L-introduzzjoni tal-qtugħ bil-lejżer

Il-qtugħ bil-lejżer huwa teknoloġija li tuża lejżer biex tivvaporizza materjali, li tirriżulta f'tarf maqtugħ.Filwaqt li tipikament użat għall-applikazzjonijiet tal-manifattura industrijali, issa huwa użat mill-iskejjel, negozji żgħar, arkitettura, u hobbyists.Il-qtugħ bil-lejżer jaħdem billi jidderieġi l-output ta 'lejżer ta' qawwa għolja l-aktar komuni permezz ta 'l-ottika.L-ottika tal-lejżer u CNC (kontroll numeriku tal-kompjuter) jintużaw biex jidderieġu r-raġġ tal-lejżer lejn il-materjal.Lejżer kummerċjali għat-tqattigħ tal-materjali juża sistema ta 'kontroll tal-moviment biex issegwi CNC jew G-code tal-mudell li għandu jinqata' fuq il-materjal.Ir-raġġ tal-lejżer iffukat huwa dirett lejn il-materjal, li mbagħad jew jiddewweb, jinħaraq, jivvaporizza, jew jintefaħ minn ġett ta 'gass,[1] iħalli tarf b'finitura tal-wiċċ ta' kwalità għolja

Storja
Fl-1965, l-ewwel magna tal-qtugħ bil-lejżer tal-produzzjoni kienet użata biex tħaffer toqob fid-djamanti imut.Din il-magna kienet magħmula miċ-Ċentru ta 'Riċerka tal-Inġinerija Elettrika tal-Punent.[3]Fl-1967, l-Ingliżi kienu pijunieri fil-qtugħ bil-ġett tal-ossiġnu assistit bil-lejżer għall-metalli.[4]Fil-bidu tas-snin sebgħin, din it-teknoloġija ddaħħlet fil-produzzjoni biex tnaqqas it-titanju għal applikazzjonijiet aerospazjali.Fl-istess ħin il-lejżers tas-CO2 ġew adattati biex jaqtgħu mhux metalli, bħat-tessuti, minħabba li, dak iż-żmien, il-lejżers tas-CO2 ma kinux b'saħħithom biżżejjed biex jegħlbu l-konduttività termali tal-metalli.[5]

Proċess

Qtugħ bil-lejżer industrijali ta 'l-azzar bi struzzjonijiet tat-tqattigħ ipprogrammati permezz ta' l-interface CNC
Ir-raġġ tal-lejżer huwa ġeneralment iffukat bl-użu ta 'lenti ta' kwalità għolja fuq iż-żona tax-xogħol.Il-kwalità tar-raġġ għandha impatt dirett fuq id-daqs tal-post iffokat.L-iktar parti dejqa tar-raġġ iffukat hija ġeneralment inqas minn 0.0125 pulzier (0.32 mm) fid-dijametru.Jiddependi fuq il-ħxuna tal-materjal, wisgħat tal-kerf żgħar daqs 0.004 pulzieri (0.10 mm) huma possibbli.[6]Sabiex tkun tista 'tibda tqatta' minn x'imkien ieħor għajr it-tarf, isir pierce qabel kull qatgħa.It-titqib normalment jinvolvi raġġ tal-laser pulsat ta 'qawwa għolja li bil-mod jagħmel toqba fil-materjal, u jieħu madwar 5-15-il sekonda għal azzar li ma jissaddadx ta' 0.5-il pulzier ħoxna (13 mm), pereżempju.

Ir-raġġi paralleli ta 'dawl koerenti mis-sors tal-lejżer spiss jaqgħu fil-medda ta' bejn 0.06-0.08 pulzieri (1.5-2.0 mm) fid-dijametru.Dan ir-raġġ huwa normalment iffukat u intensifikat minn lenti jew mera għal post żgħir ħafna ta 'madwar 0.001 pulzier (0.025 mm) biex jinħoloq raġġ tal-lejżer intens ħafna.Sabiex tinkiseb l-aktar finitura lixxa possibbli waqt it-tqattigħ tal-kontorn, id-direzzjoni tal-polarizzazzjoni tar-raġġ għandha tkun imdawra hekk kif tmur madwar il-periferija ta 'biċċa tax-xogħol imdawwar.Għat-tqattigħ tal-folja tal-metall, it-tul fokali ġeneralment ikun 1.5–3 pulzieri (38–76 mm).[7]

