Základy laserového řezání a jeho systém zpracování —Laserové řezací zařízení

II. Složení laserového řezacího zařízení

2.1 Součásti a princip činnosti laserového řezacího stroje

Laserový řezací stroj se skládá z laserového zářiče, řezací hlavy, sestavy pro přenos paprsku, pracovního stolu obráběcího stroje, systému numerického řízení (NC), počítače (hardwaru a softwaru), chladiče, lahve s ochranným plynem, lapače prachu a sušičky vzduchu.

Laserový generátor

Laserový generátor je zařízení, které produkuje laserové světelné zdroje. Pro laserové řezání většina strojů používá plynové CO₂ lasery, které se vyznačují vysokou účinností elektrooptického převodu a vysokým výkonem, s výjimkou několika málo případů, kdy se používají YAG lasery v pevné fázi. Ne všechny lasery jsou vhodné pro řezání, protože laserové řezání klade přísné požadavky na kvalitu paprsku.
Řezná hlava

Skládá se hlavně z komponent, jako je tryska, zaostřovací čočka a systém sledování zaostření.

Pohon řezací hlavy slouží k pohonu řezací hlavy a jejímu pohybu podél osy Z podle přednastavených programů. Skládá se ze servomotoru a převodových částí, jako jsou vodicí šrouby nebo ozubená kola.

(1) Tryska: Existují tři hlavní typy trysek: paralelní, konvergentní a kuželové.

(2) Zaostřovací čočka: Pro řezání pomocí energie laserového paprsku musí být původní paprsek vyzařovaný laserem zaostřen čočkou, aby se vytvořil světelný bod s vysokou hustotou energie. Čočky se střední a dlouhou ohniskovou vzdáleností jsou vhodné pro řezání silných plechů a mají nižší požadavky na stabilitu rozteče sledovacího systému. Čočky s krátkou ohniskovou vzdáleností jsou vhodné pouze pro řezání tenkých plechů pod 3 mm; mají přísné požadavky na stabilitu rozteče sledovacího systému, ale mohou výrazně snížit požadovaný výstupní výkon laseru.

(3) Sledovací systém: Systém sledování zaostření laserového řezacího stroje se obvykle skládá ze zaostřovací řezací hlavy a systému sledovacích senzorů. Řezací hlava integruje funkce vedení a zaostřování paprsku, vodního chlazení, vhánění plynu a mechanického nastavení.

Senzor se skládá ze snímacích prvků a zesilovací řídicí jednotky. Sledovací systémy se zcela liší v závislosti na typu snímacích prvků. Existují dva hlavní typy: jedním je kapacitní systém sledování senzorů, známý také jako bezkontaktní systém sledování; druhým je indukční systém sledování senzorů, označovaný také jako kontaktní systém sledování.
Sestava přenosu paprsku

Externí optická dráha: Reflexní zrcadla se používají k vedení laserového paprsku požadovaným směrem. Aby se zabránilo poruchám v dráze paprsku, jsou všechna reflexní zrcadla chráněna štíty a do zrcadel je přiváděn čistý ochranný plyn s pozitivním tlakem, aby se zabránilo kontaminaci. Vysoce výkonná čočka dokáže zaostřit nedivergentní paprsek do nekonečně malého bodu. Běžně se používá čočka s ohniskovou vzdáleností 5,0 palce, zatímco čočka 7,5 palce je vhodná pouze pro řezání materiálů silnějších než 12 mm.
Pracovní stůl pro obráběcí stroje

Hlavní těleso stroje: Sekce obráběcího strojelaserový řezací strojje mechanická část, která realizuje pohyb os X, Y a Z, včetně řezací pracovní plošiny.
Numerický řídicí systém

NC systém řídí obráběcí stroj pro dosažení pohybů v osách X, Y a Z a zároveň reguluje výstupní výkon laseru.
Chladicí systém

Chladicí jednotka: Slouží k chlazení laserového generátoru. Laser je zařízení, které přeměňuje elektrickou energii na světelnou energii. Například účinnost přeměny plynového CO₂ laseru je obvykle 20 %, přičemž zbývající energie se přeměňuje na teplo. Chladicí voda odvádí přebytečné teplo, aby se udržel normální provoz laserového generátoru. Chladicí jednotka také chladí vnější optická zrcadla a zaostřovací čočky obráběcího stroje, čímž zajišťuje stabilní kvalitu přenosu paprsku a účinně zabraňuje deformaci nebo praskání čoček v důsledku přehřátí.
Plynové lahve

Plynové lahve zahrnují lahve s pracovním médiem a lahve s pomocným plynem pro laserový řezací stroj, které slouží k doplnění technických plynů pro laserové oscilace a k dodávání pomocných plynů pro řezací hlavu.
Systém pro odsávání prachu

Odsává kouř a prach vznikající během zpracování a provádí filtrační úpravu, aby se zajistilo, že emise výfukových plynů splňují normy ochrany životního prostředí.
Sušička a filtr chlazení vzduchu

Dodává čistý a suchý vzduch do laserového generátoru a dráhy paprsku, čímž udržuje normální provoz dráhy paprsku a reflexních zrcadel.

