Cyflwyno torri laser

Mae torri laser yn dechnoleg sy'n defnyddio laser i anweddu deunyddiau, gan arwain at dorri ymyl.Er ei fod yn cael ei ddefnyddio fel arfer ar gyfer cymwysiadau gweithgynhyrchu diwydiannol, mae bellach yn cael ei ddefnyddio gan ysgolion, busnesau bach, pensaernïaeth a hobïwyr.Mae torri laser yn gweithio trwy gyfeirio allbwn laser pŵer uchel yn fwyaf cyffredin trwy opteg.Defnyddir yr opteg laser a CNC (rheolaeth rifiadol cyfrifiadurol) i gyfeirio'r pelydr laser i'r deunydd.Mae laser masnachol ar gyfer torri deunyddiau yn defnyddio system rheoli symudiadau i ddilyn CNC neu god G o'r patrwm i'w dorri ar y deunydd.Mae'r pelydr laser â ffocws yn cael ei gyfeirio at y deunydd, sydd wedyn naill ai'n toddi, yn llosgi, yn anweddu, neu'n cael ei chwythu i ffwrdd gan jet o nwy, [1] gan adael ymyl gyda gorffeniad arwyneb o ansawdd uchel

Hanes
Ym 1965, defnyddiwyd y peiriant torri laser cynhyrchu cyntaf i ddrilio tyllau mewn marw diemwnt.Gwnaethpwyd y peiriant hwn gan Ganolfan Ymchwil Peirianneg Western Electric.[3]Ym 1967, arloesodd Prydain wrth dorri jet ocsigen gyda chymorth laser ar gyfer metelau.[4]Yn gynnar yn y 1970au, rhoddwyd y dechnoleg hon ar waith i dorri titaniwm ar gyfer cymwysiadau awyrofod.Ar yr un pryd, addaswyd laserau CO2 i dorri anfetelau, megis tecstilau, oherwydd, ar y pryd, nid oedd laserau CO2 yn ddigon pwerus i oresgyn dargludedd thermol metelau.[5]

Proses

Torri dur â laser diwydiannol gyda chyfarwyddiadau torri wedi'u rhaglennu trwy ryngwyneb CNC
Yn gyffredinol, mae pelydr laser wedi'i ganolbwyntio gan ddefnyddio lens o ansawdd uchel ar y parth gwaith.Mae ansawdd y trawst yn cael effaith uniongyrchol ar faint y sbot ffocws.Mae rhan gulaf y trawst ffocws yn gyffredinol yn llai na 0.0125 modfedd (0.32 mm) mewn diamedr.Yn dibynnu ar drwch y deunydd, mae lled kerf mor fach â 0.004 modfedd (0.10 mm) yn bosibl.[6]Er mwyn gallu dechrau torri o rywle heblaw'r ymyl, mae twll yn cael ei wneud cyn pob toriad.Mae tyllu fel arfer yn cynnwys pelydr laser pwls pŵer uchel sy'n gwneud twll yn y deunydd yn araf, gan gymryd tua 5-15 eiliad ar gyfer dur gwrthstaen 0.5-modfedd-trwchus (13 mm), er enghraifft.

Mae pelydrau cyfochrog golau cydlynol o'r ffynhonnell laser yn aml yn disgyn yn yr ystod rhwng 0.06-0.08 modfedd (1.5-2.0 mm) mewn diamedr.Mae'r pelydr hwn fel arfer yn cael ei ganolbwyntio a'i ddwysáu gan lens neu ddrych i fan bach iawn o tua 0.001 modfedd (0.025 mm) i greu pelydr laser dwys iawn.Er mwyn cyflawni'r gorffeniad llyfnaf posibl wrth dorri cyfuchliniau, rhaid cylchdroi cyfeiriad polareiddio trawst wrth iddo fynd o amgylch ymyl darn gwaith cyfuchlinol.Ar gyfer torri llenfetel, y hyd ffocal fel arfer yw 1.5–3 modfedd (38–76 mm).[7]

Mae manteision torri laser yn hytrach na thorri mecanyddol yn cynnwys daliad gwaith haws a llai o halogiad o weithfan (gan nad oes unrhyw flaen y gad a all gael ei halogi gan y deunydd neu halogi'r deunydd).Efallai y bydd manylder yn well, gan nad yw'r pelydr laser yn gwisgo yn ystod y broses.Mae llai o siawns hefyd o warpio'r deunydd sy'n cael ei dorri, gan fod gan systemau laser barth bychan y mae gwres yn effeithio arno.[8]Mae rhai deunyddiau hefyd yn anodd iawn neu'n amhosibl eu torri trwy ddulliau mwy traddodiadol.

