Lazer Kesimin Temelleri ve İşleme Sistemi —Lazer Kesim Ekipmanları

II. Lazer Kesim Ekipmanlarının Bileşimi

2.1 Lazer Kesim Makinesinin Bileşenleri ve Çalışma Prensibi

Lazer kesim makinesi, lazer yayıcı, kesme kafası, ışın iletim düzeneği, takım tezgahı çalışma tablası, sayısal kontrol (NC) sistemi, bilgisayar (donanım ve yazılım), soğutucu, koruyucu gaz silindiri, toz toplayıcı ve hava kurutucudan oluşur.

Lazer Jeneratörü

Lazer jeneratörü, lazer ışık kaynakları üreten bir cihazdır. Lazer kesim uygulamalarında, YAG katı hal lazerlerinin kullanıldığı birkaç durum dışında, çoğu makine yüksek elektro-optik dönüşüm verimliliğine ve yüksek güç çıkışına sahip CO₂ gaz lazerlerini kullanır. Lazer kesim, ışın kalitesi konusunda katı gereksinimler getirdiğinden, tüm lazerler kesim için uygun değildir.
Kesici Kafa

Başlıca bileşenleri arasında nozul, odaklama merceği ve odak takip sistemi bulunur.

Kesici kafa tahrik cihazı, önceden ayarlanmış programlara göre kesici kafayı Z ekseni boyunca hareket ettirmek için kullanılır. Bir servo motor ve vidalı miller veya dişliler gibi iletim parçalarından oluşur.

(1) Meme: Üç ana meme tipi vardır: paralel tip, yakınsak tip ve konik tip.

(2) Odaklama Merceği: Lazer ışın enerjisi kullanılarak kesim yapmak için, lazer tarafından yayılan orijinal ışın, yüksek enerji yoğunluğuna sahip bir ışık noktası oluşturmak üzere bir mercekten geçirilerek odaklanmalıdır. Orta ve uzun odak uzaklığına sahip mercekler, kalın plaka kesimi için uygundur ve izleme sisteminin aralık kararlılığı için daha düşük gereksinimlere sahiptir. Kısa odak uzaklığına sahip mercekler yalnızca 3 mm'nin altındaki ince plakaların kesimi için uygundur; izleme sisteminin aralık kararlılığı için katı gereksinimlere sahiptirler ancak gerekli lazer çıkış gücünü önemli ölçüde azaltabilirler.

(3) İzleme Sistemi: Bir lazer kesme makinesinin odak izleme sistemi genellikle bir odaklama kesme kafası ve bir izleme sensör sisteminden oluşur. Kesme kafası, ışın yönlendirme ve odaklama, su soğutma, gaz üfleme ve mekanik ayarlama işlevlerini entegre eder.

Sensör, algılama elemanlarından ve bir yükseltme kontrol ünitesinden oluşur. İzleme sistemleri, algılama elemanlarının türüne bağlı olarak tamamen farklılık gösterir. İki ana tür mevcuttur: biri kapasitif sensör izleme sistemi, diğer adıyla temassız izleme sistemi; diğeri ise indüktif sensör izleme sistemi, diğer adıyla temaslı izleme sistemidir.
Işın İletim Tertibatı

Dış Optik Yol: Lazer ışınını istenen yöne yönlendirmek için yansıtıcı aynalar kullanılır. Işın yolunda arızaları önlemek için tüm yansıtıcı aynalar kalkanlarla korunur ve aynaların kirlenmesini önlemek için temiz pozitif basınçlı koruyucu gaz verilir. Yüksek performanslı bir mercek, sapmayan bir ışını sonsuz derecede küçük bir noktaya odaklayabilir. Genellikle 5,0 inç odak uzaklığına sahip bir mercek kullanılırken, 7,5 inçlik bir mercek yalnızca 12 mm'den daha kalın malzemelerin kesimi için uygundur.
Takım Tezgahı Çalışma Masası