2.2 Řezací hořák pro laserové řezání

Níže je znázorněno strukturální schéma řezacího hořáku pro laserové řezání. Skládá se hlavně z těla hořáku, zaostřovací čočky, reflexního zrcadla a pomocné plynové trysky. Během laserového řezání musí řezací hořák splňovat následující požadavky:

① Hořák může vypouštět dostatečný proud plynu.

② Směr výstupu plynu uvnitř hořáku musí být souosý s optickou osou reflexního zrcadla.

③ Ohniskovou vzdálenost svítilny lze snadno nastavit.

④ Během řezání nesmí kovové páry a stříkance z řezaného kovu poškodit reflexní zrcadlo.

Pohyb řezacího hořáku je regulován NC systémem řízení pohybu. Existují tři scénáře pro relativní pohyb mezi řezacím hořákem a obrobkem:

① Hořák zůstává v klidu, zatímco se obrobek pohybuje po pracovním stole – vhodné zejména pro malé obrobky.

② Obrobek zůstává nehybný, zatímco se hořák pohybuje.

③ Hořák i pracovní stůl se pohybují současně.

2.2.1 Řezná hlava

Laserová řezací hlava je umístěna na konci systému přenosu paprsku a skládá se ze zaostřovací čočky a řezací trysky.

Zaostřovací čočky se klasifikují hlavně podle ohniskové vzdálenosti. Většina laserových řezacích zařízení je vybavena několika řezacími hlavami s různými ohniskovými vzdálenostmi. Vezměme si jako příklad řezání CO₂ laserem, běžné ohniskové vzdálenosti jsou 127 mm (5 palců) a 190 mm (7,5 palce). Čočka s krátkou ohniskovou vzdáleností vytváří malou ohniskovou skvrnu a krátkou ohniskovou hloubku, což vede ke zmenšení šířky řezné spáry a dosažení jemnějších řezů. Čočka s dlouhou ohniskovou vzdáleností poskytuje větší ohniskovou skvrnu a delší ohniskovou hloubku. Ve srovnání s čočkami s krátkou ohniskovou vzdáleností mohou čočky s dlouhou ohniskovou vzdáleností poskytnout zaostřený paprsek s hustotou laserové energie dostatečnou pro zpracování materiálu v blízkosti ohniska. Čočky s krátkou ohniskovou vzdáleností se proto většinou používají pro přesné řezání tenkých plechů, zatímco čočky s dlouhou ohniskovou vzdáleností jsou vyžadovány pro silnější materiály k dosažení dostatečné ohniskové hloubky, což zajišťuje minimální odchylky v průměru skvrny a dostatečnou hustotu výkonu v rozsahu tloušťky řezu.

Fokusační čočky se používají k zaostření paralelního laserového paprsku dopadajícího na řezací hořák, čímž se dosahuje menší velikosti bodu a vyšší hustoty výkonu. Čočky jsou vyrobeny z materiálů, které mohou propouštět vlnovou délku laseru. Optické sklo se běžně používá pro pevnolátkové lasery, zatímco materiály jako ZnSe, GaAs a Ge se používají pro plynové CO₂ lasery (protože běžné sklo není pro paprsky CO₂ laseru průhledné), z nichž ZnSe je nejrozšířenější.

Pro řezání laserem je žádoucí minimalizovat průměr ohniskové skvrny, aby se zvýšila hustota výkonu a umožnilo vysokorychlostní řezání. Kratší ohnisková vzdálenost čočky však vede k menší hloubce ohniska, což ztěžuje dosažení kolmé řezné plochy při řezání silných plechů. Kratší ohnisková vzdálenost navíc zmenšuje vzdálenost mezi čočkou a obrobkem, čímž se zvyšuje riziko kontaminace čočky roztavenými stříkankami během řezání a ovlivnění normálního provozu. Proto by měla být vhodná ohnisková vzdálenost stanovena komplexně na základě faktorů, jako je tloušťka řezu a požadavky na kvalitu řezu.

