Талшықты лазерлі кесу машинасы қалай жұмыс істейді?

Лазерлік сәулелерді шығару және талшықты оптикалық күшейту

Талшықты лазер қалай лазерлік сәулесін шығарады және бағыттайды

Талшықты лазерлі кескіштер электрді жарықтың қатты шоғына айналдыру үшін арнайы сорғы лазерлерін пайдаланады. Бұл жарық көбінесе иттербиймен легирленген оптикалық талшық арқылы өтеді. Жарық бөлшектері (фотондар) талшықтың негізгі аймағындағы қозған электрондармен кездескенде қызықты құбылыс болады. Бұл әрекеттесу фотондардың әрқайсысы тізбекті реакцияда тағы бірнеше фотондарды туғызатын стимулданған шығаруды тудырады. Бұл процесс жарықты одан әрі күшейтеді, кейде 1000 еседен де көп жарықтыра түседі, бірақ шоқ барлық уақытта да бағытталған және когерентті күйін сақтайды. Нәтижесінде осындай экстремалды интенсивтілікте де дәлдікті сақтайтын қуатты кесу құралы алынады.

Сорғы лазерлі диодтар мен жарық шығару

Қазіргі заманғы жүйелер 11–20 сорғы диодының шығысын біріктіреді 1–10 кВт шамасындағы өнеркәсіптік қуат деңгейлеріне жету үшін бір талшықты каналға біріктіріледі. Бұл диодтық массивтер CO лазерлерінің (laser-welder.net) қуат пайдалану үлесінен үш ес асады, яғни 45–50% қуат пайдалану үлесіне ие болып, үздіксіз жұмыс істеу үшін өте энергияны үнемдеуге мүмкіндік береді.

Оптикалық талшық құрылымы: Негіз және қаптама

Екі қабатты талшық конструкциясы жарықты тиімді тасымалдауға мүмкіндік береді:

• Негіз (8–50 мкм диаметрі): Күшейтілген лазер сәулесін тасымалдайды
• Қорғау панелі: Негізді қоршап тұрады және шашыраған фотондарды толық ішкі шағылдыру арқылы шағылдырады
  Бұл конфигурация сигнал жоғалтуын 0,1 дБ/км-ден кем болатындай етіп азайтады және 100 метрден астам қашықтықта тұрақты сәуле беруді қамтамасыз етеді.

Сәулені күшейту үшін талшықтық Брэгг торлары

Айна сияқты талшықты Брегг торлары легирленген талшықтың әрбір шетіне жазылған оптикалық резонанстық қуыс мынаны істейді:

1. Тар толқын ұзындығы диапазонын (1,070 нм ±3 нм) таңдайды
2. Қуаттың тығыздығын 10–10 Вт/см² дейін арттырады
3. Сәуленің жанасу бұрышын 0,5 мрад-тан кем болуына шектеу қояды

Дәл осы нақты күшейту талшықты лазерлердің ±0,05 мм дәлдікпен екі секундтан кем уақытта 30 мм болатты тесіп өтуіне мүмкіндік береді.

Талшықты лазерлі кесу машинасының негізгі компоненттері

Қазіргі заманғы талшықты лазерлі кесу машиналары металдарды өңдеуде микрон деңгейіндегі дәлдікті қамтамасыз ету үшін төрт негізгі ішкі жүйені біріктіреді:

Талшықты лазерлік көзі мен сәуле генерациялау құрылғысы

Бұл жүйенің негізгі компоненті, әдетте иттербий немесе эрбий материалдарын қамтитын, сирек жер элементімен легирленген талшыққа негізделеді. Оның белсендіруі арқасында толқын ұзындығы шамамен 1060-1070 нанометр аралығында жұмыс істейтін когерентті лазер сәулесі пайда болады. Бұл дәстүрлі газ лазерлерінен ерекшелігі оның жұмыс істеу принципінде. Көлемді газ камераларына сүйенуіне қарамастан, қатты денелі конструкция жарықты икемді оптикалық талшық кабельдері арқылы жібереді. Бұл тек қана қондырғылардың кішірек болуын ғана емес, сонымен қатар ондаған жылдар бойы қолданылып келе жатқан көне CO2 лазерлік жүйелерімен салыстырғанда шамамен 30 пайызға жоғары энергиялық тиімділікті қамтамасыз етеді.

