Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation açılımına denk düşen LASER kelimesi 1960 lardaki keşfinden sonra işletmeler için kalite ve verimlilik anlamına gelir olmuştur. Malzemeleri ısıtabildiği, ergitebildiği ve hatta buharlaştırabildiği için, lazerler kontroledilebilir fakat yoğun enerjiyi yönlendirebilfiği için ideal bir araç olarak görülmektedirler.

Kesim süreçleri için en popüler tercih sebebi lazer kesim sistemleri olmuştur.

Lazer Kesim

Lazerle kesme, esas olarak, odaklanmış bir lazer ışınının yerel bir alandaki malzemeyi eritmek için kullanıldığı termal bir işlemdir. Erimiş malzemeyi çıkarmak ve bir çentik oluşturmak için eş eksenli bir gaz jeti kullanılır. Lazer ışını veya iş parçası CNC kontrolü altında hareket ettirilerek sürekli bir kesim üretilir. Üç ana lazer kesim türü vardır: füzyon kesme, alevle kesme ve uzaktan kesme.

Füzyon kesmede, erimiş malzemeyi çentik dışına atmak için bir inert gaz (tipik olarak nitrojen) kullanılır. Azot gazı, erimiş malzeme ile ekzotermik olarak reaksiyona girmez ve bu nedenle enerji girişine katkıda bulunmaz.

Alevle kesmede yardımcı gaz olarak oksijen kullanılır. Erimiş malzemeye mekanik kuvvet uygulamasına ek olarak, bu kesme türü, işleme enerji girişini artıran ekzotermik bir reaksiyon yaratır.

Uzaktan kesmede, malzeme yüksek yoğunluklu bir lazer ışınıyla kısmen buharlaştırılır ve ince tabakaların yardımcı gaz olmadan kesilmesi sağlanır.

Lazer kesim işlemi, üç eksenli düz yataklı sistemleri veya üç boyutlu lazer kesim için altı eksenli robotları kontrol eden çevrimdışı CAD / CAM sistemleriyle otomasyona uygundur.

Doğruluk, kenar dikliği ve ısı girdisi kontrolündeki iyileştirmeler, lazer işleminin plazma ve oksijen gibi diğer profil kesme tekniklerinin yerini aldığı anlamına gelir. Piyasada metalleri, ahşapları ve işlenmiş ahşapları kesmek için kullanılabilen kesme amaçlı birçok son teknoloji lazer makinesi bulunmaktadır.

Kullanılan Lens Lazer Kesim Kalınlığını Nasıl Etkiler?

Lazer kesim işlemi, genellikle bir lensle (bazen içbükey aynayla) bir lazer ışınının, lazer kesimi oluşturmak için yeterli güç yoğunluğuna sahip küçük bir noktaya odaklanmasını içerir.

Lens, lensten odaklanan noktaya olan mesafe olan odak uzaklığı ile tanımlanır. İşlemin verimliliğini yöneten kritik faktörler odaklanmış nokta çapı (d) ve odak derinliğidir (L).

Odak derinliği, tatmin edici bir kesimin elde edilebileceği etkili mesafedir. Odaklanılan noktanın alanının 50'yi geçmediği mesafe olarak tanımlanabilir.

Lazer odak noktası çapı ve odak derinliği, lens üzerine düşen lazer ışını çapına ve lensin odak uzunluğuna bağlıdır. Sabit bir kaynak lazer ışını çapı için, odaklama merceğinin odak uzaklığı merceğindeki azalma, daha küçük bir odak noktası çapı ve odak derinliği ile sonuçlanır. Sabit odak uzunluklu bir lens için, kaynak lazer ışın çapındaki artış, hem spot çapını hem de odak derinliğini azaltır.

Bu nedenle, farklı ışın çaplarına sahip lazerler arasında karşılaştırmaya olanak sağlamak için odak uzaklığı olan F'nin gelen ham ışın çapı D'ye bölünmesi olan odak f sayısı olarak adlandırılan bir faktör kullanıyoruz.

Lazer Kesme gereksinimleri aşağıdaki gibidir:

a) yüksek güç yoğunluğu ve dolayısıyla küçük odaklanmış nokta boyutu

b) konum değişimine odaklanmak için makul bir toleransla daha kalın malzemeleri işlemek için uzun odak derinliği.

Bu iki gereksinim birbiriyle çeliştiğinden, ortak bir nokta bulunmalıdır. Dikkate alınması gereken tek husus, odak uzaklığı ne kadar kısa olursa, lensin iş parçasına o kadar yakın olması ve bu nedenle kesme işleminden kaynaklanan sıçramadan zarar görme olasılığının daha yüksek olmasıdır.

