Sự ra đời của cắt Laser

Cắt laser là công nghệ sử dụng tia laser để làm bốc hơi vật liệu, tạo ra một đường cắt.Trong khi thường được sử dụng cho các ứng dụng sản xuất công nghiệp, nó hiện được sử dụng bởi các trường học, doanh nghiệp nhỏ, kiến ​​trúc và những người yêu thích.Cắt laser hoạt động bằng cách định hướng đầu ra của tia laser công suất cao, phổ biến nhất là thông qua quang học.Quang học laser và CNC (điều khiển số bằng máy tính) được sử dụng để hướng chùm tia laser vào vật liệu.Một tia laser thương mại để cắt vật liệu sử dụng hệ thống điều khiển chuyển động theo mã CNC hoặc mã G của mẫu được cắt trên vật liệu.Chùm tia laze hội tụ được hướng vào vật liệu, sau đó nóng chảy, cháy, bốc hơi hoặc bị thổi bay bởi một tia khí, [1] để lại một cạnh với bề mặt hoàn thiện chất lượng cao

Lịch sử
Năm 1965, máy cắt laser sản xuất đầu tiên được sử dụng để khoan lỗ trên khuôn kim cương.Máy này do Trung tâm Nghiên cứu Kỹ thuật Điện Miền Tây chế tạo. [3]Năm 1967, người Anh đi tiên phong trong việc cắt tia oxy hỗ trợ bằng laser cho kim loại. [4]Vào đầu những năm 1970, công nghệ này đã được đưa vào sản xuất để cắt titan cho các ứng dụng hàng không vũ trụ.Đồng thời, laser CO2 được dùng để cắt các phi kim loại, chẳng hạn như vải dệt, bởi vì, vào thời điểm đó, laser CO2 không đủ mạnh để khắc phục tính dẫn nhiệt của kim loại. [5]

Quá trình

Cắt thép công nghiệp bằng laser với hướng dẫn cắt được lập trình thông qua giao diện CNC
Chùm tia laze thường được lấy nét bằng thấu kính chất lượng cao trên vùng làm việc.Chất lượng của chùm tia có ảnh hưởng trực tiếp đến kích thước điểm hội tụ.Phần hẹp nhất của chùm tia hội tụ thường có đường kính nhỏ hơn 0,0125 inch (0,32 mm).Tùy thuộc vào độ dày của vật liệu, có thể có chiều rộng kerf nhỏ nhất là 0,004 inch (0,10 mm). [6]Để có thể bắt đầu cắt từ một nơi nào đó không phải là cạnh, một lần xỏ được thực hiện trước mỗi lần cắt.Xuyên lỗ thường bao gồm một chùm tia laze xung công suất cao từ từ tạo ra một lỗ trên vật liệu, mất khoảng 5–15 giây đối với thép không gỉ dày 0,5 inch (13 mm), chẳng hạn.

Các tia sáng kết hợp song song từ nguồn laser thường nằm trong khoảng đường kính từ 0,06–0,08 inch (1,5–2,0 mm).Chùm tia này thường được thấu kính hoặc gương chiếu tập trung và tăng cường tới một điểm rất nhỏ khoảng 0,001 inch (0,025 mm) để tạo ra chùm tia laze rất mạnh.Để đạt được độ hoàn thiện mịn nhất có thể trong quá trình cắt theo đường viền, hướng phân cực chùm tia phải được xoay khi nó đi xung quanh ngoại vi của phôi có đường viền.Đối với cắt kim loại tấm, tiêu cự thường là 1,5–3 inch (38–76 mm). [7]

Ưu điểm của cắt laser so với cắt cơ học bao gồm việc gia công dễ dàng hơn và giảm sự nhiễm bẩn của phôi (vì không có lưỡi cắt nào có thể bị nhiễm bẩn bởi vật liệu hoặc làm nhiễm bẩn vật liệu).Độ chính xác có thể tốt hơn, vì chùm tia laser không bị mài mòn trong quá trình này.Khả năng cong vênh của vật liệu được cắt cũng giảm đi, vì các hệ thống laser có một vùng ảnh hưởng nhiệt nhỏ. [8]Một số vật liệu cũng rất khó hoặc không thể cắt bằng các phương tiện truyền thống hơn.