Лазерлік кесу басы, фокустау линзалары және сақина жүйесі

Кесу басында лазер сәулесін 0,1 мм-ден кішігірім өлшемге дейін фокустайтын өте таза балқытылған кремнеземнен жасалған арнайы линзалар бар. Сонымен қатар, 15 пен 20 бар аралығындағы қысымда азот сияқты (99,95%-ға жуық таза болуы керек) көмекші газдарды үсті-үстіне үрлейтін коаксиалдық шашыратқыш жүйесі бар. Бұл балқыған материалдарды сыртқа шығаруға және кесу аймағына оттегінің түсуін болдырмауға көмектеседі, сондықтан барлық адамдардың қалаған таза жиектері пайда болады. Операторлар шынымен де осы жүйенің газ қысымын қолданылатын материал түріне байланысты реттегенде ең жақсы нәтиже беретінін байқаған.

CNC ЖҮЙЕЛЕРІНІҢ ДӘЛДІКТІ БАСҚАРУ МЕН АВТОМАТТАНДЫРУДАҒЫ РӨЛІ

CNC жүйелері негізінен осы CAD құрылымдарын алып, нақты қозғалыс траекторияларына айналдырады және шамамен 0,03 мм дәлдікте қайталануды қамтамасыз етеді. Осындай күрделі машиналардағы басқару құрылғылары лазерлік қуатты (ол 500 ватттан 30 киловаттқа дейінгі ауқымда болуы мүмкін), кесу басының қозғалу жылдамдығын (кейде минутына 200 метрге дейін) және күрделі бес осьті қозғалыс кезінде газ қысымын тұрақты түрде реттейді. Бұл қолмен көп кіріспеуді қажет етпей-ақ өте күрделі пішіндерді жасауға мүмкіндік береді. Ерекше сипаты — материалдың үлкен парақтарымен жұмыс істегеніне қарамастан, бұл жүйелер квадрат метріне 0,05 мм ауытқу шегінде бетін жазық ұстай алады. Жоғары сапалы бөлшектерді өндіру кезінде осындай тұрақтылық үлкен айырмашылық жасайды.

Суыту жүйелері мен станок рамасының тұрақтылығы

Дәлдік термиялық тұрақтылықты қажет етеді: сулы чиллерлер лазерлі диодтарды 25°C±2°C ішінде ұстайды және ұзақ жұмыс істеу кезінде өнімділіктің ауытқуын болдырмауға көмектеседі. Машина рамасы жиі гранит негізі мен сызықтық бағдарлаушылардан тұрады, бұл 1500 мм/с жылдамдықтан жоғарыда дәл кесуді қамтамасыз ете отырып, тербелістерді 5 мкм-ден төмен қысады.

Компонент	Функция	Өнімділік метрикасы
Лазер келесі дерекқоры	Жоғары интенсивті сәуле шығарады	қабырғаға қосылған қуаттың 98% пайдалы әсер коэффициенті
Жекеу басы	Сәулелі фокустайды және газ ағынын басқарады	фокустық дақ диаметрі 0,08 мм
CNC құралы	Кесу үлгілерін орындайды	0,01° бұрыштық дәлдік
Термиялық стабилизатор	Жұмыс температураларын сақтайды	±0,5°C дәлдік

Бұл интеграцияланған архитектура 3×2 метрлік кеңістіктегі жұмыс аймағында 0,1 мм/м дәлдікті сақтай отырып, 40 мм-ге дейінгі қалыңдықтағы металдарды дәл буландыруды қамтамасыз етеді.

