Кіріспе

Лазерлік кесу – материалдарды кесу үшін лазерді пайдаланатын технология, ол материалдарды буландырып, кесу жиегін қалыптастырады. Көбінесе өнеркәсіптік өндірісте қолданылса, қазір мектептер, шағын кәсіпорныдар, архитектура және хоббимен айналысатындар да пайдаланады. Лазерлік кесу жоғары қуатты лазер сәулесін оптикалық жүйе арқылы бағыттау принципіне негізделген. Лазерлік оптика және CNC (компьютерлік сандық басқару) лазер сәулесін материалға бағыттау үшін қолданылады. Материалдарды кесуге арналған коммерциялық лазерлер материалға кесу үлгісінің CNC немесе G-кодын орындауға мүмкіндік беретін қозғалыс басқару жүйесін пайдаланады. Фокусталған лазер сәулесі материалға бағытталғанда, ол балқиды, күйіп немесе буланып кетеді, ал кейде газ ағынымен ұшырылып, жоғары сапалы беткі қабаты бар жиекті қалдырады.

Тарих

1965 жылы алғашқы өндірістік лазерлік кесу машинасы алмаз қалыптарда тесіктер жасау үшін қолданылды. Бұл машинаны Батыс электр инженерлік зерттеу орталығы жасаған. 1967 жылы британдықтар металдарды лазерлік көмекпен оттегілік сәулемен кесуді алғаш рет пайдаланды. 1970 жылдардың басында бұл технология аэроғарыш өнеркәсібі үшін титанды кесуге енгізілді. Сол уақытта, CO2 лазерлері металл емес материалдарды, мысалы, маталарды кесуге бейімделді, себебі CO2 лазерлері металдардың жылу өткізгіштігін жеңу үшін жеткілікті қуатты болған жоқ.

Процесс

Лазерлік сәуле әдетте жұмыс аймағына жоғары сапалы линза арқылы шоғырландырылады. Сәуленің сапасы шоғырланған нүктенің мөлшеріне тікелей әсер етеді. Шоғырланған сәуленің ең тар бөлігі, әдетте, диаметрінен кіші болады. Материалдың қалыңдығына байланысты, кесу ені мүмкіндігінше кіші – бола алады. Шетінен емес, басқа жерден кесуді бастау үшін, әр кесуден бұрын тесік жасалады. Тесік жасау әдетте материалға баяу тесік ашатын, жоғары қуатты импульсті лазер сәулесін қамтиды, мысалы, тот баспайтын болат үшін шамамен 5–15 секундқа дейін. Лазерлік көздің когерентті жарығының параллель сәулелері диаметрі аралығында жиі кездеседі. Бұл сәуле әдетте линза немесе айна арқылы өте кішкентай нүктеге шоғырландырылып, күшейтіледі, осылайша өте қарқынды лазер сәулесі жасалады. Контур бойынша кесу кезінде ең тегіс нәтижеге қол жеткізу үшін, сәуле поляризациясының бағыты контурлы дайындаманың периметрі бойынша айналуы тиіс. Парақ металды кесу үшін, фокус арақашықтығы әдетте болады. Лазерлік кесудің механикалық кесуге қарағанда артықшылықтары – жұмысты ұстаудың оңайдығы және дайындаманың ластануының азаюы (материалмен ластануы немесе материалды ластауы мүмкін кесу жиегі болмағандықтан). Лазерлік сәуле кесу процесінде тозбайтындықтан, дәлдік жоғары болуы мүмкін. Кесілетін материалдың деформациялану қаупі де азаяды, себебі лазерлік жүйелерде жылу әсер ететін аймақ кішкентай. Кейбір материалдарды дәстүрлі тәсілдермен кесу өте қиын немесе мүмкін емес. Металдарды лазермен кесу, плазмамен кесуге қарағанда металл парақтарын кесу кезінде дәлдігі жоғары және энергияны аз жұмсайды; алайда, көптеген өнеркәсіптік лазерлер плазмадан гөрі қалың металлдарды кесе алмайды. Жоғары қуатпен жұмыс істейтін жаңа лазерлік машиналар (6000 Вт, алғашқы лазерлік кесу машиналарының 1500 Вт қуатына қарағанда) қалың материалдарды кесу мүмкіндігі жағынан плазмалық машиналарға жақындап келеді, бірақ мұндай машиналардың құны болат парақ сияқты қалың материалдарды кесуге қабілетті плазмалық кесу машиналарынан әлдеқайда жоғары.

