レーザー切削とその加工システムの基礎 レーザー切削機器

**II.レーザー切削装置の組成**

**2.1 レーザー切断機の部品と動作原理**

レーザー切断機はレーザー発電機,切断頭,ビーム伝送部品,機械ツールの作業台,CNCシステム,コンピュータ (ハードウェア,ソフトウェア),チラー,シールドガスシリンダー,粉塵抽出機乾燥機など

1. **レーザー発電機:** これはレーザー源を生成する装置です.大半はCO2ガスレーザーを使っている. 電気光学変換効率が高く,より高い出力を出す能力があるため.レーザー切削には,ビーム品質の要求が非常に高く,すべてのレーザーが切削に適しているわけではありません.

2. **カットヘッド:** 主にノズル,フォーカスレンズ,フォーカス追跡システムなどのコンポーネントが含まれます.プログラムに従ってZ軸に沿って切断頭を駆動するために使用されます.配列は,サーボモーターやリードスクリューやギアなどの部品で構成されています.

* (1) **ノズル:**ノズルタイプには主に3つの形があります:平行,収束,円形.

* (2) **焦点レンズ:** レーザービームのエネルギーを切断に使用するには,レーザーから放出される原始ビームはレンズで焦点化され,エネルギー密度の高いスポットを形成する必要があります.中長焦点距離のレンズは,厚いプレートカットに適しており,追跡システムの距離安定性に対する要求は低い短焦点距離のレンズは3mm以下の薄いプレートにのみ適しています.追跡システムの距離安定性に対する厳格な要求がありますが,必要なレーザー出力量を大幅に減らすことができます..

* (3) **追跡システム:** レーザー切削マシンの焦点追跡システムは,一般的に焦点切断頭と追跡センサーシステムで構成されています.切断頭には,光の導向とフォーカスのための部品が含まれます.センサーはセンサー要素と増幅制御部品で構成されています. センサー要素に応じて,追跡システムは全く違う主に2つの形式があります:電容センサー追跡システム (非接触) と誘導センサー追跡システム (接触).

3. **ビームトランスミッションコンポーネント (外部光経路):**屈光鏡と反射鏡は,レーザーを必要な方向に導くために使用されます.ビーム経路の失敗を防ぐために,すべての鏡はカバーで保護され,クリーンで供給されています高品質のレンズセットは,離散角度のないビームを無限に小さなスポットにフォーカスします. A 5.0インチ焦点距離のレンズは一般的に使用されています7.5インチのレンズは,厚さ12mm以上の材料にのみ使用されます.

4. **機械ツールの作業台 (機械ホスト):** 切断作業台を含むX,Y,Z軸に沿った動きを可能にするレーザー切削機械の機械的な部分.

5. **CNCシステム:** X,Y,Z軸の動きを達成するために機械ツールを制御し,レーザーの出力も制御します.

6. **冷却システム (冷却装置):**レーザー発電機を冷却するために使用されます.レーザーとは,電気エネルギーを光エネルギーに変換する装置です.例えば,CO2ガスレーザーの変換率は通常20%余分な熱を冷却水で取り除いて正常な動作を維持します冷却機は,安定したビーム伝送品質を確保し,過剰な温度によるレンズ変形または裂け方を効果的に防止するために,外側の光経路鏡と焦点レンズも冷却します..

7. **ガスのシリンダー:**レーザー切断機の作業介質ガスシリンダーと補助ガスシリンダーを含む.レーザー振動のための工業ガスを補充し,切断頭に補助ガスを供給するために使用される.

8. **塵抽出システム:** 処理中に発生する煙と塵を抽出し,排気ガス排出量が環境基準を満たすようにフィルタリングします.

9. **空気冷却乾燥機とフィルター:** レーザー発電機とビーム経路に清潔で乾燥した空気を供給し,経路と鏡の正常な動作を維持します.

**2.2 レーザー切断タッチ**

レーザー切断タッチの図式構造は,主にタッチボディ,焦点レンズ,鏡,および補助ガスノズルから構成されている.レーザー切削中に,トーチは次の要件を満たす必要があります.:

1 トーチは十分なガス流出を出すことができる必要があります.

2 トーチ内部のガス噴射方向は鏡の光軸と同軸でなければならない.

3 トーチ の 焦点 距離 は 簡単に 調整 できる もの で ある べき です.

4 切る 際 に,切る 過程 で 発生 する 金属 の 蒸気 や 噴霧 が 鏡 に 害 を 及ぼさ ない よう に し て ください.

