Како работи машината за режење со влакнест ласер?

Генерирање на ласерски зрак и појачување преку оптички влакна

Како влакнестиот ласер генерира и насочува ласерски зрак

Ласерските резачи со влакна работат така што користат посебни пумпни ласери за да ја претворат електричната енергија во интензивни зраци светлина. Оваа светлина поминува низ оптичко влакно допирано со ретки земјени материјали, најчесто итербиум. Кога честичките на светлината (фотони) ќе се судрат со возбудени електрони во средишниот дел од влакното, се случува нешто интересно. Интеракцијата предизвикува таканаречено стимулирано испуштање, каде што секој фотон создава повеќе фотони во верижна реакција. Овој процес ја зголемува силата на светлината многу, понекогаш и над 1000 пати, но при тоа зракот останува фокусиран и кохерентен цело време. Резултатот е моќен алат за резење кој задржува прецизност дури и при овие екстремни интензитети.

Пумпни ласерски диоди и генерирање на светлина

Современите системи комбинираат излез од 11–20 пумпни диоди во единичен влакен канал за да се постигнат индустријални нивоа на моќност од 1–10 kW. Овие диодни низи достигнуваат ефикасност од 45–50% во однос на потрошувачката на струја, повеќе од три пати повеќе од CO ласерите (laser-welder.net), што ги прави исклучително енергетски ефикасни за континуирана употреба.

Структура на оптичкиот влакен: Јадро и заобол

Двојниот слој на влакното овозможува ефикасна преносна светлина:

• Јадро (8–50 µm пречник): Пренесува засилена ласерска светлина
• Заобол: Го заокружува јадрото и рефлектира расеани фотони преку вкупно внатрешно рефлектирање
  Оваа конфигурација губитокот на сигналот го намалува на помалку од 0,1 dB/km, овозможувајќи стабилна достава на зракот на растојанија поголеми од 100 метри.

Влакнести Брегови Гратинзи за засилување на зракот

Слично како огледало волоконски Брэгови решетки вградени на секој крај од дотираното влакно формираат оптичка резонантна шуплина која:

1. Избира тесен појас на бранова должина (1.070 nm ±3 nm)
2. Го зголемува густината на моќноста на 10–10 W/cm²
3. Го ограничува ширењето на снопот на помалку од 0,5 mrad

Ова прецизно засилување им овозможува на влакнестите ласери да пробијат нерѓосувачки челик со дебелина од 30 мм за помалку од две секунди со точност од ±0,05 mm.

Основни компоненти на машина за резење со влакнест ласер

Современите машини за резење со влакнест ласер интегрираат четири клучни потсистеми за да обезбедат прецизност на ниво на микрони при изработката на метал:

Извор на влакнест ласер и единица за генерирање на сноп

Основниот компонент на овој систем се базира на влакно допирано со ретки земји, обично содржи јтериум или ербиум. Кога ќе се стимулира, овие влакна произведуваат когерентен ласерски зрак кој работи во опсегот на брановата должина од приближно 1.060 до 1.070 нанометри. Она што го прави ова различно од конвенционалните гасни ласери е начинот на кој работи. Наместо да зависи од застапени гасни комори, дизајнот со цврста состојба испраќа светлина низ флексибилни оптички влакна. Ова не само што овозможува многу помали инсталации, туку и овозможува околу 30 проценти подобар енергетски коефициент на корисност во споредба со постарите CO2 ласерски системи кои постојат веќе децении.

Ласерска глава за сечење, фокусни леќи и систем за млазници

Сечискиот дел има специјални леќи направени од многу чист материјал од фузирани силиции кои ја фокусираат ласерската зрака на нешто помало од 0,1 мм. Постои и коаксијален систем на млазници кој испушта помошни гасови како азот (кој мора да биде доста чист, околу 99,95%) под притисок меѓу 15 и 20 бара. Ова помага да се отстранува растопениот материјал, истовремено одржувајќи го кислородот надвор од зоната на резење за да се добијат оние чисти работи што сите ги бараат. Операторите всушност откриваат дека овој систем најдобро функционира кога ќе го прилагодат притисокот на гасот во зависност од видот на материјалот со кој работат.

