** برش لیزر و اصول سیستم پردازش آن

**II. ترکیب تجهیزات برش لیزر**

**2.1 اجزای و اصل کار ماشین های برش لیزر**

یک ماشین برش لیزری شامل یک ژنراتور لیزر، سر برش، اجزای انتقال پرتو، میز کار ابزار ماشین، سیستم CNC، کامپیوتر (هارد و نرم افزار) ، کولر، بطری های گاز محافظ،دستگاه استخراج گرد و غبار، و خشک کن هوا، در میان قطعات دیگر.

1. ** ژنراتور لیزر:** این دستگاهی است که منبع لیزر را تولید می کند. برای برنامه های برش لیزر، به جز در موارد کمی که از لیزرهای جامد YAG استفاده می شود،اکثریت از لیزرهای گازی CO2 به دلیل کارایی تبدیل الکترو اپتیکال بالاتر و توانایی تولید قدرت بالاتر استفاده می کنند.از آنجا که برش لیزر دارای الزامات بسیار بالایی برای کیفیت پرتو است، همه لیزرها برای برش مناسب نیستند.

2. ** سر برش: ** عمدتا شامل اجزای مانند نوزل، لنز تمرکز و سیستم ردیابی تمرکز است.دستگاه درایو سر برش برای رانندگی سر برش در امتداد محور Z با توجه به برنامه استفاده می شود، متشکل از اجزای مانند یک سرو موتور و پیچ سرب یا دنده.

* (1) ** نوزل:** انواع نوزل عمدتاً شامل سه شکل است: موازی ، همگرای و مخروطی.

* (2) **فوکوس کردن لنز:** برای استفاده از انرژی پرتو لیزر برای برش، پرتو خام منتشر شده از لیزر باید توسط یک لنز متمرکز شود تا نقطه ای با چگالی انرژی بالا را تشکیل دهد.لنزهای فوکال متوسط و طولانی برای برش صفحه ضخیم مناسب هستند و الزامات کمتری برای ثبات فاصله سیستم ردیابی دارندلنز های فوکال کوتاه فقط برای صفحه های نازک زیر 3 میلی متر مناسب هستند.آنها الزامات سختگیرانه ای برای ثبات فاصله سیستم ردیابی دارند اما می توانند به طور قابل توجهی قدرت خروجی لیزر مورد نیاز را کاهش دهند..

* (3) ** سیستم ردیابی:** سیستم ردیابی تمرکز ماشین برش لیزر به طور کلی شامل سر برش متمرکز و سیستم سنسور ردیابی است.سر برش شامل قطعات برای هدایت نور و تمرکز، خنک کننده آب، گاز و تنظیم مکانیکی. سنسور شامل عنصر حسگر و بخش های کنترل تقویت کننده است. بسته به عنصر حسگر،سیستم های ردیابی کاملا متفاوت هستنددر درجه اول، دو شکل وجود دارد: سیستم های ردیابی سنسور ظرفیت (بدون تماس) و سیستم های ردیابی سنسور تحرک (تماس).

3. ** اجزای انتقال پرتو (مسیر نور خارجی):** آینه های منعکس کننده و بازتاب دهنده برای هدایت لیزر به سمت مورد نظر استفاده می شوند. برای جلوگیری از شکست مسیر پرتو،تمام آینه ها توسط پوشش محافظت می شوند و با پاک کننده های تمیز تامین می شوند.، گاز محافظ فشار مثبت برای جلوگیری از آلودگی. یک لنز با کیفیت بالا یک شعاع بدون زاویه انحراف را در یک نقطه بسیار کوچک متمرکز می کند.لنز با فاصله کانونی 0 اینچی معمولا استفاده می شودیک لنز 7.5 اینچی فقط برای مواد >12 میلی متر استفاده می شود.

4. ** میز کار ابزار ماشین (مکان میزبان):** بخش مکانیکی ماشین برش لیزر که حرکت را در امتداد محور X، Y و Z، از جمله بستر کار برش، امکان پذیر می کند.

5. **سیستم CNC:** کنترل ابزار ماشین برای دستیابی به حرکت محور X، Y، Z و همچنین کنترل قدرت خروجی لیزر.