Vantaġġi tal-qtugħ bil-lejżer fuq qtugħ mekkaniku jinkludu xogħol aktar faċli u kontaminazzjoni mnaqqsa tal-biċċa tax-xogħol (peress li m'hemm l-ebda tarf tat-tqattigħ li jista 'jiġi kkontaminat mill-materjal jew jikkontamina l-materjal).Il-preċiżjoni tista 'tkun aħjar, peress li r-raġġ tal-lejżer ma jilbesx matul il-proċess.Hemm ukoll ċans imnaqqas li l-materjal li jkun qed jinqata’ jitgħawweġ, peress li s-sistemi tal-lejżer għandhom żona żgħira affettwata mis-sħana.[8]Xi materjali huma wkoll diffiċli ħafna jew impossibbli biex jinqatgħu b'mezzi aktar tradizzjonali.

Il-qtugħ bil-lejżer għall-metalli għandu l-vantaġġi fuq it-tqattigħ tal-plażma li jkun aktar preċiż[9] u juża inqas enerġija meta jaqta' l-folji tal-metall;madankollu, il-biċċa l-kbira tal-lejżers industrijali ma jistgħux jaqtgħu l-ħxuna tal-metall akbar li l-plażma tista '.Magni tal-laser aktar ġodda li joperaw b'qawwa ogħla (6000 watt, b'kuntrast mal-klassifikazzjonijiet ta '1500 watt tal-magni bikrija tal-qtugħ bil-lejżer) qed joqorbu lejn magni tal-plażma fil-kapaċità tagħhom li jaqtgħu materjali ħoxnin, iżda l-ispiża kapitali ta' magni bħal dawn hija ħafna ogħla minn dik tal-plażma magni li jaqtgħu kapaċi jaqtgħu materjali ħoxnin bħal pjanċa tal-azzar.[10]

Tipi

4000 watt CO2 laser cutter
Hemm tliet tipi ewlenin ta 'lejżers użati fil-qtugħ bil-lejżer.Il-lejżer CO2 huwa adattat għall-qtugħ, it-tħaffir u l-inċiżjoni.Il-lejżers tan-neodimju (Nd) u tan-neodimju ittriju-aluminju-granata (Nd:YAG) huma identiċi fl-istil u jvarjaw biss fl-applikazzjoni.Nd jintuża għat-tħaffir u fejn huma meħtieġa enerġija għolja iżda ripetizzjoni baxxa.Il-laser Nd:YAG jintuża fejn hija meħtieġa qawwa għolja ħafna u għat-tħaffir u l-inċiżjoni.Kemm CO2 kif ukoll lejżers Nd/Nd:YAG jistgħu jintużaw għall-iwweldjar.[11]

Lejżers tas-CO2 huma komunement "ippumpjati" billi jgħaddu kurrent mit-taħlita tal-gass (eċċitati DC) jew jużaw enerġija ta 'frekwenza tar-radju (eċċitati RF).Il-metodu RF huwa aktar ġdid u sar aktar popolari.Peress li d-disinji DC jeħtieġu elettrodi ġewwa l-kavità, jistgħu jiltaqgħu ma 'erożjoni ta' l-elettrodu u kisi ta 'materjal ta' elettrodu fuq oġġetti tal-ħġieġ u ottiċi.Peress li r-reżonaturi RF għandhom elettrodi esterni mhumiex suxxettibbli għal dawk il-problemi.Lejżers tas-CO2 jintużaw għat-tqattigħ industrijali ta 'ħafna materjali inklużi titanju, azzar li ma jissaddadx, azzar ħafif, aluminju, plastik, injam, injam maħdum, xama', drappijiet u karta.Lejżers YAG huma primarjament użati għall-qtugħ u l-iskrib metalli u ċeramika.[12]

Minbarra s-sors tal-enerġija, it-tip ta 'fluss tal-gass jista' jaffettwa l-prestazzjoni wkoll.Varjanti komuni tal-lejżers tas-CO2 jinkludu fluss assjali veloċi, fluss assjali bil-mod, fluss trasversali u ċangatura.F'resonatur ta 'fluss axjali veloċi, it-taħlita ta' dijossidu tal-karbonju, elju u nitroġenu hija ċċirkolata b'veloċità għolja minn turbina jew blower.Lejżers tal-fluss trasversali jiċċirkolaw it-taħlita tal-gass b'veloċità aktar baxxa, li jeħtieġu blower aktar sempliċi.Ir-reżonaturi mkessħa b'ċangatura jew b'diffużjoni għandhom qasam tal-gass statiku li ma jeħtieġ l-ebda pressurizzazzjoni jew oġġetti tal-ħġieġ, li jwassal għal iffrankar fuq turbini u oġġetti tal-ħġieġ ta 'sostituzzjoni.