Mae gan dorri laser ar gyfer metelau fanteision dros dorri plasma o fod yn fwy manwl gywir[9] a defnyddio llai o egni wrth dorri llenfetel;fodd bynnag, ni all y rhan fwyaf o laserau diwydiannol dorri trwy'r trwch metel mwy y gall plasma.Mae peiriannau laser mwy newydd sy'n gweithredu ar bŵer uwch (6000 wat, yn wahanol i gyfraddau 1500 wat peiriannau torri laser cynnar) yn agosáu at beiriannau plasma yn eu gallu i dorri trwy ddeunyddiau trwchus, ond mae cost cyfalaf peiriannau o'r fath yn llawer uwch na chost plasma. peiriannau torri sy'n gallu torri deunyddiau trwchus fel plât dur.[10]

Mathau

Torrwr laser CO2 4000 wat
Defnyddir tri phrif fath o laserau wrth dorri laser.Mae'r laser CO2 yn addas ar gyfer torri, diflasu ac engrafiad.Mae'r laserau neodymium (Nd) a neodymium yttrium-alwminium-garnet (Nd:YAG) yn union yr un fath o ran arddull ac yn wahanol o ran cymhwysiad yn unig.Defnyddir Nd ar gyfer diflas a lle mae angen egni uchel ond ychydig o ailadrodd.Defnyddir y laser Nd:YAG lle mae angen pŵer uchel iawn ac ar gyfer diflasu ac engrafiad.Gellir defnyddio laserau CO2 ac Nd/Nd:YAG ar gyfer weldio.[11]

Mae laserau CO2 yn aml yn cael eu “pwmpio” trwy basio cerrynt trwy'r cymysgedd nwy (DC-gyffrous) neu ddefnyddio egni amledd radio (RF-cyffrous).Mae'r dull RF yn fwy newydd ac wedi dod yn fwy poblogaidd.Gan fod angen electrodau y tu mewn i'r ceudod ar ddyluniadau DC, gallant ddod ar draws erydiad electrod a phlatio deunydd electrod ar lestri gwydr ac opteg.Gan fod gan atseinyddion RF electrodau allanol nid ydynt yn agored i'r problemau hynny.Defnyddir laserau CO2 ar gyfer torri diwydiannol llawer o ddeunyddiau gan gynnwys titaniwm, dur gwrthstaen, dur ysgafn, alwminiwm, plastig, pren, pren peirianyddol, cwyr, ffabrigau, a phapur.Defnyddir laserau YAG yn bennaf ar gyfer torri ac ysgrifennu metelau a serameg.[12]

Yn ogystal â'r ffynhonnell pŵer, gall y math o lif nwy effeithio ar berfformiad hefyd.Mae amrywiadau cyffredin o laserau CO2 yn cynnwys llif echelinol cyflym, llif echelinol araf, llif ardraws, a slab.Mewn cyseinydd llif echelinol cyflym, mae'r cymysgedd o garbon deuocsid, heliwm a nitrogen yn cael ei gylchredeg ar gyflymder uchel gan dyrbin neu chwythwr.Mae laserau llif ardraws yn cylchredeg y cymysgedd nwy ar gyflymder is, sy'n gofyn am chwythwr symlach.Mae gan atseinyddion sydd wedi'u hoeri â slabiau neu drylediad faes nwy sefydlog nad oes angen unrhyw bwysau na llestri gwydr arno, gan arwain at arbedion ar dyrbinau newydd a llestri gwydr.

Mae angen oeri'r generadur laser a'r opteg allanol (gan gynnwys y lens ffocws).Yn dibynnu ar faint a chyfluniad y system, gellir trosglwyddo gwres gwastraff gan oerydd neu'n uniongyrchol i aer.Mae dŵr yn oerydd a ddefnyddir yn gyffredin, a gylchredir fel arfer trwy oerydd neu system trosglwyddo gwres.

Mae microjet laser yn laser dan arweiniad jet dŵr lle mae pelydr laser pwls yn cael ei gysylltu â jet dŵr pwysedd isel.Defnyddir hwn i gyflawni swyddogaethau torri laser wrth ddefnyddio'r jet dŵr i arwain y trawst laser, yn debyg iawn i ffibr optegol, trwy adlewyrchiad mewnol llwyr.Manteision hyn yw bod y dŵr hefyd yn tynnu malurion ac yn oeri'r deunydd.Manteision ychwanegol dros dorri laser “sych” traddodiadol yw cyflymder deisio uchel, kerf cyfochrog, a thorri omnidirectional.[13]