2.2.2 Reflexní zrcadlo

Funkcí reflexního zrcadla je změnit směr paprsku vyzařovaného laserem. Pro paprsky z pevnolátkových laserů lze použít reflexní zrcadla vyrobená z optického skla. Naproti tomu reflexní zrcadla v zařízeních pro řezání plynovým CO₂ laserem jsou obvykle vyrobena z mědi nebo kovů s vysokou odrazivostí. Aby se zabránilo poškození způsobenému přehřátím laserovým zářením během provozu, reflexní zrcadla se obvykle chladí vodou.

2.2.3 Tryska

Tryska se používá ke vstřikování pomocného plynu do řezné zóny a její konstrukce má určitý vliv na účinnost a kvalitu řezání. Obrázek 4.11 znázorňuje běžné tvary trysek pro laserové řezání; tvary ústí trysky zahrnují válcové, kuželové a konvergující-divergující typy.

Výběr trysky se obecně určuje na základě zkoušek na základě materiálu a tloušťky obrobku a tlaku pomocného plynu. Řezání laserem se obvykle provádí pomocí koaxiálních trysek (kde je proudění plynu souosé s optickou osou). Pokud proudění plynu a laserový paprsek nejsou souosé, je pravděpodobné, že během řezání dojde k nadměrnému rozstřikování. Vnitřní stěna otvoru trysky by měla být hladká, aby se zajistil nerušený průtok plynu a zabránilo se turbulencím, které by mohly ovlivnit kvalitu řezné spáry. Pro zajištění stability řezu by měla být vzdálenost mezi čelní plochou trysky a povrchem obrobku minimalizována, obvykle v rozmezí od 0,5 mm do 2,0 mm. Průměr otvoru trysky musí umožňovat plynulý průchod laserového paprsku a zabránit kontaktu paprsku s vnitřní stěnou otvoru. Čím menší je průměr otvoru, tím obtížnější je paprsek kolimovat. Pro daný tlak pomocného plynu existuje optimální rozsah průměrů otvorů trysky. Příliš malý nebo velký otvor bude bránit odstraňování roztavených produktů z řezné spáry a ovlivní rychlost řezání.

Vliv průměru otvoru trysky na rychlost řezání při konstantním výkonu laseru a tlaku pomocného plynu je znázorněn na obrázcích 4.12 a 4.13. Je vidět, že existuje optimální průměr otvoru trysky, který dosahuje maximální rychlosti řezání. Tato optimální hodnota je přibližně 1,5 mm bez ohledu na to, zda se jako pomocný plyn používá kyslík nebo argon.

Testy laserového řezání tvrdých slitin (které se obtížně dělí) ukazují, že optimální průměr otvoru trysky je velmi blízký výše uvedeným výsledkům, jak je znázorněno na obrázku 4.14. Průměr otvoru trysky také ovlivňuje šířku řezné spáry a šířku tepelně ovlivněné zóny (HAZ). Jak je znázorněno na obrázku 4.15, se zvětšujícím se průměrem otvoru trysky se šířka řezné spáry zvětšuje, zatímco šířka HAZ se zužuje. Hlavním důvodem zúžení HAZ je zvýšený chladicí účinek pomocného proudu plynu na základní materiál v řezné zóně.

2.3 Parametry laserového řezacího zařízení

2.3.1 Řezací zařízení poháněné hořákem

U řezacích zařízení poháněných hořákem je řezací hořák namontován na pohyblivém portálu a pohybuje se vodorovně podél portálového nosníku (osa Y). Portál pohání hořák tak, aby se pohyboval podél osy X, zatímco obrobek je upevněn na pracovním stole. Vzhledem k tomu, že laser a řezací hořák jsou uspořádány odděleně, jsou během procesu řezání ovlivněny charakteristiky laserového přenosu, rovnoběžnost ve směru skenování paprsku a stabilita odrazných zrcadel.

Řezací zařízení poháněné hořákem dokáže zpracovávat obrobky velkých rozměrů. V řezací výrobní zóně zabírá relativně malou podlahovou plochu a lze jej snadno integrovat s dalším zařízením a vytvořit tak výrobní linku. Jeho přesnost polohování je však pouze ±0,04 mm.

Typická struktura řezacího zařízení poháněného hořákem je znázorněna na obrázku 4.19. Používá se kontinuální CO₂ laserový řezací stroj se vzdáleností od laseru k řezacímu hořáku 18 m. Aby se zajistilo, že změna průměru paprsku v průběhu této přenosové vzdálenosti neovlivní řezací operace, musí být kombinace oscilačních zrcadel pečlivě navržena.

