A lézervágás

A lézervágás egy olyan automatizált (rendszerint CNC) anyagszétválasztási (termikus vágási) eljárás, amelynél a vágáshoz szükséges hőenergiát a lézersugár biztosítja. Leggyakoribb ipari alkalmazási területe szerkezeti acélok, alumínium és rozsdamentes lemeztáblák, illetve -csövek, idomacélok megmunkálása, darabolása.

Története

A lézersugárzás elméleti alapjait még Albert Einstein rakta le 1917-ben, azonban a korabeli technika még nem tudott mit kezdeni elméletével. Több, mint 40 év elteltével építették meg az első működő készüléket, amely Charles Hard Townes és Arthur L. Schawlow által 1958-ban publikált elméletre épült. Theodore Maiman ekkor villanólámpával gerjesztett rubin kristályt használt. Ugyanebben az évben, Ali Javan állította elő az első hélium–neon gázlézert. Ez volt az első folytonos sugárzású lézer, amely az elektromos energiát alakítja át lézersugárrá. 1962 Robert Hall megalkotja a félvezető lézert, Kumar Partel pedig a nagy teljesítményű, folytonos sugárzású széndioxid gázlézert. 1967-ben az angol The Welding Institute kutatóintézetben lemezvágáshoz fejlesztettek lézereket. Az első lemezvágásra fejlesztett különleges lézert Birminghamben helyezték üzembe. 1970-ben a Messer Griesheim piacra dobja az első CNC lézersugaras vágóberendezést. Ipari célokra többnyire a széndioxid gázlézer használnak, elsősorban az üzemeltetés relatív olcsósága miatt.

A lézeres vágástechnológiák csoportosítása

A lézeres vágástechnológiáknak három csoportját különböztetjük meg:

–Oxidációs vágás (égető vágásnak is nevezik), melynek során a vágandó anyagot olyan magas hőmérsékletre hevítik, hogy az meggyullad a felületre fúvatott nagy tisztaságú oxigénben. Ezzel a technológiával olyan anyagok vághatók, amelyeknek gyulladáspontja alacsonyabb, mint az olvadáspontja. Ilyen anyagok például az ötvözetlen és a gyengén ötvözött acélok. A 2-3 bar nyomású oxigén segít az ömledék és salak kifúvásában is.

–Olvasztó vágás (vagy inert gázos vágás), melynek során az anyagot lézersugárral olvadáspontjáig hevítik, majd a keletkezett olvadékot semleges segédgáz (rendszerint nitrogén) segítségével nagy nyomáson (13-25 bar) kifúvatják a keletkezett vágórésből (ezt használják például alumínium és rozsdamentes anyagok vágásakor). Speciális esetekben – mint pl. titán, vagy magnézium vágásakor – nitrogén helyett argon gázt használnak.

–Szublimációs vágást olyan anyagok vágására használnak, amelyeknek nincs olvadáspontja (például a fa, műanyag, kerámia vagy papír). A szublimációs vágás során a megmunkált anyag szilárd halmazállapotból közvetlenül gázneművé alakul át (szublimál).

Néhány anyag lézerrel csak nehezen és költségesen vágható, ilyen például a vörösréz vagy az ezüst. Ennek oka az, hogy az említett anyagok nagyon jó hővezetők, így a vágás létrejöttéhez szükséges helyi túlhevülés éppen a kiváló hővezetés miatt nem tud kialakulni. Lánggal nem vágható anyagok ömlesztő és gőzölögtető lézervágása során a vágórés elgőzölögtetett anyagát a vágandó anyaggal nem reakcióképes gázsugár (pl. nitrogén) fújja ki.

Lézervágás

A lézervágás jellemzői

– a munkadarab vágása mechanikus érintés nélkül történik
– a vágandó anyag mechanikai tulajdonságai nem befolyásolják a vágást
– a vágórés keskeny, fémeknél kb. 0,2 mm
– a vágás sorja mentes, a hőhatásövezet kicsi
– a vágott felület minősége jó (Rmax = 30…50 mm), utánmunkálást általában nem igényel
– nagy tervezői szabadság a munkadarab kialakítását illetően, kis anyaghidak és éles bemetszések is elkészíthetők a koncentrált hőbevitel folytán.
– a lézeresvágás előnye a nagyfokú automatizáltság. A hagyományos NC- és CNC-vezérlésű vágóberendezések mellett napjainkban már megjelentek a rugalmas programozású robotok is.

Lézerrel működő ipari vágógépek

Lézeres vágógépek szokásos elnevezései a vágandó anyagfajta geometriájára utalnak.
Léteznek síklézerek, amelyek a lemeztáblák és egyéb síkfelületek megmunkálására alkalmasak.
Továbbá csőlézerek, amelyek általában csövek, zártszelvények, idomacélok és esetleg síkovál profilok megmunkálására szolgálnak.