Улога на CNC системите во прецизната контрола и автоматизација

CNC системите всушност ги земаат тие CAD дизајни и ги претвораат во стварни патеки на движење, постигнувајќи повторливост од околу 0,03 мм. Контролерите во овие напредни машини постојано ги прилагодуваат работи како што е моќта на ласерот која може да се движи од 500 вати па сè до 30 киловати, регулираат колку брзо се движи режечката глава (понекогаш дури и 200 метри во минута) и контролираат гасен притисок за време на сложените движења со пет оски. Ова овозможува создавање на многу сложени форми без потреба од голема рачна интервенција. Импресивно е дека и покрај работата со големи лимови материјал, овие системи успеваат да ја одржат површината рамна со точност од само 0,05 мм по квадратен метар. Таква конзистентност има огромна улога при производството на делови од високо качество.

Системи за ладење и стабилност на машинската рамка

Прецизноста бара термална стабилност: водените чилери ги одржуваат ласерските диоди во опсег од 25°C±2°C, спречувајќи одстапување на перформансите при продолжена употреба. Рамката на машината, често изградена со бази од гранит и линеарни водичи, потиснува вибрации под 5 µm, овозможувајќи постојани резови при брзина на движење поголема од 1.500 mm/s.

Компонента	Функција	Перформансен метрички показател
Ласерски извор	Генерира зрак со висока интензитет	98% ефикасност на употреба на струја
Глава за Сечење	Фокусира зрак и управува со протокот на гас	дијаметар на фокусната точка 0,08 mm
CNC контролер	Извршува шеми за резење	точност на ротација 0,01°
Термален стабилизатор	Одржува работни температури	±0,5°C толеранција

Ова интегрирана архитектура овозможува прецизно испарување на метали до дебелина од 40 мм, при што задржува точност на позиционирање од 0,1 мм/м во широки работни површини од 3×2 метри.

Механизам на топење и испарување кај обработката на метали

Фибер ласерите произведуваат инфрацрвена светлина околу брановата должина од 1.070 nm, која пренесува голема количина топлина кон било кое материјално средство врз кое работат. Кога оваа светлина ќе ја погоди металот, таа се апсорбира од електроните во структурата на металот, предизвикувајќи скок на температурата далеку над она што повеќето челици можат да го поднесат (обично меѓу 1.400 и 1.650 степени Целзиусови). Брзото зголемување на температурата доведува до ефекти на топење и испарување кои се исечуваат низ материјалот, создавајќи она што го нарекуваме рез. За потенки лимови со дебелина под околу 6 милиметри, процесот работи во таканаречен режим на клучна дупка, каде што ласерскиот зрак минува директно низ него и буквално веднаш го претвора металот во пареа. Меѓутоа, кај дебели материјали, производителите обично преминуваат на друг пристап познат како топење-и-исфрлање. Овој метод користи операција со непрекинат бран за контрола на количината на материјал кој се отстранува за време на операциите на сечење.

Улога на помошните гасови: Кислород, Азот и Компримиран воздух

Помошните гасови ја подобруваат квалитетот и брзината на сечењето преку три примарни функции: испуштање на стопен материјал, ладење на зоната под влијание на топлина (HAZ) и контролирање на оксидацијата.

Тип на гас	Ефект врз процесот на сечење	Најдобро за
Кислород	Егзотермичната реакција додава топлина, зголемувајќи ја брзината до 30%	Благ челик >3mm
Азот	Инертно заштитно средство спречува оксидација, давајќи работи без бразди	Нерѓосувачки челик, алуминиум
Притиснат ваздух	Економична опција за некритични апликации	Тенки лимови (<2mm)

Како што е напоменато во анализа на индустријата од 2024 година од The Fabricator, притисокот на гасот (1–20 bar) значително влијае на квалитетот на сечењето — повисоките притисоци го подобруваат исфрлањето на шлака, но можат да предизвикаат турбуленци. Современите поставки користат CNC контролирани пропорционални вентили за одржување на стабилност на притисокот од ±2% за оптимални резултати.