Cắt laser cho kim loại có ưu điểm hơn cắt plasma là chính xác hơn [9] và sử dụng ít năng lượng hơn khi cắt kim loại tấm;tuy nhiên, hầu hết các tia laser công nghiệp không thể cắt qua độ dày kim loại lớn hơn plasma có thể.Các máy laser mới hơn hoạt động ở công suất cao hơn (6000 watt, trái ngược với xếp hạng 1500 watt của máy cắt laser đời đầu) đang tiến gần đến máy plasma về khả năng cắt xuyên vật liệu dày, nhưng chi phí vốn của những máy này cao hơn nhiều so với máy plasma máy cắt có khả năng cắt các vật liệu dày như thép tấm. [10]

Các loại

Máy cắt laser CO2 4000 watt
Có ba loại laser chính được sử dụng trong cắt laser.Laser CO2 phù hợp để cắt, doa và khắc.Các laser neodymium (Nd) và neodymium yttrium-nhôm-garnet (Nd: YAG) giống hệt nhau về kiểu dáng và chỉ khác nhau về ứng dụng.Nd được sử dụng cho việc nhàm chán và ở những nơi yêu cầu năng lượng cao nhưng độ lặp lại thấp.Laser Nd: YAG được sử dụng ở những nơi cần công suất rất cao và để doa và khắc.Cả laser CO2 và Nd / Nd: YAG đều có thể được sử dụng để hàn. [11]

Laser CO2 thường được “bơm” bằng cách cho dòng điện chạy qua hỗn hợp khí (kích thích DC) hoặc sử dụng năng lượng tần số vô tuyến (kích thích RF).Phương pháp RF mới hơn và đã trở nên phổ biến hơn.Vì các thiết kế DC yêu cầu các điện cực bên trong khoang, chúng có thể gặp phải hiện tượng xói mòn điện cực và mạ vật liệu điện cực trên đồ thủy tinh và quang học.Vì bộ cộng hưởng RF có các điện cực bên ngoài nên chúng không dễ gặp các vấn đề đó.Laser CO2 được sử dụng để cắt công nghiệp trên nhiều vật liệu bao gồm titan, thép không gỉ, thép nhẹ, nhôm, nhựa, gỗ, gỗ chế tạo, sáp, vải và giấy.Laser YAG chủ yếu được sử dụng để cắt và tạo hình kim loại và gốm sứ. [12]

Ngoài nguồn điện, loại dòng khí cũng có thể ảnh hưởng đến hiệu suất.Các biến thể phổ biến của laser CO2 bao gồm dòng chảy dọc trục nhanh, dòng chảy dọc trục chậm, dòng chảy ngang và tấm.Trong bộ cộng hưởng dòng chảy hướng trục nhanh, hỗn hợp carbon dioxide, heli và nitơ được quay vòng với tốc độ cao bằng tuabin hoặc quạt gió.Các tia laser dòng chảy ngang luân chuyển hỗn hợp khí với tốc độ thấp hơn, yêu cầu một quạt gió đơn giản hơn.Bộ cộng hưởng làm mát bằng phiến hoặc khuếch tán có trường khí tĩnh không cần điều áp hoặc dụng cụ thủy tinh, dẫn đến tiết kiệm chi phí thay thế tuabin và dụng cụ thủy tinh.

Bộ tạo tia laser và quang học bên ngoài (bao gồm cả thấu kính lấy nét) cần được làm mát.Tùy thuộc vào kích thước và cấu hình hệ thống, nhiệt thải có thể được truyền qua chất làm mát hoặc trực tiếp vào không khí.Nước là chất làm mát được sử dụng phổ biến, thường được lưu thông qua hệ thống làm lạnh hoặc truyền nhiệt.

laser microjet là một tia laser dẫn đường bằng tia nước, trong đó chùm tia laser xung được ghép vào một tia nước áp suất thấp.Điều này được sử dụng để thực hiện các chức năng cắt laser trong khi sử dụng tia nước để dẫn tia laser, giống như một sợi quang học, thông qua phản xạ toàn phần bên trong.Ưu điểm của việc này là nước cũng loại bỏ các mảnh vụn và làm mát vật liệu.Các ưu điểm bổ sung so với cắt laser “khô” truyền thống là tốc độ cắt kim loại cao, kerf song song và cắt đa hướng. [13]

Laser sợi quang là một loại laser trạng thái rắn đang phát triển nhanh chóng trong ngành công nghiệp cắt kim loại.Không giống như CO2, công nghệ Fiber sử dụng môi trường khuếch đại rắn, trái ngược với khí hoặc chất lỏng.“Tia laser hạt giống” tạo ra chùm tia laser và sau đó được khuếch đại trong một sợi thủy tinh.Với bước sóng chỉ 1064 nanomet, laser sợi quang tạo ra kích thước điểm cực nhỏ (nhỏ hơn tới 100 lần so với CO2), lý tưởng để cắt vật liệu kim loại phản chiếu.Đây là một trong những ưu điểm chính của Sợi so với CO2. [14]