Металдарды өңдеу кезіндегі балқу мен булану механизмі

Талшықты лазерлер өңделетін материалға көп жылу беретін 1,070 нм толқын ұзындығындағы инфрақызыл сәуле шығарады. Бұл сәуле металлға түскенде, металдың құрылымындағы электрондар оны сіңіреді, нәтижесінде температура көбінесе 1400-ден 1650 градус Цельсийге дейін көтеріледі, бұл көптеген болаттардың шыдай алатын температурасынан анағұрлым жоғары. Температураның тез өсуі материалды еріту мен будың пайда болуына әкеліп соғады, осылайша оны кеседі, біз керфті деп атайтын нәрсені қалыптастырады. Шамамен 6 мм-ден жұқа парақтар үшін процесс лазерлік сәуле тікелей өтіп, металды тез арада будың қалыптасуына дейін ыдырататын кілттік тесік режимінде жүреді. Алайда, қалың материалдар үшін өндірушілер кесу процесі кезінде қанша материал алынатынын басқаратын үздіксіз толқындық режимді қолданатын балқыту және үрлеу деп аталатын басқа тәсілге көшеді.

Көмекші газдардың рөлі: Оттек, Азот және Қысылған ауа

Көмекші газдар балқыған материалды шығару, жылу әсерінен өзгерген аймақты (HAZ) салқындату және тотығуды реттеу арқылы кесу сапасын және жылдамдығын арттырады.

Газ түрі	Кесу процесіне әсері	Ең жақсы
Оттегі	Экзотермиялық реакция жылу қосады, жылдамдықты 30%-ға дейін арттырады	3 мм-ден асатын жеңіл болат
Азот	Инертті қорғаныс тотығуды болдырмау арқылы түйіршіксіз шеттер береді	STAINLESS STEEL, алюминий
Сығылған ауа	Критикалық емес қолданбалар үшін экономикалық нұсқа	Жұқа парақты металдар (<2 мм)

The Fabricator журналының 2024 жылғы салалық талдауында айтылғандай, газ қысымы (1–20 бар) кесу сапасына үлкен әсер етеді — жоғары қысым шлакты шығаруды жақсартады, бірақ турбуленттілік пайда болуы мүмкін. Қазіргі заманғы орнатулар оптималды нәтижелер алу үшін ±2% қысым тұрақтылығын қамтамасыз ету үшін CNC-басқарылатын пропорционалды клапандарды қолданады.

Таза кесудегі шашқыш функциясы мен газ ұшының динамикасы

Конустық шашқыш (0,8–3,0 мм диаметрі) кесу арасынан балқыған металды тиімді шығару үшін көмекші газды супер дыбыстық ұшына (Мах 1,2–2,4) түрлендіреді. Негізгі факторларға мыналар жатады:

• Қашықтық : Нөсқауышты қорғайтын 0,5–1,5 мм саңылау газдың тиімді жабылуын қамтамасыз етеді
• Газдық линза конструкциясы : Стандартты нөсқауыштармен салыстырғанда ағын турбуленттілігін 62% азайтады
• Коаксиалды туралау : Сәуле мен газ ағыны арасында <0,05 мм туралауды талап етеді

Оптимизацияланған нөсқауыш конструкциялары ламинарлы ағынды жақсарту арқылы кесу жылдамдығын 18% арттырады және газдың тұтынуын 22% азайтады. Интеграцияланған пьезоэлектрлік датчиктер бөгелулерді 50 мс ішінде анықтайды және байланысты ақаулардың шамамен 93%-ын болдырмақшы болады.