Hlavní technické parametry řezacího zařízení s hořákem jsou následující:

Výstupní výkon laseru: 1,5 kW (jednorežimový), 3 kW (vícerežimový)
Zdvih hořáku: osa X 6,2 m, osa Y 2,6 m
Rychlost pojezdu: 0–10 m/min (nastavitelná)
Plovoucí zdvih hořáku v ose Z: 150 mm
Rychlost nastavení osy Z hořáku: 300 mm/min
Maximální velikost zpracovaného ocelového plechu: 12 mm × 2400 mm × 6000 mm
Řídicí systém: Integrovaný NC řídicí režim

2.3.2 Řezací zařízení s pohonem stolu XY

U řezacího zařízení s pohonem stolu XY je řezací hořák upevněn na rámu a obrobek je umístěn na řezacím stole. Řezací stůl se pohybuje podél os X a Y podle NC příkazů s nastavitelnou rychlostí pojezdu, která se obvykle pohybuje v rozmezí 0–1 m/min nebo 0–5 m/min. Protože řezací hořák zůstává vzhledem k obrobku nehybný, minimalizuje se dopad na vyrovnání a centrování laserového paprsku během procesu řezání, což zajišťuje rovnoměrný a stabilní řezný výkon. Při vybavení malým řezacím stolem s vysokou mechanickou přesností dosahuje stroj přesnosti polohování ±0,01 mm avynikající přesnost řezu, díky čemuž je obzvláště vhodný pro přesné řezání malých součástí. Pro zpracování velkých obrobků jsou k dispozici také větší řezací stoly se zdvihem osy X 2300–2400 mm a zdvihem osy Y 1200–1300 mm.

Hlavní technické parametry řezacího zařízení s pohonem stolu XY jsou následující:

Zdroj laseru: plynový CO₂ laser (polouzavřený typ s rovnou trubicí)
Napájení laseru: Vstupní napětí 200 V AC; Výstupní napětí 0–30 kV; Maximální výstupní proud 100 mA
Výstupní výkon laseru: 550 W
Zdvih řezacího stolu: osa X 2300 mm, osa Y 1300 mm
Rychlost pojezdu řezacího stolu (stupně nastavitelná): 0,4–5,0 m/min, 0,2–2,5 m/min, 0,1–1,3 m/min, 0,05–0,6 m/min
Plovoucí zdvih hořáku v ose Z: 180 mm
Maximální velikost zpracovávaného plechu: 6 mm × 1300 mm × 2300 mm
Řídicí systém: Režim numerického řízení (NC)

2.3.3 Řezací zařízení s dvojitým pohonem (hořák a stůl)

Duálně poháněné řezací zařízení (hořák a stůl) se svou konstrukcí řadí mezi řezací stroje poháněné hořákem a řezací stroje poháněné stolem v ose XY. Řezací hořák je namontován na portálu a pohybuje se horizontálně podél nosníku portálu (osa Y), zatímco řezací stůl je poháněn podélně. Tato hybridní konstrukce kombinuje výhody vysoké přesnosti řezání a úspory místa. S přesností polohování ±0,01 mm a nastavitelným rozsahem řezné rychlosti 0–20 m/min je jedním z nejpoužívanějších řezacích strojů na trhu. Větší modely tohoto stroje nabízejí zdvih v ose Y 2000 mm a v ose X 6000 mm, což umožňuje řezání velkých obrobků.

Laserový oscilátor je namontován na portálu vedle řezacího hořáku. Tato konfigurace poskytuje výjimečnou přesnost při řezání kruhových otvorů. Stroj se také pyšní vysokou efektivitou výroby: dokáže vyřezat 46 kruhových otvorů (o průměru 10 mm) za minutu na ocelovém plechu o tloušťce 1 mm.

2.3.4 Integrované řezací zařízení

Vintegrovaný řezací strojLaserový zdroj je instalován na rámu a pohybuje se s ním podélně, zatímco řezací hořák je integrován se svým pohonným mechanismem pro horizontální pohyb podél nosníku rámu. Stroj využívá numerické řízení k řezání různých tvarovaných součástí. Pro kompenzaci odchylek délky optické dráhy způsobených horizontálním pohybem řezacího hořáku je obvykle vybaven modulem pro nastavení délky optické dráhy. Tento modul zajišťuje homogenní laserový paprsek v oblasti řezu a udržuje konzistentní kvalitu řezného povrchu.

Čas zveřejnění: 17. prosince 2025

Základy laserového řezání a jeho systém zpracování — Zařízení pro laserové řezání