6. ** سیستم خنک کننده ( واحد خنک کننده):** برای خنک کردن ژنراتور لیزر استفاده می شود. لیزر یک دستگاه است که انرژی الکتریکی را به انرژی نور تبدیل می کند. به عنوان مثالنرخ تبدیل لیزر گاز CO2 معمولاً 20٪ استآب خنک کننده گرمای اضافی را برای حفظ عملکرد عادی از بین می برد.کولر همچنین آینه های مسیر نور خارجی و لنز تمرکز را خنک می کند تا کیفیت انتقال پرتو پایدار را تضمین کند و به طور موثر از تغییر شکل یا ترک لنز به دلیل دمای بیش از حد جلوگیری کند.

7. ** بطری های گاز:** شامل بطری های گاز متوسط کار دستگاه برش لیزر و بطری های گاز کمکی است.برای پر کردن گاز های صنعتی برای نوسان لیزر و تامین گاز های کمکی به سر برش استفاده می شود.

8. **سیستم استخراج گرد و غبار:** دود و گرد و غبار تولید شده در طول پردازش را استخراج می کند و آنها را فیلتر می کند تا انتشار گازهای خروجی با استانداردهای زیست محیطی مطابقت داشته باشد.

9. ** خشک کن و فیلتر خنک کننده هوا:** هوا پاک و خشک را به ژنراتور لیزر و مسیر پرتو برای حفظ عملکرد طبیعی مسیر و آینه ها تامین می کند.

**2.2 مشعل برش لیزر**

ساختار طرحی یک مشعل برش لیزر در شکل زیر نشان داده شده است، عمدتا از بدن مشعل، لنز تمرکز، آینه و نوزل گاز کمکی تشکیل شده است.چراغ باید الزامات زیر را برآورده کند::

1 فانوس باید بتواند جریان گازی کافی را خارج کند.

2 جهت پرتاب گاز در داخل مشعل باید با محور نوری آینه هم محوری باشد.

3 فاصله کانونی فانوس باید به راحتی تنظیم شود.

۴- در هنگام برش، مطمئن شوید که بخار فلزی و پاشنه های ناشی از برش به آینه آسیب نمی رساند.

حرکت مشعل از طریق سیستم حرکت CNC تنظیم می شود. حرکت نسبی بین مشعل و قطعه کار می تواند در سه وضعیت رخ دهد:

1 مشعل ثابت است و قطعه کار از طریق میز کار حرکت می کند (به طور عمده برای قطعات کوچکتر).

۲- قطعه ی کاری ایستاده است و مشعل حرکت می کند.

۳- هم مشعل و هم میز کار همزمان حرکت می کنند.

**2.2.1 سر برش**

سر برش لیزر در انتهای سیستم انتقال پرتو قرار دارد و شامل لنز تمرکز و نوزل برش است.

لنز های فوکوس در درجه اول با فاصله کانونی خود متمایز می شوند. اکثر تجهیزات برش لیزر با چندین سر برش با فاصله کانونی مختلف مجهز هستند.به عنوان مثال برش لیزر CO2، فاصله های کانونی رایج 127mm (5in) و 190mm (7.5in) هستند. یک لنز با فاصله کانونی کوتاه نقطه کانونی کوچک و عمق کانونی کوتاه را تولید می کند.که برای کاهش عرض برش و به دست آوردن برش ظریف تر مفید استیک لنز با فاصله فوکال طولانی باعث می شود نقطه فوکال بزرگتر و عمق فوکس بیشتر باشد. در مقایسه با لنز با فاصله فوکال کوتاه،یک لنز با فاصله کانونی طولانی می تواند الزامات تراکم انرژی پرتو متمرکز را در نزدیکی نقطه کانونی در محدوده ضخامت مواد بزرگتر برآورده کند.بنابراین لنزهای با فاصله فوکوس کوتاه بیشتر برای برش نازک ورق های نازک استفاده می شوند، در حالی که مواد ضخیم تر نیاز به لنزهای با فاصله فوکوس طولانی برای به دست آوردن عمق فوکوس کافی دارند.اطمینان از اینکه تغییر قطر نقطه در محدوده ضخامت برش حداقل است و چگالی قدرت کافی حفظ می شود.