Функција на млазницата и динамика на гасниот млаз кај чистото сечење

Коничните дюзи (0,8–3,0 mm пречник) ја формираат гасната струја во суперсоничен млаз (Мах 1,2–2,4) кој ефикасно го отстранува течниот метал од резот. Клучни фактори вклучуваат:

• Растојание на дюзата : Разлика од 0,5–1,5 mm штити ја дюзата и осигурува ефективно покривање со гас
• Дизајн на гасен леќа : Намалува турбуленција во струењето за 62% во споредба со стандардни дюзи
• Каксијална порамнуваност : Бара порамнување <0,05 mm помеѓу зракот и струјата на гас

Оптимизирани дизајни на дюзи зголемуваат брзини на сечење за 18% и намалуваат потрошувачка на гас за 22% преку подобро ламинарно струење. Интегрирани пиезоелектрични сензори детектираат запрепствувања во рок од 50 ms, спречувајќи приближно 93% од поврзаните дефекти.

Фокусирање на зракот, прецизно управување и осигурување квалитет

Фокусирање на ласерскиот зрак користејќи колимирачки и фокусирачки леќи

Колимирните леќи работат така што ги земаат раздвоените светлински зраци и ги поредуваат во нешто што е поблиску до паралелни пред да го достигнат целта. Оптиката од фузирана силика со висока прецизност потоа ја фокусира оваа порамнета зрака на многу мала точка со големина меѓу 0,1 и 0,3 мм. Студии од InTechOpen укажуваат дека кога станува збор за метрики на квалитетот на зракот како BPP (Производ на параметар на зрак), секое нешто под 2 mm·mrad прави вистинска разлика во прецизноста на сечењето. Резултатот? Сечењето на нерѓосувачки челик може да биде околу 30% поужно во споредба со она што е можно со традиционалните CO₂ ласерски системи. Ова има големо значење во производството каде што секој дел од милиметар има значење.

Порамнување на млазникот и оптимизација на фокусната точка

Одржувањето на растојание од ±0,05 мм меѓу врвот на соплото и фокалната рамнина осигурува ефективно отстранување на расегнатата маса без пречкање на зракот. Капацитивни сензори за висина овозможуваат автоматска калибрација во реално време за време на процесот на сечење. Отстапувањата поголеми од 0,1 мм можат да ја зголемат формацијата на дрос за 60% при обработка на алуминиум, според испитувањата од 2023 година.

Мониторинг во реално време и адаптивно управување преку CNC системи

Современите CNC системи собираат околу 1.000 податоци секоја секунда за време на работа. Овие податоци ги опфаќаат сите аспекти, од моделите на однесување на гасовите до влијанието на топлината врз леќите и точната позиција на машината во секој момент. Врз основа на сите овие информации, системот може да ја прилагоди моќта на ласерот меѓу 1 и 20 киловати и да ја регулира брзината на движење од само 0,1 метар во минута до 40 метри во минута, сѐ тоа за милисекунди. Резултатот? Последователно прецизни резови со толеранции кои остануваат во рамките од плус или минус 0,1 милиметар, дури и при работа со комплексни форми и детални дизајни. Земете ја како пример променливата фреквенциска импулсна модулација. Кога се примена за резење на лим од месинг со дебелина од 5 мм, оваа техника успева да ја намали зоната под влијание на топлина за скоро половина во споредба со традиционалните методи, што ја прави револуционерна за прецизна работа.