Aslında, her bir malzeme kalınlığı için odak uzunluğunu optimize etmek mümkün olabilirdi, ancak bu, bir işten diğerine geçerken, artan hıza karşı dengelenmesi gereken ek kurulum süresi gerektirecektir. Gerçekte, belirli bir işin özel gereksinimleri olmadıkça, merceğin değiştirilmesinden kaçınılır ve riskli bir kesme hızı kullanılır.

Sac Metal için Hangi Tür Lazer Kesimi Kullanılır?

Günümüzde endüstriyel sac metal lazer kesiminin çoğu iki tür lazer kullanılarak gerçekleştirilmektedir: CO2 Lazer ve Fiber Lazer.

CO2 Lazer

CO2 lazer (karbondioksit lazer), çoğunlukla karbondioksit (CO2), helyum ve nitrojenden oluşan bir gaz karışımı içinde üretilir. Böyle bir lazer, bir elektrik deşarjı kullanılarak elektrikle pompalanır.

CO2 lazerleri tipik olarak 10.6μm dalga boyunda yayılırlar. Malzeme kesme işlemi için kullanılanlar, güç olarak yükek kilowatlarda ışınlar oluşturabilir. CO2 lazerlerin elektrik tüketim verimliliği yaklaşık %10'dur ve bu lazer türü, çoğu lamba pompalı katı hal lazerinden (örneğin, ND: YAG lazerleri) daha yüksek, ancak birçok diyot pompalı lazerden daha düşüktür.

Bir CO2 lazer, aynı güçteki bir fiber lazerden daha kalın malzemeleri (\u003e 5 mm) daha hızlı kesebilir. Ayrıca daha kalın malzemeleri keserken daha pürüzsüz bir yüzey kalitesi sağlar.

Sac metallerin lazer kesimi tarihsel olarak CO2 lazerlerle başlamıştır. Çoğu CO2 lazer kesim makinesi üç eksenli sistemlerdir (X-Y, Z ekseni).

Bununla birlikte, X-Y hareketini elde etmenin birkaç yolu vardır: lazer kafasını hareket ettirmek, iş parçasını hareket ettirmek veya her ikisinin bir kombinasyonu.

En popüler yaklaşım, iş parçasının sabit kaldığı ve aynaların hem X hem de Y eksenlerinde hareket ettirildiği 'uçan optik' sistem olarak bilinir. Bu yaklaşımın avantajları, motorların her zaman bilinen, sabit bir kütleyi hareket ettirmesidir. Bu genellikle iş parçasından çok daha ağır olabilir, ancak tahrik edilmesi ve kontrol edilmesi daha kolaydır.

İş parçası hareket ettirilmediğinden, bu aynı zamanda sac ağırlığında gerçek bir sınır olmadığı anlamına da gelir. Uçan optiğin dezavantajı, bir lazer ışını hiçbir zaman tam olarak her yerde aynı çapta olmadığından, lazerden çıktıktan sonra uzaklaştığı noktalarda ışın boyutundaki değişikliktir.

Bu ışında oluşan sapma kontol edilmez ise, ham giriş lazer ışın boyutundaki oluşan ışın çap değişimi nedeniyle kalın bir sac parçasının alt ve üst noktaları arasında kesme performansında bazı farklılıklar olabileceği anlamına gelir. Bu durum ışın taşınım yollarına ek optik ayna ve/veya lensler eklenerek düzeltilir.

Alternatif olarak, lazer kafasının sabit kaldığı ve iş parçasının hem X hem de Y eksenlerinde hareket ettirildiği, yani optik sistemlerin sabitlendiği sistemler vardır. Bu durum optik olarak ideal olarak nitelendirilir. Ancak özellikle daha ağır sac parçalar için mekanik olarak tasarımı daha zor ve maliyetli bir durum hasıl olur.

Nispeten hafif bir sac levha ağırlığı için sabit bir optik sistem uygun bir seçenek olabilir. Ancak sac tabaka ağırlığı arttıkça malzemenin yüksek hızda doğru şekilde konumlandırılması bir sorun olacaktır.

Üçüncü seçenek, lazer kafasının bir eksende, malzemenin de diğer eksende hareket ettirildiği 'hibrit' bir sistem olarak bilinir. Bu genellikle sabit optiklere göre bir avantajdır. Ancak yine de sac levha ağırlaştıkça zorluklar yaşamaktadır.

Fiber Lazerler

Fiber lazerler, katı hal lazer ailesinin üyesidir. Katı hal lazerlerinde, ışın katı bir ortam tarafından üretilir. Fiber lazerler, disk lazerler ve Nd: YAG lazerler aynı kategoridedir.