Сәулені фокустау, дәл реттеу және сапаны қамтамасыз ету

Коллимациялық және фокустау линзаларын қолданып лазерлік сәулені фокустау

Коллимациялық линзалар шашыраңқы жарық сәулелерін алу арқылы оларды мақсатқа жеткізбес бұрын параллельге жуық бағыттауды қамтамасыз етеді. Жоғары дәлдіктегі балқытылған кварц оптикасы одан кейін бұл түзелген сәулеге 0,1-ден 0,3 мм-ге дейінгі өте кішкентай нүктеге фокусталады. InTechOpen зерттеулері сәуле сапасының BPP (сәуле параметрінің көбейтіндісі) сияқты метрикаларына келгенде, 2 мм·мрадтан төмен мән кесу дәлдігіне нақты әсер ететінін көрсетеді. Нәтижесінде, дәстүрлі CO₂ лазерлік жүйелерімен салыстырғанда болатты кесу 30% жуық тарылауы мүмкін. Өндірісте миллиметрдің әрбір үлесі маңызды болғандықтан, бұл өте маңызды.

Форсунка туралауы және фокустық нүктені оптимизациялау

Ұштың ұшы мен фокалдық жазықтық арасындағы ±0,05 мм-ге тең тартылыс қашықтығын сақтау сәулелердің кедергісіз тиімді балқытуын қамтамасыз етеді. Сыйымдылық биіктік сенсорлары кесу операциялары кезінде нақты уақыт режиміндегі автоматты түзетуді іске асырады. 2023 жылғы пісіру сынамаларына сәйкес, алюминий өңдеу кезінде 0,1 мм-ден асатын ауытқулар шаянның пайда болуын 60% арттыруы мүмкін.

CNC ЖҮЙЕЛЕРІ АРҚЫЛЫ НАҚТЫ УАҚЫТ РЕЖІМІНДЕ БАҚЫЛАУ ЖӘНЕ БЕЛСЕНДІ БАСҚАРУ

Қазіргі заманғы CNC жүйелері жұмыс істеу кезінде әрбір секунд сайын шамамен 1000 деректер нүктесін жинақтайды. Бұл көрсеткіштер газдың әрекет ету үлгілерінен бастап, линзаларға жылу әсерінің әсеріне дейін және станоктың нақты уақытта қай жерде орналасқанына дейінгі барлық нәрсені қамтиды. Барлық осы ақпарат негізінде жүйе миллисекунд ішінде 1-ден 20 киловаттқа дейінгі лазерлік қуат параметрлерін және минутына 0,1 метрден 40 метрге дейінгі жылдамдық диапазонын реттей алады. Нәтижесінде күрделі пішіндер мен нақты дизайндармен жұмыс істеген кезде де ±0,1 миллиметрге дейінгі дәлдікпен тұрақты дәл кесілулер алынады. Мысалы, айнымалы жиілікті импульсті модуляцияны қарастырайық. Бұл әдіс 5 мм қалыңдықтағы қола парақтарды кесу кезінде дәстүрлі әдістерге салыстырғанда жылу әсеріне ұшыраған аймақты жартысына жуық кемітеді, бұл дәлме-дәл жұмыс үшін ойын өзгертетін фактор болып табылады.

Болжауыш параметрлерді баптау мен сапаны тексеру үшін ЖИ интеграциясы

10 000-нан астам кесу профилі бойынша оқытылған машинадағы үйрену модельдері жаңа материалдар үшін 92% дәлдікпен идеалды параметрлерді болжайды. Жоғары сапалы көру жүйелері (5 мкм дәлдік) спектрлік талдаумен бірге микроскопиялық ақауларды қолмен тексеруге қарағанда 50% жылдамырақ анықтайды, бұл автомобиль өндірісінде қалдықтардың мөлшерін 18%-ға төмендетеді (2024 жылғы Дәлме-дәл механикалық өңдеу бойынша есеп).