トーチの動きは,CNC運動システムによって調整されます.トーチと作業部件間の相対的な動きは,3つの状況で起こり得ます:

1 トーチは静止し,作業台 (主に小型の作業台) を通して作業部位を移動します.

2 作業 品 は じっと し て おり,火花 は 動いている.

3 トーチ と 作業 テーブル は 一斉 に 動く.

**22.1 切断頭**

レーザー切断頭は,ビーム伝送システムの端に位置し,焦点レンズと切断ノズルを含む.

焦点レンズは主に焦点距離によって区別される.ほとんどのレーザー切削機器には,異なる焦点距離の複数の切断頭が装備されている.CO2レーザー切削を例に短焦点距離のレンズは,小さな焦点点と短い焦点深度を生成します.切断幅を小さくし,より細い切断が得られる長い焦点距離のレンズは,より大きな焦点点とより深い焦点が得られます.短い焦点距離のレンズと比較して,長焦点距離のレンズは,より広い材料厚さの範囲で焦点点に近い焦点ビームエネルギー密度の要求を満たすことができる.したがって,短焦点距離のレンズは主に薄いシートの細切りに使用され,より厚い材料は十分な焦点深さを獲得するために長い焦点距離のレンズを必要とします.切断厚さの範囲内でスポット直径の変化が最小限であり,十分な電源密度が維持されることを確保する.

焦点レンズは,小さなスポットと高い電源密度を得るために,タッチに入ってくる並行レーザービームを焦点化するために使用されます.レンズはレーザー波長を伝達する材料で作られています.固体 レーザー は 一般 に 光学 ガラス を 用いる普通のガラスを通過できないCO2ガスレーザーは,ZnSe,GaAs,Geなどの材料を使用し,ZnSeが最も一般的です.

レーザー切断では,電力の密度を高め,高速切削を容易にするため,可能な限り小さなスポット直径が望ましい.しかし,レンズ焦点距離が減少すると,焦点の深さも小さくなります厚いプレートを切る際に良い垂直切断面を得ることは困難である.さらに,レンズの焦点距離が小さく,レンズと作業部件間の距離は減少する.,切削中にスプレーや他の溶けた材料で汚染され,正常な動作に影響を与えるため,適切な焦点距離は,切断厚さや品質要件などの要素を全面的に考慮して決定されなければならない..

**22.2 鏡**

鏡の機能は,レーザーから来るビームの方向を変える.固体レーザーからのビームでは,光学ガラス製の鏡を使用することができます.CO2ガスレーザー切断装置の鏡は,しばしば高反射性を持つ銅または金属で作られています鏡は,通常,使用中に水冷却され,照明による過熱による損傷を避ける.

**22.3 ノズル**

切断領域に補助ガスを噴射するために使用されるノズル.その構造形は切断効率と品質に一定の影響を与える.図4.レーザー切削に使用される一般的なノズルの形を示しています;ジェット孔形には,円筒形,円形,収束-離散型 (de Laval) が含まれる.

試験後,通常,ノズルの選択は,作業部品の材料,厚さ,補助ガス圧等に基づいて決定される.レーザー切削は,一般的に同軸ドズル (光軸と同軸のガス流) を使用します.切る際に気体流が同軸でない場合,簡単に大きな噴出を発生させることができます.ノズルの開口壁は,ガスの流通を確実にし,渦巻による切断品質に影響を避けるために滑らかである必要があります.切断プロセスの安定性を確保するために,ノズルの表面から作業部品の表面までの距離は最小限に抑えられ,しばしば0.5~2.0mmとされます.レーザービームを妨害なく通過させるためにノズルの開口が必要です射口が小さいほど,射口の合流が難しくなります.特定の補助ガス圧で,最適なノズルの開口直径範囲がある切り口が小さすぎたり,大きすぎたりすると,切断器から溶融した製品を取り出すことや切断速度にも影響します.

特定のレーザーパワーと補助ガス圧力下での切断速度に対するノズルの開口の影響は,図4.12と図4に示されています.13切断速度を最大にする最適なノズルの開口があることが見られます.酸素またはアルゴンが補助ガスとして使用されるかどうかにかかわらず,この最適な値は約1.5mmです.

レーザー切断試験では,セメント化カービッドのような切断が難しい材料で,最適なノズルの開口が,図4に示されているように,上記の結果に非常に近いことが示されています.14噴孔の開口は,また,切断幅と熱影響ゾーンの幅 (HAZ) に影響します.図4に示されているように.15噴嘴の開口が大きくなるにつれて,切断線は広がり,HAZは狭くなる.絞り HAZの主な理由は,切断ゾーンのベース材料の補助ガス流の強化冷却効果です.

