Лазерный резак на газовой смеси часть 1

СО2 лазер

Лазер co2 является одним из первых газовых лазеров. Первый co2 был разработан в 1964 году инженером-электриком Чандра Кумар Наранбхай Патель. На сегодняшний день газовые лазеры являются одними из самых мощных с непрерывной подачей излучения.

Для того чтобы ощутить всю мощность co2, необходимо рассмотреть принцип его работы.

Газ для лазерной резки металла — зачем нужен и каким бывает?

Углекислотные лазеры

Углекислотный лазер − это оптический квантовый генератор, в основе которого используется углекислый газ. «Визитной карточкой» данного типа является длина волны излучения 9,4-10,6 мкм, лежащая в 4-ой гармонике инфракрасного спектра (длинноволновое), а также возможность генерации в непрерывном и импульсном режиме.

Такой тип излучения характеризуется высоким тепловым воздействием и, по сравнению с другими лазерами, считается самым мощным, достигая порядка 80 кВт в непрерывном режиме. Стоит отметить и еще одно преимущество углекислотных моделей, а именно высокую эффективность, стоящую на третьем месте среди аналогов и составляющую дифференциальному КПД 15-20%.

Недостаток углекислотного лазера заключается в его сравнительно высокой стоимости. Это обосновано использованием дорогостоящих материалов и технологических особенностей в производстве. Газовые углекислотные модели также значительно уступают по ресурсу твердотельным, но при этом занимают передовые позиции спроса, так как их применение не имеет аналогов в большинстве сфер промышленности и медицины.

Лазерная резка с помощью кислорода

Эта газовая смесь отлично подходит, если обрабатываются средне- и низкосплавные сорта стали. Попадая на поверхность металлического изделия, которая была нагрета лазером, кислород вступает в контакт со сплавом, происходит реакция окисления, активно выделяется тепло. Процедура характеризуется следующими особенностями:

может произойти частичное испарение материала;
высокая скорость;
газовая смесь при нагревании выделяет тепло, повышается температура разрезаемого листа.

Следует отметить, что скорость нарезки зависит от чистоты кислорода. Все примеси, которые могут быть в составе, замедляют процесс окисления. Минус — вещество создает довольно широкий оксидный слой на участке реза. Лазерная резка лазером в кислороде противопоказана алюминиевым изделиям, так как по краям остаются заусенцы.

Читайте также:

Лазерная резка металла своими руками — собираем самодельный лазер для резки металла

Принцип газового лазера

Передача энергии накачки происходит с помощью молекул N2 (азота) к молекулам co2 (углекислого газа). В качестве активной среды, которая находится в трубке, используют смесь газов, а именно диоксид углерода (co2), азота (N2), гелия (Не), в некоторых случаях водорода (Н2), водяного пара или ксенона (Хе). Принцип работы заключается в том, что с помощью электрической накачки молекулы азота возбуждаются и переходят в метастабильное состояние, в котором передают свою энергию возбуждения молекулам co2. Молекула углерода переходит в возбужденное состояние и испускает на атомном уровне один фотон. Далее данный фотон сталкивается с атомами другой возбужденной молекулы co2, которая испускает уже два фотона. И так, в трубке образуется большое количество фотонов. Другие газы, например, гелий необходим для релаксации молекул и понижения тепла. Водяной пар или водород могут повторно окислить угарный газ, который образуется при разряде, в углекислый газ и реакция начнется заново. Далее, в трубке расположено два зеркала, одно сначала трубки непрозрачное, которое изготавливается, в основном, из меди (Cu), второе на выходе луча, полупрозрачное, изготавливается из алмаза, так как последний имеет высокую прочность, степень прозрачности и обеспечивает сохранность всей системы из-за нечувствительности к тепловым перепадам. Именно оно пропускает фотоны, но не все, а только их часть, чтобы в трубке оставалась другая часть данных частиц для воспроизведения себе подобных. Выходя из полупрозрачного зеркала, фотоны попадают сначала на пространственный фильтр, который очищает лазер от боковых мод, а потом на линзу, которая собирает частицы в прямой луч.

Плюс заключается в том, что все фотоны имеют одинаковую длину волны, движутся параллельно друг другу, поэтому лазерный луч не рассеивается, в отличие от обычного света. Современные лазерные станки co2 являются горизонтальными, поэтому для направления луча на материал используют систему зеркал, которые отражают луч под необходимым углом. Луч попадает на каретку, содержащую последнее зеркало под углом 90 градусов, которое направляет луч уже на материал.

Излучение в co2 происходит на длине волны в 10.6 мкм. Средняя мощность составляет от нескольких десятков ватт до нескольких киловатт.