Материалдардың үйлесімділігі және өнеркәсіптік қолданылуы

Талшықты лазермен кесуге сәйкес келетін металдар: Гильотининалды болат, Алюминий, Қола

1 микрометрде жұмыс істейтін талшықты лазерлер түсті металлдарға, мысалы, борпылдақ болатқа, алюминийге және қолаға өте жақсы әсер етеді. 2024 жылғы соңғы зерттеулер бұл лазерлік жүйелердің өлшемдік дәлдікті шамамен миллиметрдің оннан бірінде ұстай отырып, 3 сантиметрлік болат пластиналарды кесе алатынын көрсетті. Мұндай дәлдік ғимараттар мен көліктердегі құрылымдық бөлшектерді жасау үшін оларды өте қолайлы етеді. Автокузовта кездесетін алюминий қорытпаларын өңдеу кезінде талшықты лазерлер материалды дәстүрлі CO2 лазерлеріне қарағанда 20-25 пайызға жылдам өңдейді. Бұл жылдамдық артықшылығы автомобиль жасауда сапаны сақтау үшін маңызды болатын жұқа металл парақтармен жұмыс істеу кезіндегі жылу зақымдану проблемаларын азайтуға көмектеседі.

Зерттеу жағдайы: Автомобиль жасау саласындағы жоғары дәлдіктегі кесу

Автокөлік шығарушылар жоғары беріктікке ие болаттан жасалған есік арқалықтарын 0,05 мм дәлдікпен өңдеу үшін талшықты лазерлі кескіштерді пайдаланады. 2023 жылғы есепте бұл технологияның материалдардың 18% қалдығын азайтатыны айтылады. Сонымен қатар, контурлы кесу кезінде өзгермелі қуатты реттеу тормоз бөлшектерін шығаруда бірінші өткізу кезінде 98% жарамды өнім алу коэффициентіне қол жеткізеді.

Болашақтағы бағыттар: Әуе-кеме және медициналық құрылғыларды өндіру салаларында қолданылуы

Талшықты лазерлер серіктердің алюминий жапырақтарын өңдеуде қолданыла бастағаннан бері әуекосмостық өнеркәсіп өсуде. Ал медициналық құрылғыларды шығаруда осындай лазерлер титан имплантаттарын шамамен 50 микронға дейінгі дәлдікпен кесуге мүмкіндік береді. Көптеген инженерлер сонымен қатар хирургиялық құралдардың болаттан жасалған өте кішкентай элементтерін жасау үшін талшықты лазерлерге сүйенеді. Олар алатын беттік өңдеу жиі қосымша парлау қадамдарын қажет етпей, орташа шамамен 0,8 микроннан төмен болады. Барлық осындай артықшылықтарға байланысты таза энергия технологияларын да, адам денесінде жақсы жұмыс істейтін медициналық құрылғыларды да дамытуда талшықты лазерлі кесу неге қажетті болып табылатыны таңқаларлық емес.

Жиі қойылатын сұрақтар

Традициялық CO2 лазерлеріне қарағанда талшықты лазерлерді пайдаланудың негізгі артықшылығы қандай?

Талшықты лазерлердің негізгі артықшылығы - олардың CO2 лазерлік жүйелерге қарағанда шамамен 30% жоғары болатын энергия тиімділігі. Сонымен қатар олар кішірек орнатуларды мүмкіндік етеді және дәл кесу мүмкіндіктерін ұсынады.

Талшықты лазерлер кесуде жоғары дәлдікті қалай қамтамасыз етеді?

Талшықты лазерлер лазерлік қуатты, жылдамдықты және газ қысымын басқаратын стимулдау шығаруы, фокустау линзалары мен CNC жүйелері арқылы кесуде жоғары дәлдікті қамтамасыз етеді. Бұл дәлдік жоғары интенсивтілікте де сақталады.

Талшықты лазерлік кесуге қандай металдар сәйкес келеді?

Талшықты лазерлер автомобиль және әуежаңа сияқты өнеркәсіптерде құрылымдық бөлшектер үшін идеалды нұсқа болып табылатын, мырышталған болат, алюминий және қола сияқты жарқырағыш металдармен жақсы жұмыс істейді.

Көмекші газдар лазерлік кесуді қалай жақсартады?

Оттегі, азот және қысылған ауа сияқты көмекші газдар балқыған материалды шығаруға, жылу әсерінен зиян шеккен аймақты суытуға және тотығуды бақылауға көмектеседі, осылайша кесу сапасын және жылдамдығын жақсартады.