Mae laserau ffibr yn fath o laser cyflwr solet sy'n tyfu'n gyflym yn y diwydiant torri metel.Yn wahanol i CO2, mae technoleg ffibr yn defnyddio cyfrwng ennill solet, yn hytrach na nwy neu hylif.Mae'r “laser hadau” yn cynhyrchu'r pelydr laser ac yna'n cael ei chwyddo o fewn ffibr gwydr.Gyda thonfedd o ddim ond 1064 nanometr, mae laserau ffibr yn cynhyrchu maint sbot bach iawn (hyd at 100 gwaith yn llai o'i gymharu â'r CO2) gan ei wneud yn ddelfrydol ar gyfer torri deunydd metel adlewyrchol.Dyma un o brif fanteision Ffibr o'i gymharu â CO2.[14]

Mae buddion torrwr laser ffibr yn cynnwys: -

Amseroedd prosesu cyflym.
Llai o ddefnydd o ynni a biliau – oherwydd mwy o effeithlonrwydd.
Mwy o ddibynadwyedd a pherfformiad - dim opteg i'w haddasu na'u halinio a dim lampau i'w disodli.
Ychydig iawn o waith cynnal a chadw.
Y gallu i brosesu deunyddiau adlewyrchol iawn fel copr a phres
Cynhyrchiant uwch – mae costau gweithredu is yn cynnig mwy o elw ar eich buddsoddiad.[15]

Dulliau
Mae yna lawer o wahanol ddulliau o dorri gan ddefnyddio laserau, a defnyddir gwahanol fathau i dorri gwahanol ddeunyddiau.Mae rhai o'r dulliau yn anweddu, toddi a chwythu, toddi chwythu a llosgi, cracio straen thermol, sgribio, torri oer a llosgi torri laser sefydlogi.

Torri vaporization
Wrth anweddu mae torri'r trawst â ffocws yn cynhesu wyneb y deunydd i bwynt fflach ac yn cynhyrchu twll clo.Mae twll clo yn arwain at gynnydd sydyn mewn amsugnedd gyflym dyfnhau y twll.Wrth i'r twll ddyfnhau a'r deunydd ferwi, mae anwedd a gynhyrchir yn erydu'r waliau tawdd gan chwythu allan ac ehangu'r twll ymhellach.Mae deunydd nad yw'n toddi fel pren, carbon a phlastigau thermoset fel arfer yn cael eu torri gan y dull hwn.
Toddi a chwythu
Mae toddi a chwythu neu dorri ymasiad yn defnyddio nwy pwysedd uchel i chwythu deunydd tawdd o'r ardal dorri, gan leihau'r gofyniad pŵer yn fawr.Yn gyntaf mae'r deunydd yn cael ei gynhesu i bwynt toddi yna mae jet nwy yn chwythu'r deunydd tawdd allan o'r kerf gan osgoi'r angen i godi tymheredd y deunydd ymhellach.Mae deunyddiau sy'n cael eu torri gyda'r broses hon fel arfer yn fetelau.

Cracio straen thermol
Mae deunyddiau brau yn arbennig o sensitif i hollt thermol, nodwedd sy'n cael ei hecsbloetio mewn cracio straen thermol.Mae trawst yn canolbwyntio ar yr wyneb gan achosi gwresogi lleol ac ehangu thermol.Mae hyn yn arwain at grac y gellir ei arwain wedyn trwy symud y trawst.Gellir symud y crac yn nhrefn m/s.Fe'i defnyddir fel arfer wrth dorri gwydr.

Deisio llechwraidd o wafferi silicon
Gwybodaeth bellach: Wafer dicing
Gellir gwahanu sglodion microelectroneg fel y'i paratowyd mewn gwneuthuriad dyfeisiau lled-ddargludyddion oddi wrth wafferi silicon gan y broses deisio llechwraidd fel y'i gelwir, sy'n gweithredu gyda laser Nd:YAG pwls, y mae ei donfedd (1064 nm) wedi'i addasu'n dda i'r electronig. bwlch band o silicon (1.11 eV neu 1117 nm).

Torri adweithiol
Gelwir hefyd yn “llosgi torri nwy sefydlog â laser”, “torri fflam”.Mae torri adweithiol fel torri tortsh ocsigen ond gyda thrawst laser fel y ffynhonnell danio.Defnyddir yn bennaf ar gyfer torri dur carbon mewn trwch dros 1 mm.Gellir defnyddio'r broses hon i dorri platiau dur trwchus iawn gyda chymharol ychydig o bŵer laser.

