A lézeres vágást befolyásoló technológiai paraméterek

A lézer berendezésen (rezonátor, sugárvezetı, formáló és kezelı rendszer) kívül lézeres vágáshoz szükség van egy további szerkezeti elemre, mely elvezeti a keletkezett végtermékeket (olvadék, fémgız, gázok), illetve elnyeli az átjutó sugárzást, e célból ún. elszívókat alkalmaznak. Mivel a keletkezett végtermék döntıen a megmunkáló fejjel ellentétes oldalon távozik a vágórésbıl, így az elszívókat ide kell helyezni. A végtermék elszívása azért is fontos, mivel a lézersugár jelentıs részét el tudja nyelni, így rontva a hatásfokot.

2.2.2.1. ábra: Lézeres vágórendszer felépítése

A fókuszáló optika megválasztását tekintve vágási feladatokhoz fókuszáló lencsét alkalmaznak (lásd Hiba! A hivatkozási forrás nem található.), ennél ugyanis a lencse által lezárt térben nagy-nyomású gáz alkalmazása lehetséges. A lencsét követı fúvóka is a lézerfejbe kerül így beépítésre, melynek átmérıje 1-2 mm között van. Amennyiben nagyobb teljesítményeket kell alkalmazni (>10 kW), akkor már mindenképpen fókuszáló tükröt használnak vágáshoz is.

A nagy fókusztávolságú lencse, nagyobb sugárderékkal rendelkezı, viszont kevésbé széttartó nyalábot ad, ezáltal vastagabb lemezek vágásához alkalmazható, viszont szélesebb vágórést eredményez. Az elızıekben elmondottak inverzét valósítja meg a kis fókusztávolságú lencse, ami így vékonyabb lemezekhez használható, és kisebb vágórést biztosít.

A lézersugár szöge a megmunkálandó darabra közel merılegesen helyezkedik el egyrészt, hogy a sugár nagy része elnyelıdjön a darabban, másrészt, hogy a fejbıl kiáramló gáz könnyen keresztül tudja fújni az olvadékot/fémgızt. Fontos, hogy egy menetben átvágja a lézer az anyagot, mivel a visszafröcskölıdés roncsolja az optikát, amellett, hogy az olvadék azonnal újradermed a felületen, így rontva a vágás minıségi mutatóit. A megmunkáló fej és a darab közötti távolság általában 0,3 mm körüli, hogy a gázáram ne tartson szét. Ezt a távolságot többnyire kapacitív és fényszenzorok segítségével vezérlik. Leggyakoribb nagyteljesítményő vágóberendezések CO2 lézersugár forrással vannak ellátva, így azok sugárvezérlése az alább felsoroltak szerinti lehet:

- sugáreltérítés a lézerfej mozgatásával, - munkadarab mozgatása álló lézersugár alatt,

- tükrös vagy prizmás eltérítés a lézersugár párhuzamosan eltolásával (síkágyas).

A fúvóka alakját tekintve a legelterjedtebben alkalmazott típusokat (kúpos, konvergens, konvergens-divergens) a 2.2.2.2. ábra mutatja. A győrős fúvókát fıleg alumínium és rozsdamentes acéloknál, „tiszta vágás”-hoz alkalmazzák, mely sorjamentes, oxidálatlan darabot eredményez. A fúvóka belsı csatornájában semleges vágógáz áramlik alacsony (1 bar) nyomással, míg a külsı csatornán nagy nyomással (5 bar) semleges védıgáz áramlik. A fúvóka elınye, hogy csak a vágógázhoz kell nagytisztaságú gáz, amely a vágás minıségi mutatóiért felel, az olvadék kifújásához és a környezeti gázoktól való védelemhez egy kevésbé tiszta gáz is elegendı, mely gazdaságossági szempont.

2.2.2.2. ábra: Lézeres vágáshoz alkalmazott fúvóka kialakítások

A lézersugár módusát meghatározza a rendelkezésre álló berendezés felépítése, vágási feladatokhoz mindenképpen az „ideális” Gauss eloszláshoz közeli (TEM₀₀) módusút célszerő választani. A fénysugár polarizációja szintén kihatással van a vágásra, ugyanis a sugár polarizációjával párhuzamos megmunkálási iránnyal lehet az abszorpciót maximalizálni. CO₂ lézerforrással végzett laboratóriumi kísérletek alapján az abszorpció ilyen körülmények között akár 50%-al is nagyobb, mint merıleges megmunkálási iránynál. Amennyiben a vágási irány a megmunkálás során változik, az eltérı abszorpció fokok változása miatti minıségi különbségek jöhetnek létre, ezt cirkulál polarizátor beépítésével tudják kiküszöbölni.