Bir fiber lazer ışını, bir dizi lazer diyotu tarafından üretilir. Lazer ışını daha sonra bir optik fiber kablo aracılığıyla iletilir. Güçlendirilen ışın, optik fiber kablodan çıkarken kolime edilir ve daha sonra bir iç bükey mercek tarafından kesilecek malzeme üzerine odaklanır.

Fiber lazer Üreçgeçleri aşağıdaki avantajlara sahiptir:

Geleneksel bir CO2 rezonatörünün aksine, bir fiber lazer kaynağının ışık üreten kaynakta herhangi bir hareketli parçası (örneğin gaz sirkülasyonu için fanlar) veya aynaları yoktur. Bu, bakım gereksinimlerinin ve işletme maliyetlerinin azaltılması açısından büyük bir avantajdır.

Fiber lazerler tipik olarak aynı güce sahip CO2 lazerlere göre iki ila üç kat daha fazla enerji-verimlidir.

Bir fiber lazer, ince sac levhaları aynı güçteki CO2 lazerden daha hızlı kesebilir. Bunun nedeni, kesim yüzeyinde fiber lazer dalga boyunun daha iyi emilmesidir.

Fiber lazerler, makineye zarar veren geri yansımalardan korkmadan yansıtıcı malzemeleri kesebilir. Bu, bakır, pirinç ve alüminyumun sorunsuz kesilmesini sağlar.

Doğrudan Diyot Lazerler

Doğrudan diyot lazer teknolojisi, katı hal lazerleri alanındaki en son gelişmedir. Bu teknolojide, farklı dalga boylarındaki lazer yayan diyotlardan yayılan birkaç lazer ışını, ışın birleştirme teknikleri kullanılarak üst üste getirilir. Fiber lazerlerin aksine, doğrudan diyot lazerler ışın güçlendirici bir aşama içermez, bu da onlara daha düşük optik kayıplar ve daha yüksek duvar prizi verimliliği sağlar. Bununla birlikte, aynı nedenle, doğrudan diyot lazerler şu anda fiber lazerlere kıyasla daha düşük ışın kalitesine sahiptir. Çoklu kilowat güç seviyelerinde doğrudan diyot lazerler ticari olarak mevcuttur ve sac metal kesme uygulamaları için başarıyla kullanılmaktadır.

Geri Yansıma Hangi Zorluklara Neden Olmaktadır?

Tüm metal malzemeler belirli bir güç yoğunluğundaki eşik değerine ulaşılana kadar CO2 lazer ışınlarını yansıtır.

Alüminyum, karbon manganlı çelik veya paslanmaz çelikten daha yansıtıcıdır ve lazerin kendisine zarar verme potansiyelini oluşturur.

Çoğu lazer kesim makinesi, düz bir metal levhaya dik olarak bir lazer ışını düşürür. Bu durum, lazer ışınının düz sac levha tarafından yansıtılması durumunda, ışın iletim optikleri aracılığıyla gerisin geri iletilebileceği ve lazerin kendisine potansiyel olarak önemli hasara neden olabileceği anlamına gelir.

Bu yansıma tamamen sac levha yüzeyinden geri gelmez. Aynı zamanda yüksek oranda yansıtıcı bir aynaya dönüşebilen erimiş bir havuzun oluşumundan da kaynaklanır. Bu nedenle, tabaka yüzeyine yansıtıcı olmayan bir kaplamanın basitçe püskürtülmesi sorunu tamamen ortadan kaldırmayacaktır.

Genel olarak, alaşım elementlerinin eklenmesi alüminyumun yansıtıcılığını azaltır. Bu nedenle saf alüminyumun işlenmesi bir 5000 serisi alaşımlı alüminyumun işlenmesinden daha zordur.

Tutarlı kesme parametreleriyle, kullanılan malzemelere bağlı olarak yansıma olasılığı neredeyse sıfıra düşürülebilmektedir. Ancak, koşulları geliştirirken veya ekipmanda bir şeyler ters giderse lazerin zarar görmesini önlemek yine de gerekecektir.

Çoğu modern ekipmanın kullanıldığı bir alüminyum kesme sistemi aslında yenilikçi bir kesme tekniği olmaktan çok lazeri korumanın bir yoludur. Bu sistem genellikle çok fazla lazer radyasyonunun optikler aracılığıyla geri yansıtılıp yansıtılmadığını algılayabilen bir geri yansıtma sistemi şeklindedir.

Bu sistem herhangi bir büyük hasara neden olmadan önce genellikle lazeri otomatik olarak durdurur. Bu sistem olmadan potansiyel olarak tehlikeli yansımaların meydana gelip gelmediğini tespit etmenin bir başka yolu olmadığından alüminyumun işlenmesiyle ilgili riskler olacaktır.