Интеграција на вештачка интелигенција за предвидување параметри и контрола на квалитет

Модели на машинско учење обучени на повеќе од 10.000 профили на резење сега предвидуваат идеални поставки за нови материјали со точност од 92%. Системи за визуелна анализа со висока резолуција (5-μm резолуција) комбинирани со спектрална анализа идентификуваат микронедостатоци 50% побрзо од рачната инспекција, намалувајќи ги стапките на отпад од 18% во автомобилската производство (Извештај за прецизно машинско обработување 2024).

Компатибилност со материјали и индустријски примени

Метали погодни за резење со влакнести ласери: Нерѓосувачки челик, Алуминиум, Месинг

Фибер ласерите кои работат на околу 1 микрометар одлично работат на блескави метали како што се нерѓоскивачки челик, алуминиум и бронза. Новите тестови од 2024 година покажаа дека овие ласерски системи всушност можат да сечат низ плочи од нерѓоскивачки челик дебели до 3 центиметри, при што задржуваат димензионална прецизност во рамките од околу една десеттина милиметар. Таквата прецизност ги прави одлични за производство на конструктивни делови потребни во градителството и возилата. Кога станува збор за легури на алуминиум кои често се среќаваат во телата на автомобили, фибер ласерите го обработуваат материјалот околу 20 до 25 отсто побрзо од традиционалните CO2 ласери. Оваа предност во брзина помогнува да се намалат проблемите со топлинските оштетувања при работа со потенки метални лимови, што е важно за одржување на квалитетот во производството на возила.

Студија на случај: Сечење со висока прецизност во производството на возила

Производителите на возила користат влакнести ласери за изработка на делови од шасијата со толеранција од 0,05 мм. Извештај од 2023 година истакнува како оваа технологија губењето на материјал го намалува за 18% при формирање на рамки за врати од челик со висока чврстина. Дополнително, адаптивното управување со моќноста за време на контурното сечење постигнува стапка на добивка од 98% во производството на компоненти за точила.

Идни трендови: Примена во изработката на аерокосмички и медицински уреди

Аерокосмичката индустрија бележи раст поради употребата на фибер ласери за работа со алуминиски плочи за сателити. Во меѓувреме, во производството на медицински уреди, истите ласери можат со неверојатна прецизност да сечат титанови импланти, до околу 50 микрони. Многу инженери сега се осврнуваат на фибер ласери и при изработка на ситни делови од хируршки инструменти од нерѓосувачки челик. Површината што ја добиваат често има просечна грапавост под 0,8 микрони, без потреба од дополнителни полирани постапки по завршувањето. Со сите овие предности, нема никакво чудо зошто сечењето со фибер ласер стана толку важно за развојот на напредни технологии за чиста енергија и медицински уреди кои навистина добро функционираат внатре во човечкото тело.

ЧПЗ

Која е главната предност на фибер ласерите во споредба со традиционалните CO2 ласери?

Главната предност на фибер ласерите е нивната енергетска ефикасност, која е околу 30% подобра од CO2 ласерските системи. Тие исто така дозволуваат помали инсталации и нудат прецизни можностите за сечење.

Како влакнестите ласери постигнуваат висока прецизност при сечење?

Влакнестите ласери постигнуваат висока прецизност при сечење преку стимулирана емисија, фокусирачки леќи и CNC системи кои го контролираат ласерското напојување, брзината и притисокот на гасот. Оваа прецизност се одржува дури и при високи интензитети.

Кои се погодните метали за сечење со влакнест ласер?

Влакнестите ласери добро работат на блескави метали како нерѓосувачки челик, алуминиум и месинг, што ги прави идеални за конструкциски делови во индустрии како автомобилска и аерокосмичка.

Како помошните гасови го подобруваат ласерското сечење?

Помошни гасови како кислород, азот и компримиран воздух помогнуваат во исфрлање на стопен материјал, ладење на зоната под влијание на топлина и контрола на оксидацијата, со што се подобрува квалитетот и брзината на сечење.