A megfelelı vágógáz megválasztása szintén nagyon fontos, mivel a gáz összetétele, mennyisége (nyomása) és tisztasága kihat a folyamatra. A gáz összetétele szerint lehet semleges (Ar), vagy exoterm (O2, levegı) hatású. Semleges vágógáz esetén a vágáshoz szükséges energiát tisztán a lézer szolgáltatja. Exoterm gáz alkalmazása esetén a lezajlódó reakciók többlet energiát termelnek, így nagyobb az alkalmazható vágósebesség (lásd 2.2.2.3. ábra), ezt viszont csak olvasztásos vágásnál alkalmazzuk. Az olcsóbb levegı, vagy oxigén használatának eldöntésekor számolni kell néhány tényezıvel. A levegıt az oxigénhez képest nagyobb mennyiségben kell odavezetni, mivel kisebb az exoterm hatásfoka, továbbá a benne lévı nitrogén okozhat ridegítı hatást egyes anyagoknál. Az

oxigén ezzel szemben oxid réteget képez a felületen, melyet esetenként el kell távolítani, így az többlet költséget jelent, ugyanakkor egyes anyagok ömledékét kevésbé viszkózussá teszi, így a vágórésbıl való eltávolítását segíti (következésképp kevésbé sorjás az anyag). A gáz nyomása nagysebességő vágásnál általában 3-4 bar körüli, a nyomás fokozása csökkenti a vágóél alján keletkezı sorját, a barázdáltság egyenetlenségét és az „olvadt réteg” szélességét, növeli a vágósebességet. A gáz tisztaságának már csekély mértékő romlása is jelentısen csökkenti az alkalmazható vágási sebességet, valamint a vágott felület is rosszabb minıségő lesz. A védıgáz feladatai közé tartozik az is, hogy a keletkezett olvadék ne jusson vissza a fókuszáló optikára, így védve és hőtve azt. A párolgás során keletkezett gázok, fémgızök elnyelik a lézersugár egy jelentıs részét, így a védıgáz ezek elfújásával a hatásfokot növeli.

2.2.2.3. ábra: Az alkalmazható maximum vágósebesség Ar és oxigén alkalmazása esetén A teljesítmény, a teljesítménysőrőség alapvetıen kihat az alkalmazható vágósebességre, valamint a vágható anyagvastagságra. Az elıtoló sebességet annak megfelelıen kell megválasztani, hogy túl lassú sebesség esetén hı feltorlódás keletkezik a darabban (valamint gazdaságtalan az üzemeltetése), ezáltal az „olvadt réteg” szélesedik. A túl nagy sebesség pedig rossz vágási geometriát, végül vágási hibát eredményez. A vágási sebesség csökkentésével a barázdáltság egyenletesebb lesz (ami nem egyenértékő a simaságával). Az alkalmazható vágási sebesség az anyag vastagsággal fordítottan arányos.

A fókusztávolság megválasztásával változtatható, hogy milyen mélységben legyen a teljesítménysőrőség maximuma, azaz a sugárderék helyzete. Amennyiben a fókuszt a felületre állítjuk (ez a 0 helyzet), akkor a sugár felületre vetített képe, vagyis a fókuszfolt mérete a legkisebb, azaz a teljesítménysőrőség itt a legnagyobb, tehát a vágáshoz szükséges lézerenergia így a legkisebb. A minimális energia magában hordozza azt is, hogy így lesz a legkeskenyebb a vágórés.

Vastagabb anyag vágási feladatainál a darab vastagságának egyharmadával a felülete alá tehetı a fókusz. Ekkor viszont számolni kell azzal, hogy nagyobb a fókuszfolt mérete, ami a teljesítménysőrőséget csökkenti.

2.2.2.4. ábra: Al ötvözet 1,8 kW CO2 lézerrel történı vágása során a fókuszfolt helyzete szerint a vágórés szélessége

A berendezés üzeme (szakaszos vagy impulzus), több szempont szerint választható.

Szakaszos üzem beállításával kisebb átlagteljesítmény mellett lehet a vágási feladatot elvégezni.

Fıleg nagy olvadáspontú anyagoknál használható ki az, hogy a csúcsimpulzusok megolvasztják az anyagot, majd az így megnövekedett abszorpciós fok révén egy kisebb alapteljesítménnyel lehet vágni (ez azt is jelenti, hogy kisebb átlagteljesítményő berendezéssel is el lehet végezni komolyabb vágási feladatokat), viszont ügyelni kell a frekvencia gondos megválasztására. Szakaszos üzem során az impulzusok között az anyagnak van ideje hőlni, így csökken a vágósebesség, valamint egyenetlenebb vágórést, felületi érdességet eredményez az újradermedés. Az impulzusok frekvenciájának növelésével ezek a hatások javíthatóak.

Mivel vágási feladatoknál általában lemez anyagokról van szó, amelyek nagy felülettel rendelkeznek, így nem gazdaságos abszorpciót növelı bevonatok (festék, grafit spray) és kezelések (homokszórás) alkalmazása.

Amint az a technológiai paraméterek megválasztási elveinek részletezése során beláthatóvá vált, a célnak megfelelı vágási paraméterek megválasztása során nagy számú tényezıt kell figyelembe venni, ezért a gyakorlatban tapasztalati értékeket tartalmazó táblázatok használatosak, bemutatva ezen értékeket anyag, vastagság, teljesítmény, elıtolási sebesség, stb. függvényében.

2.2.2.5. ábra: A teljesítmény megválasztása a vágható anyagvastagság és elıtolási sebesség függvényében

2.2.2.6. ábra: A teljesítmény megválasztása az elıtolási sebesség és az anyagminıség függvényében