Әдістер

Лазерлерді қолдану арқылы кесудің көптеген әртүрлі әдістері бар, және әртүрлі материалдарды кесу үшін әртүрлі типтер пайдаланылады. Олардың кейбіреулері: булану, балқыту және ұрлау, балқыту-соғу және күйдіру, жылулық кернеуден жарылу, сызықпен кесу, салқын кесу және жануы тұрақтандырылған лазерлік кесу.

Булау арқылы кесу

Булану арқылы кесу кезінде шоғырланған сәуле материалдың бетін тұтандыру температурасына дейін қыздырып, кілт тесігін жасайды. Кілт тесігі сіңіру қабілетінің күрт өсуіне алып келіп, тесікті жылдам тереңдетеді. Тесік тереңдегенде және материал қайнағанда, пайда болған бу еріген қабырғаларды тоздырып, материалды сыртына шығарып, тесікті одан әрі кеңейтеді. Ағаш, көміртек және терморезинді пластиктер сияқты балқымайтын материалдар көбінесе осы әдіспен кесіледі.

Ерітіп үрлеу

Еріту және үрлеу немесе қорыту кесу әдісі кесу аймағынан еріген материалды шығару үшін жоғары қысымды газды пайдаланады, бұл қуат қажеттілігін едәуір төмендетеді. Біріншіден, материал балқу температурасына дейін қыздырылады, содан кейін газ ағыны еріген материалды кеспеден шығарып тастайды, материалдың температурасын одан әрі көтеру қажеттілігін болдырмайды. Бұл әдіспен әдетте металдар кесіледі.

Термиялық стресс жарылуы

Қатайған материалдар жылудық сынуға ерекше сезімтал, бұл қасиет жылулық кернеумен жаруда қолданылады. Сәуле бетке бағытталып, жергілікті қыздыру мен жылулық кеңеюге себеп болады. Нәтижесінде жарық пайда болады, оны сәулені жылжыту арқылы басқаруға болады. Жарық м/с өлшемдерінде жылдамдықпен қозғалысқа келтіріледі. Әдетте, бұл әдіс шыныны кесу үшін қолданылады.

Кремнийлі пластинкаларды жасырын түрде кесу

Жартылай өткізгіш құрылғыларын жасау кезінде дайындалған микроэлектрондық чиптерді кремнийлі пластинкалардан бөлуді «жасырын кесу» деп аталатын процестің көмегімен жүзеге асыруға болады. Бұл процесс импульстік Nd:YAG лазерін пайдаланады, оның толқын ұзындығы (1064 нм) кремнийдің электрондық жолақты аралығына (1,11 эВ немесе 1117 нм) өте жақсы сай келеді.

Реактивті кесу

Реактивті кесуді "жанып тұрақтандырылған лазерлік газ кесу" және "жалынмен кесу" деп те атайды. Реактивті кесу оттегімен кесуге ұқсас, бірақ лазер сәулесі тұтандыру көзі болып табылады. Көбінесе 1 мм-ден қалың көміртекті болатты кесу үшін қолданылады. Осы процестің көмегімен өте қалың болат пластиналарды салыстырмалы түрде аз лазерлік қуатпен кесуге болады.

Толеранстар мен беткі өңдеу

Лазерлік кескіштердің орналасу дәлдігі 10 микрометрге, қайталану мүмкіндігі 5 микрометрге тең. Стандартты кедір-бұдырлық Rz парақтың қалыңдығы артуымен артады, бірақ лазер қуаты мен кесу жылдамдығы артуымен төмендейді. 800 Вт лазер қуатымен төмен көміртекті болатты кескенде стандартты кедір-бұдырлық Rz 1 мм қалыңдығындағы парақ үшін 10 мкм, 3 мм үшін 20 мкм және 6 мм үшін 25 мкм құрайды. Мұнда: болат парақтың қалыңдығы мм-де; лазер қуаты кВт-та (кейбір жаңа лазер кескіштері 4 кВт лазер қуатына ие); кесу жылдамдығы минутына метрмен өлшенеді. Бұл процесте өте жоғары дәлдік сақталады, көбінесе 0,025 мм-ге дейін. Бөлшектің геометриясы және машинаның механикалық тұрақтылығы дәлдік мүмкіндіктеріне үлкен әсер етеді. Лазер сәулесімен кесуден туындайтын беткі өңдеудің типтік мәні 125-ден 250 микро дюймге (0,003-тен 0,006 мм-ге) дейін болуы мүмкін. Ұшатын оптикалық машиналар жақын өрісте (резонаторға жақын) кесуден алыс өрісте (резонатордан алыс) кесуге дейін сәуле ұзындығының өзгеруін ескеру үшін белгілі бір әдіс қолдануы керек. Бұны реттеудің жалпы әдістеріне коллимация, адаптивті оптика немесе тұрақты сәуле ұзындығы осін пайдалану жатады. Бес және алты осі бар машиналар пішінделген дайындамаларды кесуға мүмкіндік береді. Сонымен қатар, лазер сәулесін пішінделген дайындамаға бағыттаудың, дұрыс фокус арақашықтығын және соплоның қалыптасқан орналасуын сақтаудың және т.б. түрлі әдістері бар.