لنز تمرکز برای تمرکز پرتو لیزر موازی که وارد مشعل می شود برای به دست آوردن یک نقطه کوچک و تراکم قدرت بالا استفاده می شود. لنز از موادی ساخته شده است که طول موج لیزر را انتقال می دهد.لیزرهای حالت جامد معمولا از شیشه نوری استفاده می کننددر حالی که لیزرهای گاز CO2 که نمی توانند از طریق شیشه معمولی منتقل شوند، از مواد مانند ZnSe، GaAs و Ge استفاده می کنند، که ZnSe رایج ترین است.

برای برش لیزر، یک قطر نقطه به عنوان کوچک به عنوان ممکن است، به عنوان این افزایش تراکم قدرت، تسهیل برش با سرعت بالا خواسته می شود.عمق تمرکز نیز کوچکتر می شودهمچنین با فاصله کانونی کوچکتر لنز، فاصله بین لنز و قطعه کار کاهش می یابد.,که باعث می شود لنز در هنگام برش در معرض آلودگی با اسپرت و سایر مواد ذوب شده باشد و عملکرد عادی را تحت تاثیر قرار دهد.فاصله کانونی مناسب باید با در نظر گرفتن جامع عوامل مانند ضخامت برش و الزامات کیفیت تعیین شود..

**2.2.2 آینه**

عملکرد آینه این است که جهت پرتو ناشی از لیزر را تغییر دهد. برای پرتو های لیزرهای جامد، آینه های ساخته شده از شیشه نوری استفاده می شود،در حالی که آینه ها در دستگاه های برش لیزر گاز CO2 اغلب از مس یا فلزات با بازتاب بالا ساخته شده انددر طول استفاده، آینه ها معمولاً با آب خنک می شوند تا از آسیب ناشی از گرم شدن بیش از حد در اثر قرار گرفتن در معرض نور جلوگیری شود.

**2.2.3 نوزل**

نوزل برای پرتاب گاز کمکی به منطقه برش استفاده می شود. شکل ساختاری آن بر بهره وری و کیفیت برش تأثیر می گذارد. شکل 4.11 نشان می دهد اشکال نوزل رایج مورد استفاده در برش لیزر؛ اشکال سوراخ جت شامل انواع استوانه ای، مخروطی و همگرایی (دلاوال) است.

انتخاب نوزل به طور کلی پس از آزمایش بر اساس مواد قطعه کار، ضخامت، فشار گاز کمکی و غیره تعیین می شود.برش لیزر به طور کلی از نوزل های کواکسیال (جریان گاز کواکسیال با محور نوری) استفاده می کند. اگر جریان گاز با شعاع هم محوری نباشد ، می تواند به راحتی اسپری قابل توجهی را در هنگام برش ایجاد کند.دیواره حفره نوزل باید صاف باشد تا جریان گاز صاف را تضمین کند و از تأثیر بر کیفیت برش به دلیل آشفتگی جلوگیری کندبرای اطمینان از ثبات فرآیند برش، فاصله از صورت نوزل به سطح قطعه باید به حداقل برسد، اغلب به 0.5 ~ 2.0mm گرفته می شود.سوراخ نوزل باید اجازه دهد تا پرتو لیزر بدون مانع از طریق عبور، اجتناب از شعاع لمس دیواره داخلی نوزل. کوچکتر دیافراگم، سخت تر collimation شعاع می شود. در یک فشار گاز کمکی خاص،طیف مطلوبی از قطرات دیافراگم نوزل وجود دارد.اگر دیافراگم خیلی کوچک یا خیلی بزرگ باشد، بر حذف محصولات ذوب شده از محور تاثیر می گذارد و همچنین بر سرعت برش تاثیر می گذارد.

تاثیر دیافراگم نوزل بر سرعت برش تحت قدرت لیزر خاص و فشار گاز کمکی در شکل های 4.12 و 4 نشان داده شده است.13. می توان دید که یک دیافراگم نوزل بهینه وجود دارد که حداکثر سرعت برش را به دست می آورد. این که آیا اکسیژن یا آرگون به عنوان گاز کمکی استفاده می شود ، این مقدار بهینه تقریباً 1.5 میلی متر است.