Il-ġeneratur tal-lejżer u l-ottika esterna (inkluża l-lenti tal-fokus) jeħtieġu tkessiħ.Skont id-daqs u l-konfigurazzjoni tas-sistema, is-sħana mormija tista 'tiġi trasferita minn likwidu li jkessaħ jew direttament fl-arja.L-ilma huwa likwidu li jkessaħ użat b'mod komuni, ġeneralment iċċirkolat permezz ta 'chiller jew sistema ta' trasferiment tas-sħana.

laser microjet huwa laser iggwidat bil-ġett tal-ilma li fih raġġ tal-lejżer pulsat huwa akkoppjat f'ġett tal-ilma bi pressjoni baxxa.Dan jintuża biex iwettaq funzjonijiet ta 'qtugħ tal-lejżer waqt li juża l-ġett tal-ilma biex jiggwida r-raġġ tal-lejżer, bħal fibra ottika, permezz ta' riflessjoni interna totali.Il-vantaġġi ta 'dan huma li l-ilma jneħħi wkoll id-debris u jkessaħ il-materjal.Vantaġġi addizzjonali fuq it-tqattigħ bil-lejżer tradizzjonali "niexef" huma veloċitajiet għoljin ta' dicing, kerf parallel, u qtugħ omnidirezzjonali.[13]

Lejżers tal-fibra huma tip ta 'lejżer ta' stat solidu li qed jikber malajr fl-industrija tal-qtugħ tal-metall.B'differenza mis-CO2, it-teknoloġija tal-fibra tutilizza mezz ta 'qligħ solidu, għall-kuntrarju ta' gass jew likwidu.Il-"laser taż-żerriegħa" jipproduċi r-raġġ tal-lejżer u mbagħad jiġi amplifikat f'fibra tal-ħġieġ.B'wavelength ta '1064 nanometri biss lejżers tal-fibra jipproduċu daqs tal-post estremament żgħir (sa 100 darba iżgħar meta mqabbel mas-CO2) li jagħmilha ideali biex jaqtgħu materjal tal-metall li jirrifletti.Dan huwa wieħed mill-vantaġġi ewlenin tal-Fiber meta mqabbel mas-CO2.[14]

Il-benefiċċji tal-fibre laser cutter jinkludu: -

Ħinijiet ta 'proċessar rapidu.
Konsum tal-enerġija u kontijiet imnaqqsa – minħabba effiċjenza akbar.
Affidabilità u prestazzjoni akbar - l-ebda ottika biex taġġusta jew tallinja u l-ebda lampi biex tissostitwixxi.
Manutenzjoni minima.
Il-kapaċità li tipproċessa materjali li jirriflettu ħafna bħar-ram u ram
Produttività ogħla – spejjeż operattivi aktar baxxi joffru qligħ akbar fuq l-investiment tiegħek.[15]

Metodi
Hemm ħafna metodi differenti fil-qtugħ bl-użu tal-lejżers, b'tipi differenti użati biex jaqtgħu materjal differenti.Uħud mill-metodi huma l-vaporizzazzjoni, id-dewweb u l-blow, id-dewweb blow and burn, il-qsim tal-istress termali, l-iskrizzjoni, it-tqattigħ kiesaħ u l-qtugħ tal-lejżer stabbilizzat bil-ħruq.

Qtugħ tal-vaporizzazzjoni
Fil-qtugħ tal-vaporizzazzjoni, ir-raġġ iffukat isaħħan il-wiċċ tal-materjal sal-punt ta 'flashpoint u jiġġenera toqba tas-serratura.Il-keyhole twassal għal żieda f'daqqa fl-assorbiment malajr tapprofondixxi t-toqba.Hekk kif it-toqba tapprofondixxi u l-materjal jagħli, il-fwar iġġenerat jonqos il-ħitan imdewweb blowing eject 'il barra u jkompli jkabbar it-toqba.Materjal li ma jdubx bħall-injam, il-karbonju u l-plastiks termosett normalment jinqatgħu b'dan il-metodu.
Dewweb u daqqa
Dewweb u blow jew qtugħ tal-fużjoni juża gass bi pressjoni għolja biex jonfoħ materjal imdewweb miż-żona tat-tqattigħ, u jnaqqas ħafna l-ħtieġa tal-enerġija.L-ewwel il-materjal jissaħħan sal-punt tat-tidwib imbagħad jet tal-gass jonfoħ il-materjal imdewweb mill-kerf u jevita l-ħtieġa li tgħolli t-temperatura tal-materjal aktar.Materjali maqtugħin b'dan il-proċess huma ġeneralment metalli.