Lézervágó gépek működési elve

Egy üvegcsőben áramoltatott nagy tisztaságú, kisnyomású gáz(keveréket) középfrekvenciás (1-10kHz), nagyfeszültségű impulzusokkal gerjesztik (pumpálják). A keletkezett lézersugarat tükrökön (vetítéssel) vagy – kisebb teljesítmények esetén – üvegszálon át juttatják el a vágófejhez. A vágófejben egy vagy több speciális anyagú lencse végzi a fókuszálást. Vastagabb anyagokhoz általában 190mm gyújtótávolságú, míg 6mm vastagság alatt 110mm-es fókusztávolságú cinkszelenid (ZnSe) anyagú lencséket használnak. A lencse a beérkező fényt a tárgy felületére fókuszálja oly módon, hogy a fókuszpont átmérője 0,1 mm körül van. Így rendkívüli energia koncentrálódik nagyon kis területen: hatására létrejön a vágás.

A vágófej lineáris vezetékeken tud elmozdulni két X-Y koordináta irányában, továbbá függőlegesen a Z-tengely mentén. A vágófej pontos pozicionálását léptetőmotorok vezérlik, amelyek a szükséges számú impulzust a CNC vezérlőberendezéstől kapják a vágandó profil függvényében. Csőlézer esetén egy további C-tengely is használatos, amely a befogott cső kívánt szögelfordulását biztosítja (akár pozicionáláshoz, akár megmunkálás közben).

Lézeres vágás esetén kétféle gázt használnak. Rezonátorgázt és segédgázt. A rezonátorgáz az a nagy tisztaságú gáz (legalább 99,996 %-os tisztaságú), amelyet gázlézerek esetén a lézercsőben a lézer előállítására használnak. Leggyakoribb a széndioxid, de gyakran nitrogén és hélium esetleg neon keveréket használnak. A pontos keverési arány gyártóművi titoknak számít.
A segédgáz feladata a gőz és a levált anyagrészecskék kifúvatása a vágási résből, továbbá a levált, megolvadt anyagrészecskék, fémgőzök távol tartása az optikától. Segédgázként oxigént, nitrogént esetleg argont használnak a megmunkált anyagtól függően. A lézersugaras vágáshoz általában az alábbi gázokat szokták alkalmazni:

Lézersugár védőgázak

A CO2 rezonátorok mellett terjedőben vannak a tárcsalézer (disk) és a szállézer (fiber) rezonátoros gépek.
Tárcsa (disk) lézer: A tárcsa lézerek zseniális kombinációi a szilárdtest és dióda lézereknek. A sugárminőség a teljes teljesítmény tartományban állandó és nem érzékeny a reflexióra. A legújabb diszklézerek jelenleg akár 10 kW teljesítményre is képesek.

Tárcsa lézer ábra lézervágás

A szállézer (fiber laser): hajszálnál is vékonyabb itterbiummal ötvözött optikai szálat diódalézerrel gerjesztik. A sugárzás hullámhossza 1.062 µm. hatásfokkal ~ 30 % vágásra, hegesztésre jellemző teljesítmény 1 – 10 kW

Fiber szállézer ábra lézervágás

Vágási paraméterek

A tulajdonképpeni vágási sebesség számos tényező függvénye. Általában elmondható, hogy az ipari síklézerek nagyon gyorsak: 1mm-es szerkezeti acéllemez (St37) vágása esetén az előtolási (vágási) sebesség 6000-12000(!) mm/perc között van. A megmunkálható lemezvastagság függ a gépbe épített lézer generátor teljesítményétől, rendszerint 6-12mm-es acéllemez, 8mm-es alumínium lemez és 10mm-es KO33-as rozsdamentes lemez a felső korlát. A vágott felület elérhető felületi érdessége Ra 5-10 között, a tűrés – a lemezvastagság és az alkalmazott technológia függvényében – néhány század de legfeljebb 0,1mm.

Minden lézervágó gép az emberi szem számára láthatatlan infravörös tartományban dolgozik, például a széndioxid lézerek az 1060 nm-es hullámhosszon működnek. Mivel az ipari lézerek teljesítménye általában 1 és 20 kW között van, még a szórt (lemeztábláról visszaverődő) lézerfény is vakságot okozhat. A gépek kezelőit a láthatatlan veszély miatt számos biztonsági berendezés (és az infravörös fény számára nem átlátszó üvegablak) védi. A gép tartozéka az elszívó berendezés és leválasztó ciklon, amely gondoskodik a vágás közben keletkező fémporok és fémgőzök összegyűjtéséről.

A lézervágás különösen alkalmas kis darabszámú, alakos fém munkadarabok készítésére, de a lézereket egyre nagyobb számban használják fel nemfémes anyagok (polimerek, fa, textil, kompozitok, kerámiák stb.) vágására is. Ennek oka a gazdaságosságon kívül az is, hogy lézervágással jó minőségű termékek készíthetők, különösen a tömeggyártás területén. A nemfémes anyagok vágásának további előnye, hogy a munkaeszköz és a vágandó anyag között nincs közvetlen kapcsolat, a lézeres technológiával a rugalmas anyag (műanyag, gumi) is pontosan kivágható.