آزمایش های برش لیزر بر روی مواد دشوار برای برش مانند کربید سیمان نشان می دهد که دیافراگم نوزل بهینه بسیار نزدیک به نتیجه فوق است، همانطور که در شکل 4 نشان داده شده است.14در صورت استفاده از این دستگاه، در صورت استفاده از این دستگاه، در صورت استفاده از این دستگاه، در صورت استفاده از این دستگاه، در صورت استفاده از این دستگاه، در صورت استفاده از این دستگاه، در صورت استفاده از این دستگاه، در صورت استفاده از این دستگاه، در صورت استفاده از این دستگاه، در صورت استفاده از این دستگاه، در صورت استفاده از این دستگاه، در صورت استفاده از این دستگاه، در صورت استفاده از این دستگاه، در صورت استفاده از این دستگاه، در صورت استفاده از این دستگاه، در صورت استفاده از این دستگاه، در صورت استفاده از این دستگاه، در صورت استفاده از این دستگاه، در صورت استفاده از این دستگاه، در صورت استفاده از این دستگاه، در صورت استفاده از این دستگاه، در صورت استفاده از این دستگاه، در صورت استفاده از این دستگاه، در صورت استفاده از این دستگاه، در صورت استفاده از این دستگاه، در صورت استفاده از این دستگاه، در صورت استفاده از این دستگاه، در صورت استفاده از این دستگاه، در صورت استفاده از این دستگاه، در صورت استفاده از این دستگاه، در صورت استفاده از این دستگاه، در صورت استفاده از این دستگاه، در صورت استفاده از این دستگاه، در صورت استفاده از این دستگاه، در صورت استفاده از این دستگاه، در صورت استفاده از این دستگاه، در صورت استفاده15، با افزایش دیافراگم نوزل، حاشیه گسترش می یابد در حالی که HAZ باریک می شود.دلیل اصلی برای باریک شدن HAZ افزایش اثر خنک کننده جریان گاز کمکی بر روی مواد پایه در منطقه برش است.

**2.3 پارامترهای تجهیزات برش لیزر**

**2.3.1 تجهیزات برش با فلاش**

در تجهیزات برش مشعل، مشعل برش بر روی یک گانتری متحرک نصب شده و به صورت متقاطع (به سمت Y) در امتداد پرتوی گانتری حرکت می کند. گانتری مشعل را در امتداد جهت X حرکت می دهد،و قطعه کار بر روی میز برش ثابت می شوداز آنجا که منبع لیزر از مشعل جدا شده است، در طول برش، ویژگی های انتقال لیزر، موازی در امتداد جهت اسکن پرتو،و ثبات آینه های بازتاب دهنده ممکن است تحت تاثیر قرار گیرد.

تجهیزات مشعل محور می توانند قطعات بزرگتر را پردازش کنند، به طور نسبی فضای کف کمتری برای منطقه تولید برش نیاز دارند و می توانند به راحتی با تجهیزات دیگر در خطوط تولید ادغام شوند.,دقت موقعیت مکانی معمولاً حدود ±0.04mm است.

ساختار معمولی تجهیزات برش با فلاش نشان داده شده در شکل 4 است.19در این مثال از یک برش لیزر موج مداوم CO2 استفاده می شود، با فاصله انتقال پرتو 18 متر از منبع لیزر به مشعل.برای اطمینان از این که تغییرات در شکل پرتو در این فاصله مانع از برش، ترکیب آینه های نوسانگر باید با دقت طراحی شود.

پارامترهای فنی اصلی تجهیزات مشعل:

* قدرت خروجی لیزر: 1.5kW (طریقه تک) ، 3kW (متعدد حالت).

* سفر مشعل: محور X 6.2m، محور Y 2.6m.

* سرعت راننده: 0 ~ 10m / min (تنظیم پذیر).

* ارتفاع مشعل (محور Z) حرکت شناور: 150mm.

* سرعت تنظیم ارتفاع مشعل: 300mm/min.

* حداکثر اندازه صفحه فولاد قابل پردازش: ضخامت 12mm * 2400mm * 6000mm.