Stress termali qsim
Materjali fraġli huma partikolarment sensittivi għall-ksur termali, karatteristika sfruttata fil-qsim tal-istress termali.Raġġ huwa ffokat fuq il-wiċċ li jikkawża tisħin lokalizzat u espansjoni termali.Dan jirriżulta fi qasma li mbagħad tista 'tiġi ggwidata billi tmexxi r-raġġ.Ix-xquq jista 'jiġi mċaqlaq f'ordni ta' m/s.Normalment jintuża fil-qtugħ tal-ħġieġ.

Stealth dicing ta 'wejfers tas-silikon
Aktar informazzjoni: Wafer dicing
Is-separazzjoni ta 'ċipep mikroelettroniċi kif ippreparat fil-fabbrikazzjoni ta' apparat semikonduttur minn wejfers tas-silikon tista 'titwettaq mill-hekk imsejjaħ proċess stealth dicing, li jopera b'laser Nd:YAG pulsat, li l-wavelength tiegħu (1064 nm) huwa adattat tajjeb għall-elettronika band gap tas-silikon (1.11 eV jew 1117 nm).

Qtugħ reattiv
Imsejjaħ ukoll "qtugħ tal-gass tal-laser stabilizzat tal-ħruq", "qtugħ tal-fjammi".Qtugħ reattiv huwa bħal qtugħ ta 'torċ ta' l-ossiġnu iżda b'raġġ tal-lejżer bħala s-sors ta 'tqabbid.L-aktar użat għat-tqattigħ tal-azzar tal-karbonju fi ħxuna ta 'aktar minn 1 mm.Dan il-proċess jista 'jintuża biex jaqta' pjanċi tal-azzar ħoxnin ħafna b'qawwa tal-lejżer relattivament żgħira.

Tolleranzi u finitura tal-wiċċ
Cutters tal-lejżer għandhom preċiżjoni tal-pożizzjonament ta '10 mikrometri u ripetibbiltà ta' 5 mikrometri. [ċitazzjoni meħtieġa]

Il-ħruxija standard Rz tiżdied mal-ħxuna tal-folja, iżda tonqos bil-qawwa tal-lejżer u l-veloċità tat-tqattigħ.Meta taqta 'azzar b'karbonju baxx b'qawwa tal-lejżer ta' 800 W, il-ħruxija standard Rz hija ta '10 μm għal ħxuna tal-folja ta' 1 mm, 20 μm għal 3 mm, u 25 μm għal 6 mm.

{\displaystyle Rz={\frac {12.528\cdot S^{0.542}}{P^{0.528}\cdot V^{0.322}}}}{\displaystyle Rz={\frac {12.528\cdot S^{0.542 }}{P^{0.528}\cdot V^{0.322}}}}
Fejn: {\displaystyle S=}S= ħxuna tal-folja tal-azzar f'mm;{\displaystyle P=}P= qawwa tal-lejżer f'kW (xi laser cutters ġodda għandhom qawwa tal-lejżer ta' 4 kW);{\displaystyle V=}V= veloċità tat-tqattigħ f'metri kull minuta.[16]

Dan il-proċess huwa kapaċi jżomm tolleranzi pjuttost qrib, ħafna drabi sa 0.001 pulzier (0.025 mm).Il-ġeometrija tal-parti u s-saħħa mekkanika tal-magna għandhom ħafna x'jaqsmu mal-kapaċitajiet ta 'tolleranza.Il-finitura tipika tal-wiċċ li tirriżulta minn qtugħ tar-raġġ tal-lejżer tista 'tvarja minn 125 sa 250 mikro-pulzier (0.003 mm sa 0.006 mm).[11]

Konfigurazzjonijiet tal-magni

Lejżer ottiċi li jtajru b'pallet doppju

Flying ottika ras tal-laser
Ġeneralment hemm tliet konfigurazzjonijiet differenti ta 'magni tal-qtugħ bil-lejżer industrijali: materjal li jiċċaqlaq, ibridi, u sistemi ottiċi li jtajru.Dawn jirreferu għall-mod kif ir-raġġ tal-lejżer jitmexxa fuq il-materjal li jrid jinqata 'jew jiġi pproċessat.Għal dawn kollha, l-assi tal-moviment huma tipikament indikati assi X u Y.Jekk ir-ras tat-tqattigħ tista 'tiġi kkontrollata, hija indikata bħala l-assi Z.

