, тази техника успява да намали зоната, засегната от топлина, почти наполовина в сравнение с традиционните методи, което я превръща в истинска революция за прецизната работа.

Интегриране на изкуствен интелект за предиктивна настройка на параметри и контрол на качеството

Модели за машинно обучение, обучени на повече от 10 000 профила на рязане, сега предсказват оптимални настройки за нови материали с точност от 92%. Системи за визуален контрол с висока резолюция (5-μm резолюция), комбинирани със спектрален анализ, идентифицират микронедостатъци с 50% по-бързо в сравнение с ръчна инспекция, намалявайки разходите от скрап с 18% в автомобилното производство (Доклад за прецизно обработване 2024).

Съвместимост с материали и промишлени приложения

Метали, подходящи за рязане с влакнест лазер: неръждаема стомана, алуминий, месинг

Фибер лазерите, работещи на около 1 микрометър, се справят отлично с бляскави метали като неръждаема стомана, алуминий и месинг. Наскорошни изследвания през 2024 г. показаха, че тези лазерни системи могат да режат неръждаеми стоманени плочи с дебелина до 3 сантиметра, като запазват размерната точност в рамките на около една десета от милиметър. Тази прецизност ги прави отличен избор за производството на конструкционни части, необходими в сгради и превозни средства. Когато става въпрос за алуминиеви сплави, често срещани в каросерийни панели на автомобили, фибер лазерите обработват материала с около 20 до 25 процента по-бързо в сравнение с традиционните CO2 лазери. Това предимство в скоростта помага за намаляване на проблемите с топлинни повреди при работа с по-тънки метални листове, което е важно за поддържане на високо качество в автомобилното производство.

Кейс Стъди: Високоточна рязка в автомобилното производство

Производителите на автомобили използват влакнесто-лазерни резачки за изработване на шасийни части с точност от 0,05 мм. Доклад от 2023 г. сочи, че тази технология намалява отпадъците от материали с 18% при оформянето на врати от високоякостна стомана. Освен това адаптивното регулиране на мощността по време на контурно рязане осигурява първоначален добив от 98% при производството на спирачни компоненти.

Бъдещи тенденции: Приложения в производството за авиационна и медицинска техника

Авиокосмическата индустрия отбелязва ръст, тъй като влакнестите лазери се използват за обработка на алуминиеви листове за спътници. В същото време в производството на медицински устройства тези лазери могат да режат титанови импланти с изключителна точност до около 50 микрона. Много инженери вече разчитат на влакнести лазери при изработването на миниатюрни елементи върху хирургически инструменти от неръждаема стомана. Повърхностното им качество често е под 0,8 микрона средна грапавост, без да се налага допълнително полиране след това. При всички тези предимства не е изненада, че рязането с влакнест лазер е станало толкова важно за развитието както на напреднали технологии за чиста енергия, така и на медицински устройства, които действително работят добре в човешкото тяло.

ЧЗВ

Какво е основното предимство на използването на влакнести лазери в сравнение с традиционните CO2 лазери?

Основното предимство на влакнестите лазери е тяхната енергийна ефективност, която е около 30% по-добра в сравнение с CO2 лазерни системи. Те освен това позволяват по-малки инсталации и предлагат прецизни възможности за рязане.

Как фибровите лазери постигат висока точност при рязане?

Фибровите лазери постигат висока точност при рязане чрез стимулирана емисия, фокусиращи лещи и CNC системи, които контролират лазерната мощност, скоростта и налягането на газа. Тази точност се запазва дори при високи интензитети.

Кои метали са подходящи за рязане с фибров лазер?

Фибровите лазери работят добре с бляскави метали като неръждаема стомана, алуминий и месинг, което ги прави идеални за структурни части в индустрии като автомобилна и аерокосмическа.

Как помощните газове подобряват лазерното рязане?

Помощни газове като кислород, азот и компресиран въздух помагат за изхвърляне на разтопения материал, охлаждане на зоната с топлинно въздействие и контролиране на оксидацията, което подобрява качеството и скоростта на рязане.