Các lợi ích của máy cắt laser sợi quang bao gồm: -

Thời gian xử lý nhanh chóng.
Giảm tiêu thụ năng lượng và hóa đơn - do hiệu quả cao hơn.
Độ tin cậy và hiệu suất cao hơn - không có quang học để điều chỉnh hoặc căn chỉnh và không có đèn để thay thế.
Bảo trì tối thiểu.
Khả năng xử lý các vật liệu phản chiếu cao như đồng và đồng thau
Năng suất cao hơn - chi phí vận hành thấp hơn mang lại lợi tức đầu tư lớn hơn cho bạn. [15]

Phương pháp
Có nhiều phương pháp khác nhau trong việc cắt bằng laser, với các loại khác nhau được sử dụng để cắt vật liệu khác nhau.Một số phương pháp là hóa hơi, nấu chảy và thổi, thổi và đốt nóng chảy, bẻ khóa ứng suất nhiệt, vẽ nguệch ngoạc, cắt lạnh và cắt laser ổn định đốt.

Cắt hóa hơi
Trong quá trình cắt hóa hơi, chùm tia hội tụ làm nóng bề mặt vật liệu đến điểm chớp cháy và tạo ra lỗ khóa.Lỗ khóa dẫn đến khả năng hấp thụ tăng đột ngột nhanh chóng làm lỗ khóa sâu hơn.Khi lỗ sâu hơn và vật liệu sôi lên, hơi sinh ra làm xói mòn các bức tường nóng chảy, thổi bay ra ngoài và mở rộng lỗ hơn nữa.Vật liệu không nóng chảy như gỗ, carbon và nhựa nhiệt rắn thường được cắt bằng phương pháp này.
Tan chảy và thổi
Cắt nóng chảy và thổi hoặc nung chảy sử dụng khí áp suất cao để thổi vật liệu nóng chảy khỏi khu vực cắt, giảm đáng kể yêu cầu về điện năng.Đầu tiên vật liệu được làm nóng đến điểm nóng chảy sau đó một tia khí thổi vật liệu nóng chảy ra khỏi kerf để tránh sự cần thiết phải tăng nhiệt độ của vật liệu thêm nữa.Vật liệu được cắt bằng quy trình này thường là kim loại.

Ứng suất nhiệt nứt
Vật liệu giòn đặc biệt nhạy cảm với đứt gãy nhiệt, một tính năng được khai thác trong nứt ứng suất nhiệt.Một chùm tia được tập trung vào bề mặt gây ra hiện tượng nóng cục bộ và giãn nở nhiệt.Điều này dẫn đến một vết nứt sau đó có thể được dẫn hướng bằng cách di chuyển chùm tia.Vết nứt có thể di chuyển theo thứ tự m / s.Nó thường được sử dụng để cắt thủy tinh.

Làm mờ ẩn của tấm silicon
Thông tin thêm: Wafer dicing
Việc tách các chip vi điện tử như được chuẩn bị trong quá trình chế tạo thiết bị bán dẫn từ các tấm silicon có thể được thực hiện bằng cái gọi là quy trình dò ​​tìm kim loại ẩn, hoạt động với laser Nd: YAG xung, bước sóng của nó (1064 nm) thích nghi tốt với điện tử. độ rộng vùng cấm của silicon (1,11 eV hoặc 1117 nm).

Cắt phản ứng
Còn được gọi là “cắt khí bằng laser ổn định đốt cháy”, “cắt bằng ngọn lửa”.Cắt phản ứng giống như cắt bằng đèn oxy nhưng với chùm tia laze làm nguồn đánh lửa.Chủ yếu được sử dụng để cắt thép cacbon có độ dày trên 1 mm.Quá trình này có thể được sử dụng để cắt các tấm thép rất dày với công suất laser tương đối ít.