Lejżers tal-materjal li jiċċaqilqu għandhom ras tat-tqattigħ stazzjonarji u jmexxu l-materjal taħtha.Dan il-metodu jipprovdi distanza kostanti mill-ġeneratur tal-lejżer sal-biċċa tax-xogħol u punt wieħed minn fejn tneħħi l-effluwent tat-tqattigħ.Hija teħtieġ inqas ottika, iżda teħtieġ li tiċċaqlaq il-biċċa tax-xogħol.Din il-magna tal-istil għandha tendenza li jkollha l-inqas ottika tal-kunsinna tar-raġġ, iżda għandha wkoll it-tendenza li tkun l-aktar bil-mod.

Lejżers ibridi jipprovdu tabella li tiċċaqlaq f'assi wieħed (ġeneralment l-assi X) u tmexxi r-ras tul l-assi iqsar (Y).Dan jirriżulta f'tul tal-mogħdija ta' konsenja tar-raġġ aktar kostanti minn magna ottika li ttir u jista' jippermetti sistema ta' konsenja tar-raġġ aktar sempliċi.Dan jista 'jirriżulta f'telf ta' enerġija mnaqqsa fis-sistema tal-kunsinna u aktar kapaċità għal kull watt minn magni tal-ottika li jtajru.

Lejżers ottiċi li jtajru għandhom mejda wieqfa u ras tal-qtugħ (b'raġġ tal-lejżer) li timxi fuq il-biċċa tax-xogħol fiż-żewġ dimensjonijiet orizzontali.It-tqattigħ tal-ottiki li jtajru jżommu l-biċċa tax-xogħol wieqfa waqt l-ipproċessar u ħafna drabi ma jeħtiġux ikklampjar tal-materjal.Il-massa li tiċċaqlaq hija kostanti, għalhekk id-dinamika mhix affettwata minn daqs li jvarja tal-biċċa tax-xogħol.Magni tal-ottika li jtajru huma l-aktar tip mgħaġġel, li huwa vantaġġuż meta jaqtgħu biċċiet tax-xogħol irqaq.[17]

Magni ottiċi li jtajru għandhom jużaw xi metodu biex iqisu t-tul tar-raġġ li qed jinbidel minn qtugħ ta 'kamp qrib (qrib tar-resonatur) għal qtugħ ta' kamp imbiegħed (bogħod mir-resonatur).Metodi komuni għall-kontroll ta 'dan jinkludu kollimazzjoni, ottika adattiva jew l-użu ta' assi tat-tul tar-raġġ kostanti.

Magni ta 'ħames u sitt assi jippermettu wkoll qtugħ ta' biċċiet tax-xogħol iffurmati.Barra minn hekk, hemm diversi metodi ta 'orjentament tar-raġġ tal-lejżer għal biċċa tax-xogħol iffurmata, iż-żamma ta' distanza xierqa ta 'fokus u standoff taż-żennuna, eċċ.

Pulsazzjoni
Lejżers pulsati li jipprovdu fqigħ ta 'enerġija ta' qawwa għolja għal perjodu qasir huma effettivi ħafna f'xi proċessi ta 'qtugħ bil-lejżer, partikolarment għat-titqib, jew meta huma meħtieġa toqob żgħar ħafna jew veloċitajiet ta' qtugħ baxxi ħafna, peress li jekk intuża raġġ tal-lejżer kostanti, is-sħana tista 'tilħaq il-punt li tidwib il-biċċa kollha li tkun qed tinqata'.

Il-biċċa l-kbira tal-lejżers industrijali għandhom il-kapaċità li jimpulsaw jew jaqtgħu CW (mewġa kontinwa) taħt il-kontroll tal-programm NC (kontroll numeriku).

Lejżers tal-polz doppju jużaw serje ta 'pari tal-polz biex itejbu r-rata tat-tneħħija tal-materjal u l-kwalità tat-toqba.Essenzjalment, l-ewwel polz ineħħi materjal mill-wiċċ u t-tieni jipprevjeni l-ejecta milli jeħel mal-ġenb tat-toqba jew qatgħa.[18]