Goddefiannau a gorffeniad wyneb
Mae gan dorwyr laser gywirdeb lleoli o 10 micromedr ac ailadroddadwyedd o 5 micromedr.[angen dyfynnu]

Mae garwedd safonol Rz yn cynyddu gyda thrwch y ddalen, ond yn gostwng gyda phŵer laser a chyflymder torri.Wrth dorri dur carbon isel gyda phŵer laser o 800 W, mae garwedd safonol Rz yn 10 μm ar gyfer trwch dalen o 1 mm, 20 μm am 3 mm, a 25 μm am 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}}}}
Ble: {\displaystyle S=}S= trwch llen ddur mewn mm;{\displaystyle P=}P= pŵer laser mewn kW (mae gan rai torwyr laser newydd bŵer laser o 4 kW);{\displaystyle V=}V= cyflymder torri mewn metrau y funud.[16]

Mae'r broses hon yn gallu dal goddefiannau eithaf agos, yn aml o fewn 0.001 modfedd (0.025 mm).Mae gan geometreg rhannol a chadernid mecanyddol y peiriant lawer i'w wneud â galluoedd goddefgarwch.Gall y gorffeniad arwyneb nodweddiadol sy'n deillio o dorri trawst laser amrywio o 125 i 250 micro-modfedd (0.003 mm i 0.006 mm).[11]

Cyfluniadau peiriant

Laser opteg hedfan paled deuol

Pen laser opteg hedfan
Yn gyffredinol, mae yna dri chyfluniad gwahanol o beiriannau torri laser diwydiannol: deunydd symud, hybrid, a systemau opteg hedfan.Mae'r rhain yn cyfeirio at y ffordd y mae'r pelydr laser yn cael ei symud dros y deunydd i'w dorri neu ei brosesu.Ar gyfer pob un o'r rhain, mae echelinau mudiant fel arfer yn cael eu dynodi'n echelinau X ac Y.Os gellir rheoli'r pen torri, fe'i dynodir fel yr echel Z.

Mae gan laserau deunydd symudol ben torri llonydd ac maent yn symud y deunydd oddi tano.Mae'r dull hwn yn darparu pellter cyson o'r generadur laser i'r darn gwaith ac un pwynt i gael gwared ar elifiant torri.Mae angen llai o opteg, ond mae angen symud y darn gwaith.Mae'r peiriant arddull hwn yn dueddol o fod â'r lleiaf o opteg dosbarthu trawst, ond mae hefyd yn dueddol o fod yr arafaf.

Mae laserau hybrid yn darparu bwrdd sy'n symud mewn un echel (fel arfer yr echel X) ac yn symud y pen ar hyd yr echelin fyrrach (Y).Mae hyn yn arwain at hyd llwybr cludo trawst mwy cyson na pheiriant opteg hedfan a gall ganiatáu system cludo trawst symlach.Gall hyn arwain at golli llai o bŵer yn y system ddosbarthu a mwy o gapasiti fesul wat na pheiriannau opteg hedfan.

Mae laserau opteg hedfan yn cynnwys bwrdd llonydd a phen torri (gyda thrawst laser) sy'n symud dros y darn gwaith yn y ddau ddimensiwn llorweddol.Mae torwyr opteg hedfan yn cadw'r darn gwaith yn llonydd wrth brosesu ac yn aml nid oes angen clampio deunydd arnynt.Mae'r màs symudol yn gyson, felly nid yw maint amrywiol y darn gwaith yn effeithio ar ddeinameg.Peiriannau opteg hedfan yw'r math cyflymaf, sy'n fanteisiol wrth dorri darnau gwaith teneuach.[17]

Rhaid i beiriannau opteg hedfan ddefnyddio rhyw ddull i gymryd i ystyriaeth hyd y trawst newidiol o dorri cae agos (agos at resonator) i dorri cae pell (ymhell i ffwrdd o resonator).Mae dulliau cyffredin o reoli hyn yn cynnwys collimation, opteg addasol neu ddefnyddio echelin hyd trawst cyson.

Mae peiriannau pump a chwe echel hefyd yn caniatáu torri darnau gwaith ffurfiedig.Yn ogystal, mae yna wahanol ddulliau o gyfeiriannu'r trawst laser i weithfan siâp, gan gynnal pellter ffocws priodol a safiad ffroenell, ac ati.

Pylsio
Mae laserau pwls sy'n darparu ffrwydrad pŵer uchel o ynni am gyfnod byr yn effeithiol iawn mewn rhai prosesau torri laser, yn enwedig ar gyfer tyllu, neu pan fydd angen tyllau bach iawn neu gyflymder torri isel iawn, oherwydd pe bai pelydr laser cyson yn cael ei ddefnyddio, gallai'r gwres gyrraedd pwynt toddi y darn cyfan sy'n cael ei dorri.

Mae gan y rhan fwyaf o laserau diwydiannol y gallu i guriad neu dorri CW (ton barhaus) o dan reolaeth rhaglen NC (rheolaeth rifiadol).

Mae laserau pwls dwbl yn defnyddio cyfres o barau pwls i wella cyfradd tynnu deunydd ac ansawdd twll.Yn y bôn, mae'r curiad cyntaf yn tynnu deunydd o'r wyneb ac mae'r ail yn atal yr alldafliad rhag glynu wrth ochr y twll neu'r toriad.[18]