Laserleikkaus on edistynyt valmistustekniikka, joka käyttää korkean -teho-tiheyden lasersäteitä yhdessä CNC-laitteiden kanssa kosketuksettoman materiaalinkäsittelyn suorittamiseen-. Tekniikka juontaa juurensa vuoteen 1965, jolloin ensimmäistä laserleikkauskonetta sovellettiin timanttiporaukseen. Yhdistyneessä kuningaskunnassa saavutettiin ensimmäinen metallien laser{5}-avusteinen happileikkaus vuonna 1967. 1970-luvulla laserleikkaustekniikka alkoi tunkeutua ilmailualalle, ja sen jälkeen, kun CO₂ tuli laajalti käyttöön laserilla tavanomaisia plasmaleikkausprosesseja.
Lämpöleikkausmenetelmänä laserleikkaus erottuu erinomaisesta leikkauslaadusta, korkeasta tehokkuudesta ja poikkeuksellisesta joustavuudesta, mikä mahdollistaa tuotannon aina yksittäisistä-yksikön mukaisista töistä suuriin{1}}volyymeihin.
Toimintaperiaatteet
1.1 Laserin generointi ja säteen ominaisuudet
Laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) tuottaa erittäin koherentin, monokromaattisen säteen stimuloidun emission avulla. Laserjärjestelmä koostuu kolmesta peruskomponentista: aktiivisesta väliaineesta (kiinteä, nestemäinen tai kaasu), energialähde (pumppumekanismi) ja optinen resonaattori. Kun aktiivinen väliaine saa virtaa, se lähettää fotoneja; resonaattori heijastaa näitä fotoneja edestakaisin väliaineen läpi vahvistaen ja kohdistaen valon aallot muodostaen lopulta korkean-energiatiheyden-lasersäteen.
Lasersäteet eroavat tavallisesta valosta useissa kriittisissä piirteissä: korkea intensiteetti, erittäin kapea taajuusalue (monokromaattisuus), terävä kollimaatio ja korkea koherenssi.
1.2 Fyysinen leikkausmekanismi
Laserleikkausprosessi sisältää kaksi samanaikaista toimenpidettä:
Materiaalin kuumennus ja faasimuutos: Kohdistettu, suuren-teho-tiheyslasersäde säteilyttää työkappaleen pintaa, jolloin säteilytetyllä alueella tapahtuu nopea lämpötilan nousu, joka sulaa, höyrystyy, hajoaa tai sytyttää materiaalin nopeasti.
Sulan poisto: Suurinopeuksinen{0}}apukaasu, joka on koaksiaalinen säteen kanssa, puhaltaa sulan materiaalin raosta, jolloin materiaali erottuu. Tämä kaasuvirta suojaa samanaikaisesti tarkennusoptiikkaa höyryltä ja roiskeilta.
1.3 Tarkkuus- ja prosessiparametrit
Laserleikkauksella saavutetaan ±0,05 mm:n mittatarkkuus, uurteiden leveydet 0,10–0,20 mm ja pinnan karheus kymmenien mikrometrien luokkaa. Leikkauksen laatuun vaikuttavia tärkeimpiä parametreja ovat:
Laserteho ja tehotiheys: Määritä saavutettava materiaalin paksuus ja leikkausnopeus
Säteen polttopiste: Vaikuttaa uurteen leveyteen ja pystysuoraan
Apukaasun tyyppi ja paine: Sanelee sulatteen poiston tehokkuuden
Suuttimen halkaisija: Vaihtelee tyypillisesti 0,8–3 mm materiaalin ja paksuuden perusteella
On syytä huomata, että erittäin heijastavilla materiaaleilla, kuten kuparilla ja alumiinilla, on erittäin alhainen absorptionopeus tietyillä laseraallonpituuksilla, mikä aiheuttaa merkittäviä käsittelyhaasteita.
Ensisijaisten prosessien luokitukset ja tekniset ominaisuudet
Laserleikkausprosessit luokitellaan neljään päätyyppiin materiaalinpoistomekanismien perusteella:
2.1 Laserhöyrystysleikkaus
Suuri-energiatiheys-lasersäde lämmittää työkappaleen saavuttaen nopeasti materiaalin kiehumispisteen ja aiheuttaa suoran höyrystymisen. Nopea -höyrypurkaus muodostaa samanaikaisesti uurteen.