Пульсиру

Қысқа мерзімде жоғары қуатты энергияны ұсынатын импульсті лазерлер кейбір лазерлік кесу процестерінде, әсіресе тесік жасау үшін немесе өте кішкентай тесіктер жасауға немесе өте төмен кесу жылдамдығы қажет болғанда тиімді болып табылады, себебі тұрақты лазер сәулесі қолданылса, жылу кесілетін дайындаманың толығымен еруіне әкелуі мүмкін. Көптеген өнеркәсіптік лазерлер NC (сандық бақылау) бағдарламасымен CW (үздіксіз толқын) режимінде импульстік немесе кесу мүмкіндігіне ие. Екі импульсті лазерлер материалды жою жылдамдығы мен тесіктің сапасын арттыру үшін импульстік жұптарды қолданады. Аталған технологияда, бірінші импульс материалды беткейден алып тастайды, ал екінші импульс кесілген немесе тесілген жердің қабырғасына материалдың шашырауының жабысуын болдырмайды.

Электр қуатын тұтыну

Лазерлік кесудің басты кемшілігі – жоғары қуат тұтыну. Өнеркәсіптік лазердің тиімділігі 5%-дан 45%-ға дейін болуы мүмкін. Кез келген лазердің қуат тұтынуы мен тиімділігі шығыс қуаты мен жұмыс параметрлеріне байланысты өзгереді. Бұл лазердің түріне және берілген жұмысқа лазердің қаншалықты сай келетіндігіне байланысты. Белгілі бір жұмыс үшін қажетті лазерлік кесу қуаты, яғни жылу енгізу мөлшері, материалдың түріне, қалыңдығына, қолданылатын процеске (реактивті/инертті) және қажетті кесу жылдамдығына байланысты. Лазерді пайдалану арқылы әртүрлі материалдардың әртүрлі қалыңдықтары үшін қажетті жылу енгізу мөлшері [Ватт] Материал Материал қалыңдығы 0,51 мм 1,0 мм 2,0 мм 3,2 мм 6,4 мм Тот баспайтын болат 1000 1000 1000 1500 2500 Алюминий 1000 1000 1000 3800 10000 Жұмсақ болат – 400 – 500 – Титан 250 210 210 – – Көлемдік ағаш – – – – 650 Борон/эпоксид – – – 3000 –

Өндіріс және кесу қарқыны

Ең жоғары кесу жылдамдығы (өндірістік жылдамдық) лазерлік қуат, материалдың қалыңдығы, процесс түрі (реактивті немесе инертті) және материалдың қасиеттері сияқты бірқатар факторлармен шектеледі. Кәсіпорындардағы жалпы жүйелер (≥1 кВт) 0,51 – 13 мм қалыңдықтағы көміртекті болаттан металл кесуге қабілді. Көптеген жағдайларда лазер стандартты арамен кесуден отыз есе жылдам болуы мүмкін. +Кесу жылдамдығы [см/секунд] Жұмыс істеу материалы Материал қалыңдығы 0,51 мм 1,0 мм 2,0 мм 3,2 мм 6,4 мм 13 мм Тот баспайтын болат 42,3 23,28 13,76 7,83 3,4 0,76 Алюминий 33,87 14,82 6,35 4,23 1,69 1,27 Жұмсақ болат − 8,89 7,83 6,35 4,23 2,1 Титан 12,7 12,7 4,23 3,4 2,5 1,7 Фанера − − − − 7,62 1,9 Борон / эпоксид − − − 2,5 2,5 1,1