Шаг 1: Излучатель

Лазерная система состоит из 100 Вт лазерного резонатора и твердотельного радиочастотного усилителя, что интегрирован в алюминиевый корпус. Усилитель обеспечивает импульсную высокочастотную мощность, что ионизирует газовую смесь в трубке. Сигнал модуляции, контролирует ширину выходного импульса и его период. Усилитель производит 3 кВт мощности высокой частоты.

Средний диапазон мощностей 10-100 Вт;
Пик эффективной мощности 250 Вт;
Потребляемая энергия: 48 В/50 А пост.;
Вес: 15 кг;
Требование к охлаждению: теплоотвод на 2500 Вт, водяное охлаждение;
Документация;
Первоначальная цена: $27,000.

Блок питания с цифровым управлением и воздушным охлаждением был специально разработан для лазера. На выходе БП выдает 48 В постоянного тока и 50 А, а питается от 220 В.

Система управления.

Лазер G-100 имеет разъем DB25, что контролирует подключение и модуляцию входного сигнала от радиочастотного усилителя. Это позволяет проводить мониторинг температуры, рабочих циклов, а также поддерживает цифровое управление общей выходной мощности лазера.

Применение

Углекислотные лазеры по сей день остаются самыми востребованными в военном, промышленном, научном и медицинском применении. Благодаря высокой мощности и волновым особенностям излучения, они широко используются во многих сферах промышленности, где инфракрасный CO2 лазер имеет ряд особенностей и отличий.

Читайте также:

Чем резать металл: как лучше пилить толстое железо в домашних условиях, способы и виды оборудования

Оборудование, в котором чаще других применяется углекислотный лазер:

станки для резки и сварки;
лазерные граверы и фрезеровщики;
лазерные маркираторы;
плазмохимические реакторы;
оптические сканеры;
медицинское оборудование;
исследовательское оборудование.

Достаточно сложно перечислить всю область применения, но все же стоит выделить некоторые сферы, где углекислотные лазеры стали фаворитами.

Резка и сварка металла

Углекислотная модель применяется преимущественно для быстрого раскроя толстолистовой стали, а также металлов с высокой теплопроводностью. За счет мощного локального воздействия луча позволяет получить тонкий рез без оплавления и тепловой деформации кромки. При сварке обеспечивает глубокий и стабильный шов. Может применяться для сварки тугоплавких металлов.

Маркировка

Такие лазеры особо востребованы для маркировки по коже, бумаге, текстилю, резине, пластику и оргстеклу. Для данных материалов ИК-лазер стал единственно возможным решением скоростной динамической маркировки с возможностью получения четкого рисунка без повреждения маркированного материала.

Гравировка

Данное оборудование позволяет быстро выполнить 3D гравировку с наибольшей глубиной прорезания. Также широко используется для фрезеровки и чистки металлов.

Медицина и косметология

CO2 лазер впервые был применен в офтальмологии. Сегодня за счет активного поглощения ИК-луча водой и органическими тканями, его широко используют в хирургии, физиотерапии и диагностике. В некоторых случаях диагностики ИК-лазер может заменить вредное рентгеновское излучение. В косметологии широкое применение лазеры нашли для шлифовки кожи и депиляции.

Исследования

Углекислотный лазер наиболее применим в исследовательской деятельности, в частности в дефектоскопии полупроводниковых материалов. Способность луча проникать и отражаться позволяет обнаруживать дефекты эпитаксиальных слоев, размером 0,1 мм.

В последнее время большой толчок получило лазерное сканирование, где ИК-лазеры стали основным инструментом. Бегающий со скоростью 15 м/с невидимый луч дает возможность получить трехмерное изображение объектов.

Читайте также:

Лазерная и плазменная резка металла — особенности и отличия

Виды газовых лазеров

Непроточные с запечатанными трубками. Его используют для получения мощностей от нескольких ватт до нескольких сотен ватт. Непроточный лазер отличается от других нем, что газ и весь оптический путь находятся в запаянной трубке. Газовые трубки являются прочными и компактными установками, срок службы которых достигает несколько тысяч часов;

Диффузно-охлаждающие. Газ в данных типах расположен между двух плоских RF-электродов, охлажденных водой. При создании избыточного тепла он передается на электроды путем диффузии. Данный лазер вырабатывает несколько киловатт мощности;

Лазеры, имеющие быстрое осевое и поперечное течение потока. Избыточное тепло в данном лазере поглощается за счет быстрого течения газовой смеси, которая переходит через внешний охлаждающий элемент, например, воду. Указанный вид лазеров выдает мощность в несколько киловатт;