Power density requirement: Typically >10⁸ W/cm²
Soveltuvat materiaalit: Erittäin ohuet metallit ja ei--metalliset materiaalit (paperi, kangas, puu, muovit, kumi jne.)
Ominaisuudet: Suuri energian tarve; sopii sovelluksiin, joissa vaaditaan sulan jäännöksen välttämistä
2.2 Lasersulatusleikkaus
Laserkuumennus sulattaa materiaalin, ja ei--hapettava apukaasu (Ar, He, N₂ jne.) karkottaa sulan metallin korkean paineen kautta uurteen muodostamiseksi.
Energiatehokkuus: Vaatii vain 1/10 höyrystysleikkauksen energiasta
Soveltuvat materiaalit: ruostumaton teräs, titaani, alumiini ja niiden seokset-hapettumista kestävät materiaalit tai reaktiiviset metallit
Prosessin etu: Tuottaa oksidivapaata{0}}leikattua reunaa korkealaatuisina
2.3 Laserhappileikkaus (liekkileikkaus)
Analogisesti oksiasetyleenileikkauksen kanssa, tämä prosessi käyttää laseria esilämmityslämmönlähteenä ja happea leikkauskaasuna. Happi reagoi eksotermisesti metallin kanssa puhaltaen samalla ulos sulat oksidit.
Energiatehokkuus: Vaatii vain 1/2 sulatusleikkauksen energiasta; leikkausnopeus ylittää merkittävästi sekä höyrystymisen että sulatusleikkauksen
Soveltuvat materiaalit: hiiliteräs, titaaniteräs ja lämpö{0}}käsitellyt teräkset-metallit, jotka ovat herkkiä hapettumiselle
Prosessin rajoitukset: leveämpi rako, suurempi lämmön{0}}vaikutusalue, alttius kulmien palamiselle ja suhteellisen huonompi reunalaatu
2.4 Laserkirjoitus ja kontrolloitu murtuma
Laserviivaus käyttää korkean -energiatiheyden-laseria hauraiden materiaalien pinnan skannaamiseen, höyrystäen matalan uran lämpöhaihdutuksen kautta, minkä jälkeen materiaali murtuu uraa pitkin mekaanisella voimalla. Hallittu murtuma hyödyntää laserurituksen synnyttämää jyrkkää lämpögradienttia luomaan paikallista lämpöjännitystä hauraassa materiaalissa, mikä aiheuttaa irtoamisen uraa pitkin.
Soveltuvat materiaalit: Keramiikka, puolijohteet ja muut hauraat materiaalit
Tyypilliset laserit: Q-kytkentälaserit, CO₂-laserit
Sovellusalueet ja toimialan arvo
Laserleikkaustekniikka on tunkeutunut useille kriittisille teollisuuden aloille:
Autojen valmistus: Korin rungot, turvatyynykomponentit, sisäpaneelit
Ilmailu: moottorin osat, titaaniseoksesta valmistetut kanavat, rungon ihon jäykisteet
Elektroniikan valmistus: Tarkkuusmikro-komponentit, piirilevyt, liittimet
Lääketieteelliset laitteet: Sepelvaltimon stentit, kirurgiset instrumentit, mikrofluidilaitteet
Metallilevyjen valmistus: Siitä on tullut hallitseva prosessi, joka syrjäyttää perinteiset menetelmät
Johtopäätös
Ydinvalmistusteknologiana laserleikkaus ajaa edelleen teollista muutosta korkean tarkkuuden, korkean tehokkuuden ja poikkeuksellisen joustavuuden yhdistettyjen etujen ansiosta. Jatkuva teknologinen kehitys on laajentanut laserleikkauksen sovellusrajoja höyrystysleikkauksesta happi-avusteiseen leikkaukseen ja CO₂-lasereista kuitulasereihin, mikä mahdollistaa korkealaatuisen ja tehokkaan käsittelyn useilla eri materiaaleilla ja paksuuksilla.