* تجهیزات کنترل: روش کنترل CNC یکپارچه

**2.3.2 تجهیزات XY Coordinate Cutting Table-driven** دستگاه های XY Coordinate Cutting Table-driven

در تجهیزات XY مختص برش میز رانده شده، مشعل بر روی قاب ماشین ثابت می شود و قطعه کار بر روی میز برش قرار می گیرد.میز برش حرکت بر اساس دستورالعمل های NC در امتداد X و Y جهتسرعت محرک به طور کلی 0 ~ 1m / min (تنظیم پذیر) یا 0 ~ 5m / min (تنظیم پذیر) است. از آنجا که مشعل نسبت به قطعه کار ثابت است، تراز پرتو لیزر در هنگام برش کمتر تحت تاثیر قرار می گیرد.اجازه دادن به برش های یکنواخت و پایدارهنگامی که اندازه میز برش کوچک است و دقت مکانیکی بالا است، دقت موقعیت می تواند ± 0.01mm باشد، که منجر به دقت برش عالی می شود.که آن را به ویژه برای برش دقیق قطعات کوچک مناسب می کندهمچنین جداول برش با محور X 2300 ~ 2400mm و محور Y 1200 ~ 1300mm برای پردازش قطعات بزرگتر وجود دارد.

پارامترهای فنی اصلی برای تجهیزات XY:

* لیزر: لیزر گاز CO2 (نوع لوله مستقیم نیمه بسته)

* منبع برق لیزر: ولتاژ ورودی 200V AC، ولتاژ خروجی 0 ~ 30kV، حداکثر جریان خروجی 100mA.

* قدرت خروجی لیزر: 550W

* سفر میز برش: محور X 2300mm، محور Y 1300mm.

* سرعت میز برش: 0.4 ~ 5.0 m / min، 0.2 ~ 2.5 m / min، 0.1 ~ 1.3 m / min، 0.05 ~ 0.6 m / min.

* ارتفاع مشعل (محور Z) حرکت شناور: 180mm.

* حداکثر اندازه ورق قابل پردازش: ضخامت 6mm * 1300mm * 2300mm.

* تجهیزات کنترل: روش NC.

**2.3.3 تجهیزات برش دو طرفه با مشعل و میز**

تجهیزات برش دو محرک میز مشعل ترکیبی از انواع مشعل محرک و میز XY است. مشعل بر روی یک گارتری نصب شده و به صورت متقاطع (به سمت Y) در امتداد پرتوی گارتری حرکت می کند،در حالی که میز برش به صورت طولی حرکت می کند (به سمت X). آن را ترکیبی از مزایای دقت برش بالا و صرفه جویی در فضا. دقت موقعیت ± 0.01mm است، محدوده تنظیم سرعت برش 0 ~ 20m / min است،که آن را به طور گسترده ای استفاده می شود نوع تجهیزات برشمدل های بزرگتر از این نوع می توانند سفر محور Y 2000mm و سفر محور X 6000mm داشته باشند، قادر به برش قطعات بزرگ.

در برخی از طرح ها، نوسان دهنده لیزری نیز در کنار مشعل بر روی گانتری نصب شده است. دقت برای برش سوراخ های دایره ای با تجهیزات دو محرک بسیار خوب است.بهره وری تولید نیز بالاستبه عنوان مثال، می تواند 46 سوراخ قطر 10 میلی متر در دقیقه را در صفحه فولادی 1 میلی متر ضخیم برش دهد.

**2.3.4 تجهیزات برش یکپارچه**

در تجهیزات برش یکپارچه، منبع لیزر بر روی قاب ماشین نصب شده و در طول آن حرکت می کند،در حالی که مشعل و مکانیسم محرک آن یک واحد را تشکیل می دهد که به صورت متقاطع بر روی پرتوی قاب حرکت می کند. با استفاده از CNC، بخش های مختلف شکل می تواند برش داده شود. برای جبران تغییر در طول مسیر نوری ناشی از حرکت متقابل مشعل،یک قطعه تنظیم طول مسیر نوری معمولاً مجهز است، تضمین یک پرتو یکنواخت در سراسر منطقه برش و حفظ کیفیت سطح برش سازگار.