Лазеры, имеющие поперечно возбужденную среду. Он отличается наличием высокого газового давления. Поперечные возбуждения осуществляются с помощью серии электродов вдоль трубки, так как напряжение, которое необходимо для продольного разряда, становится быстро высоким. Так как газовый разряд не может быть стабильным при высоком давлении в трубке, лазер данного вида может работать только в импульсном режиме. Лазер с поперечно возбужденной средой выдает мощность в несколько десятков киловатт;

co2 с мощностью в несколько мегаватт. Они используются в противоракетном оружии. Отличительная особенность таких мощных лазеров заключается в том, что энергия подается не с помощью газового разряда, а посредством химической реакции, что на выходе дает огромную мощность.

Нарезка с помощью газовой смеси на основе азота

Этот газ является вспомогательным и часто применяется при нарезке таких материалов:

малоуглеродистой стали;
алюминия;
нержавеющей стали;
керамики;
пластика;
никелевых сплавов.

Технология применяется в тех случаях, когда нужно избежать окисления кромок металла. Методика позволяет получить чистые края реза, отсутствует окалина и перегрев. Лазерная резка азотом отлично подходит для алюминия и нержавеющей стали, способна сохранить антикоррозийные свойства металла. Сплав при воздействии этой газовой смеси не горит и не испаряется, только плавится.

Шаг 2: Роботизированный ЧПУ стол

ЧПУ стол вероятней всего был изготовлен в 90-тые. В общей сложности запас по перемещению 45 см по осям X и Y. Шаг ходовых винтов составлял 0,6 см. Двигатели, что шли вместе со столом были слишком старыми для того, чтобы использовать их в проекте. Поэтому были установлены новые сервоприводы. Их характеристики:

Максимальное напряжение на клеммах 60В;
Максимальная скорость вращения 2100 оборотов в минуту (без нагрузки);
Максимальный крутящий момент 108 килограмм на см;
Максимальный пиковый ток5A.

Цифровые датчики определяют количество оборотов вала, относительно первоначального положения.

На сайте есть чертежи в которых представлены описание шкивов, ремней, систем прямой связи. Нужно было сделать математический расчет длины ремня с учетом геометрии двигателей, шкивов, винтовых передач. При помощи программы autocad было определено количество зубьев шестерёнок необходимых для подбора ремня правильной длины.

После того, как определено предполагаемое положение установки двигателя, изготовим рамы из 0,9 см алюминиевых пластин.

Читайте также:

3Д-сканер своими руками: детали и технологии. Самодельный 3D-сканер

Была разработана версия стола, которая будет поддерживать части, что порезаны лазером более эффективно. Основа построена с 12 полотен для пилки по металлу. В длину полотна 61 см, в ширину 5 см и 0,15 см в толщину. Стол был построен с использование стержней 60 см в длину с резьбой, что установлены в отверстиях полотен.

Шаг 5: Контроллер лазера

Контроллер лазера состоит из нескольких самодельных электронных устройств, которые изменяют состояния самого лазера, генерируя импульс определенной модуляции.

Система идеально подходит для управления лазером, так как позволяет управлять различными элементами системы.

Есть более 120 различных линий связи, что идут от концевых выключателей, датчиков и плат. Все линии ведут к четырем 30 контактным гнездам. Решение хорошее, поскольку оно уменьшает количество различных спаянных контактов, уменьшает число прямых соединений между компонентами.

Всё это имеет ряд преимуществ:

Отсутствие пайки – это хорошо. Связь устанавливается путем обжима провода с последующей установкой в держатель. Однако есть проблемы при разборке.

Не рекомендую соединять компоненты с помощью проводов. Поскольку при замене компонентов придётся перепаивать довольно много выводов.

Не поймите меня не правильно, провода существуют, но они централизованы в четырех основных штекерах.

Есть значительные преимущества в расположении дорожек и компонентов на одной стороне платы. После выполнения травки проверьте дорожки тестером. Проводим отладку цепи на проверку качества соединений, тестирование чипов. При правильном подходе к процессу монтажа дальнейшее обслуживания платы не станет проблемой.

Лазерная резка в различных газах в «Металл‑Кейсе»

Мы режем металл в кислороде, азоте и инертных газах. Давайте обсудим конкретику — что вас интересует? Какой материал, какие детали и какой объем партии? Наш специалист готов рассчитать стоимость и сроки вашего возможного заказа, чтобы вы могли принять взвешенное решение, хотите ли работать с нами. Отправьте нам ваш контактный телефон через форму ниже, чтобы он мог связаться с вами.