**2.3 レーザー切断装置のパラメータ**

**23.1 タッチ駆動切断装置**

トーチ駆動の切断装置では,切断トッチは移動可能なゲントリーに設置され,ゲントリービームに沿って横方向 (Y方向) に移動する.ゲントリーはX方向に沿ってトッチを動かす.切断テーブルに固定されているレーザー源がタッチから分離されているため,切断中にレーザー伝送特性,光束のスキャン方向に沿った並行性,そして反射鏡の安定性は影響を受けます.

トーチ駆動機器は,より大きな部品を処理することができ,切断生産エリアには比較的少ない床面積を必要とし,他の機器で生産ラインに簡単に統合できます.,定位精度は通常 ±0.04mm 左右である.

トーチ駆動の切削装置の典型的な構造は図4に示されています.19この例では,レーザー源からタッチまで18mのビーム伝送距離を持つCO2連続波レーザー切断機を使用しています.この距離で梁の形の変化が切断を妨げないようにするため振動鏡の組み合わせは慎重に設計する必要があります.

トーチ駆動装置の主要技術パラメータ:

*レーザー出力: 1.5kW (単調モード), 3kW (マルチモード)

トーチの移動:X軸6.2m,Y軸2.6m

運転速度: 0~10m/min (調整可能)

* トーチの高さ (Z軸) 浮遊移動: 150mm.

* トーチの高さ調整速度: 300mm/min.

* 最大加工可能な鋼板のサイズ:厚さ12mm * 2400mm * 6000mm.

制御装置:統合されたCNC制御方法.

**23.2 XY座標切断テーブル駆動装置**

XY座標切削テーブル駆動装置では,タッチは機械フレームに固定され,作業台は切削テーブルに置かれます.切断テーブルは,XとY方向に沿ってNC指示に従って移動駆動速度は,一般的に0~1m/min (調整可能) または0~5m/min (調整可能) です.トーチが作業部件に対して固定されているため,レーザービームのアライナメントは切断中に影響が少なくなります.均質で安定した切断を可能にします切断テーブルのサイズが小さく,機械的精度は高い場合,位置位置精度は ±0.01mmで,切断精度は優れたものになります.細かい部品の精密切削に特に適しているまた,より大きなパーツを加工するためのX軸移動2300~2400mmとY軸移動1200~1300mmの切削テーブルもあります.

XYテーブル駆動装置の主要技術パラメータ:

*レーザー:CO2ガスレーザー (半密閉直管型).

*レーザー電源:入力電圧200VAC,出力電圧0~30kV,最大出力電流100mA

レーザー出力: 550W

* 切断テーブル 移動:X軸 2300mm,Y軸 1300mm.

* 切断テーブル駆動速度 (ステップ調節可能): 0.4~5.0 m/min, 0.2~2.5 m/min, 0.1~1.3 m/min, 0.05~0.6 m/min.

* トーチの高さ (Z軸) 浮遊移動: 180mm.

*最大処理可能なシートサイズ:厚さ6mm * 1300mm * 2300mm.

制御装置:NC方法

**23.3 ツーチャー・テーブル・ダブル駆動切断装置**

トーチテーブル双駆動切断装置は,トーチ駆動型とXYテーブル駆動型のハイブリッドである.トーチはゲンター上に設置され,ゲンター梁に沿って横向 (Y方向) に移動する.切断台が長方向 (X方向) に動いている間位置付け精度は ±0.01mm,切断速度調整範囲は0~20m/min,切断装置の広く使用されているタイプになりますこのタイプの大きなモデルは,Y軸移動が2000mm,X軸移動が6000mmで,大きなパーツを切ることができる.

いくつかの設計では,レーザー振動器は,火花と一緒にゲントリにも搭載されている.ダブル駆動機器で円形穴を切る精度はかなり良い.生産効率も高い例えば,1mmの厚さの鋼板に 1分間に10mm直径の穴を46口切ることができます.

**23.4 統合切断装置**

組み込み切断装置では,レーザー源は機械フレームに設置され,それとともに長さに沿って移動する.トーチとその駆動メカニズムは,フレームのビームに横向きに移動するユニットを形成している間CNC を使って,様々な形状のパーツを切ることができます. トーチの横向きの動きによって引き起こされる光路長さの変化を補うために,通常,光路長調整部品が装備されている.切断面全体で均質な梁を確保し,切断面の質を一貫して維持する.