Dung sai và bề mặt hoàn thiện
Máy cắt laser có độ chính xác định vị là 10 micromet và độ lặp lại là 5 micromet. [Cần dẫn nguồn]

Độ nhám tiêu chuẩn Rz tăng theo độ dày tấm, nhưng giảm theo công suất laser và tốc độ cắt.Khi cắt thép cacbon thấp với công suất laser 800 W, độ nhám tiêu chuẩn Rz là 10 μm đối với độ dày tấm 1 mm, 20 μm đối với 3 mm và 25 μm đối với 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}}}}
Trong đó: {\ displaystyle S =} S = độ dày tấm thép tính bằng mm;{\ displaystyle P =} P = công suất laser tính bằng kW (một số máy cắt laser mới có công suất laser là 4 kW);{\ displaystyle V =} V = tốc độ cắt tính bằng mét trên phút. [16]

Quá trình này có khả năng giữ dung sai khá gần, thường trong khoảng 0,001 inch (0,025 mm).Hình dạng bộ phận và độ âm thanh cơ học của máy liên quan nhiều đến khả năng chịu đựng.Lớp hoàn thiện bề mặt điển hình do cắt tia laze có thể nằm trong khoảng từ 125 đến 250 micro-inch (0,003 mm đến 0,006 mm). [11]

Cấu hình máy

Laser quang học bay hai pallet

Đầu laser quang học bay
Nói chung, có ba cấu hình khác nhau của máy cắt laser công nghiệp: vật liệu chuyển động, hệ thống quang học kết hợp và bay.Chúng đề cập đến cách mà chùm tia laze được di chuyển trên vật liệu được cắt hoặc xử lý.Đối với tất cả những điều này, trục chuyển động thường được chỉ định là trục X và trục Y.Nếu đầu cắt có thể được điều khiển, nó được chỉ định là trục Z.

Các tia laser vật liệu chuyển động có một đầu cắt đứng yên và di chuyển vật liệu bên dưới nó.Phương pháp này cung cấp khoảng cách không đổi từ máy phát laser đến phôi và một điểm duy nhất để loại bỏ nước thải cắt.Nó yêu cầu ít quang học hơn, nhưng yêu cầu di chuyển phôi.Máy kiểu này có xu hướng có ít quang học phân phối chùm tia nhất, nhưng cũng có xu hướng chậm nhất.

Laser kết hợp cung cấp một bảng di chuyển theo một trục (thường là trục X) và di chuyển đầu dọc theo trục ngắn hơn (Y).Điều này dẫn đến độ dài đường truyền chùm tia không đổi hơn so với máy quang học bay và có thể cho phép một hệ thống phân phối chùm tia đơn giản hơn.Điều này có thể làm giảm tổn thất điện năng trong hệ thống phân phối và nhiều công suất trên mỗi watt hơn so với máy quang học bay.

Laser quang học bay có một bàn tĩnh và một đầu cắt (với chùm tia laze) di chuyển trên phôi theo cả hai chiều ngang.Máy cắt quang học bay giữ phôi đứng yên trong quá trình gia công và thường không yêu cầu kẹp vật liệu.Khối lượng chuyển động là không đổi, do đó động lực học không bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi kích thước của phôi.Máy quang học bay là loại máy nhanh nhất, thuận lợi khi cắt các phôi mỏng hơn. [17]

Máy quang học bay phải sử dụng một số phương pháp để tính đến chiều dài chùm tia thay đổi từ trường gần (gần bộ cộng hưởng) cắt sang trường xa (xa bộ cộng hưởng) cắt.Các phương pháp phổ biến để kiểm soát điều này bao gồm chuẩn trực, quang học thích ứng hoặc sử dụng trục chiều dài chùm tia không đổi.

Máy năm và sáu trục cũng cho phép cắt các phôi đã hình thành.Ngoài ra, có nhiều phương pháp định hướng chùm tia laze tới phôi định hình, duy trì khoảng cách lấy nét thích hợp và thời gian chờ vòi phun, v.v.

Xung đột
Các tia laser xung cung cấp năng lượng bùng nổ công suất cao trong thời gian ngắn rất hiệu quả trong một số quy trình cắt laser, đặc biệt là để đâm xuyên, hoặc khi yêu cầu các lỗ rất nhỏ hoặc tốc độ cắt rất thấp, vì nếu sử dụng chùm tia laser liên tục, nhiệt có thể đạt đến mức làm tan chảy toàn bộ mảnh được cắt.

Hầu hết các loại laser công nghiệp đều có khả năng tạo xung hoặc cắt CW (sóng liên tục) dưới điều khiển chương trình NC (điều khiển số).

Laser xung đôi sử dụng một loạt các cặp xung để cải thiện tốc độ loại bỏ vật liệu và chất lượng lỗ.Về cơ bản, xung đầu tiên loại bỏ vật liệu khỏi bề mặt và xung thứ hai ngăn không cho vật đẩy dính vào mặt bên của lỗ hoặc vết cắt. [18]