Устройство и принцип действия

Углекислотный лазер построен по стандартной схеме фотонного усилителя − активная среда в резонаторе. В качестве активной среды используется газовая смесь углекислоты, азота и гелия. Принципиальное значение в название вида лазера имеет углекислота (CO2 − двуокись углерода). Ведь именно на переходе между колебательными уровнями молекулы CO2, происходит генерация излучения.

Резонатором служит трубка, построенная по схеме Фабри-Перо. Это цилиндрический сосуд с взаимно направленными одним полупрозрачным и вторым глухим торцевыми зеркалами, создающими резонансную волну. Для накачки используется электрический разряд − пропускание через газ постоянного или импульсного тока.

Процесс формирования излучения состоит из 3-х этапов:

При прохождении тока (электронного потока) через активную среду, электроны сталкиваются с молекулами азота. При столкновении молекулам азота передается колебательная энергия.
Молекулы азота сталкиваются с молекулами углекислоты и передают им часть колебательной энергии. Таким образом происходит инверсия населенностей возбужденных частиц углекислоты.
Далее возбужденные молекулы углекислоты сталкиваются с молекулами инертного газа гелия, что приводит к их релаксации с высвобождением спонтанного излучения.

При всем этом сложном процессе выделяемые фотоны, движущиеся параллельно вдоль трубки, поочередно отражаются от торцевых зеркал и создают световой резонанс. С каждым проходом через активную среду происходит оптическое усиление за счет выделения новых фотонов при каждом проходе. Как только достигается критическая инверсия населенностей, из спонтанного излучения развивается генерация лазерного излучения.

Конструктивная схема устройства CO2 лазера намного сложней. Она включает элементы охлаждения, материалы изготовления, точные размеры и др. Также и активная среда может содержать дополнительные газы, служащие для снижения выгорания смеси и усиления ее регенерации.

В целом у каждого производителя всегда есть свои секреты, но для потребителя важней становятся характеристики, содержащие все параметры лазерного излучения. Стоимость углекислотного лазера также может сильно различаться и в основном зависит от мощности и ресурса.

Нарезка с помощью аргона

Этот газ является вспомогательным. Предотвращает появление на металлах окалин и окислов. Лазерная технология подходит при работе с титаном, отсутствуют проблемы, связанные с разгаром задней кромки. Резка лазером в аргоне с применением гелия может применяться и при работе с алюминием.

В итоге можно сказать, что выбор газовой смеси зависит от выбранного металла и его характерных особенностей. Если вы сомневаетесь в том, какой технологии отдать предпочтение, воспользуйтесь услугами профессионалов нашей компании, обязательно произведем лазерную резку трубы и других изделий максимально качественно.

Шаг 3: Блок питания для двигателя

Стол такого размера и массы для перемещения по осям требует сервоприводы с большим запасом мощности.

Производитель Plitron продает тороидальные трансформаторы. На их сайте приводятся полезные технические примечания technical notes. Для расчета требуемого напряжения трансформатора воспользуемся формулой (68 В постоянного тока + 2) * 0.8 = 56 В переменного тока.

Используя полученное значение напряжения, внесем изменение в конструкции трансформатора. Для тороида с переменным напряжением 55 В номинальная мощность трансформатора составляет 13.4A * 55 В = 743 Вт.

Для определения значения ёмкости конденсатора для фильтрации воспользуемся формулой ((80000 * I) / V)= ((80000 * 18) / 68) = 21167 uF. Приобретем 5 конденсаторов (3VTLM153M80V, 15000uF, 80 В) и 4 мостовых выпрямителя 25 А, 200 В.

Внимание: Конденсаторы после подключения накапливают смертельный заряд. Подключать их в цепь следует в последнюю очередь. Это связано с тем, что БП не подключён к нагрузке. Выходные клеммы БП следует шунтировать, когда БП не используется. К счастью производители Gecko предусмотрели удаление заряда.

В работе используем провода (14 жильные), клеммы, клеммные блоки с винтовыми зажимами.

Трансформатор вырабатывает слишком большое напряжение. Для понижения требуется удалить немного обмотки с тороида. Удалим термоусадочную плёнку, что охватывает обмотку, защищает провода от повреждений. После этого приступаем к удалению вторичной обмотки.

Было протестировано 5 вариантов длины обмотки. После каждого изменения подключаем трансформатор к вольтметру. Припаяем новые разъемы, изолируем все пропаянные соединения термоусадкой.

Обернем термоусадочной пленкой «бублик». Трансформатор был установлен назад в корпус блока питания. Теперь он выдает нужное для работы напряжение.