Ana Makine Gövdesi: Makine takımının ana gövde bölümü.lazer kesim makinesiX, Y ve Z eksenlerinin hareketini gerçekleştiren mekanik parçadır ve kesme platformunu da içerir.
Sayısal Kontrol Sistemi

NC sistemi, takım tezgahının X, Y, Z eksenlerindeki hareketlerini kontrol eder ve aynı zamanda lazerin çıkış gücünü düzenler.
Soğutma Sistemi

Soğutma Ünitesi: Lazer jeneratörünü soğutmak için kullanılır. Lazer, elektrik enerjisini ışık enerjisine dönüştüren bir cihazdır. Örneğin, bir CO₂ gaz lazerinin dönüşüm verimliliği genellikle %20'dir ve kalan enerji ısıya dönüşür. Soğutma suyu, lazer jeneratörünün normal çalışmasını sürdürmek için fazla ısıyı uzaklaştırır. Soğutma ünitesi ayrıca, takım tezgahının dış optik yol aynalarını ve odaklama merceklerini soğutarak, kararlı ışın iletim kalitesini sağlar ve aşırı ısınma nedeniyle mercek deformasyonunu veya çatlamasını etkili bir şekilde önler.
Gaz Tüpleri

Gaz tüpleri, lazer kesim makinesi için çalışma ortamı tüpleri ve yardımcı gaz tüplerini içerir; bunlar lazer salınımı için endüstriyel gazları desteklemek ve kesim kafası için yardımcı gaz sağlamak amacıyla kullanılır.
Toz Giderme Sistemi

İşleme sırasında oluşan duman ve tozu emer ve egzoz gazı emisyonlarının çevre koruma standartlarını karşılamasını sağlamak için filtreleme işlemi uygular.
Hava Soğutmalı Kurutucu ve Filtre

Lazer jeneratörüne ve ışın yoluna temiz ve kuru hava sağlayarak, ışın yolunun ve yansıtıcı aynaların normal çalışmasını sürdürür.

2.2 Lazer Kesim için Kesme Torcu

Lazer kesim için kullanılan kesme torcunun yapısal şeması aşağıda gösterilmiştir. Esas olarak torç gövdesi, odaklama merceği, yansıtıcı ayna ve yardımcı gaz memesinden oluşmaktadır. Lazer kesim sırasında, kesme torcunun aşağıdaki gereksinimleri karşılaması gerekir:

① Meşale yeterli miktarda gaz akışı sağlayabilir.

② Meşalenin içindeki gazın çıkış yönü, yansıtıcı aynanın optik ekseniyle aynı doğrultuda olmalıdır.

③ El fenerinin odak uzaklığı kolayca ayarlanabilir.

④ Kesim işlemi sırasında, metal buharı ve kesilen metalden sıçrayan parçalar yansıtıcı aynaya zarar vermemelidir.

Kesme torcunun hareketi, bir NC hareket sistemi tarafından ayarlanır. Kesme torcu ile iş parçası arasındaki göreceli hareket için üç senaryo vardır:

① Kaynak torcu sabit kalırken iş parçası çalışma tablası üzerinden hareket eder — çoğunlukla küçük boyutlu iş parçaları için uygundur.

② İş parçası sabit kalırken kaynak torcu hareket eder.

③ Hem kaynak torcu hem de çalışma tablası aynı anda hareket eder.

2.2.1 Kesme Başlığı

Lazer kesme başlığı, odaklama merceği ve kesme memesinden oluşan ışın iletim sisteminin sonunda yer almaktadır.

Odaklama lensleri esas olarak odak uzaklıklarına göre sınıflandırılır. Çoğu lazer kesim ekipmanı, farklı odak uzaklıklarına sahip çeşitli kesim kafalarıyla donatılmıştır. CO₂ lazer kesimini örnek alırsak, yaygın odak uzaklıkları 127 mm (5 inç) ve 190 mm (7,5 inç)'tir. Kısa odak uzaklığına sahip bir lens, küçük bir odak noktası ve kısa bir odak derinliği üretir; bu da kesim genişliğini azaltmaya ve daha ince kesimler elde etmeye elverişlidir. Uzun odak uzaklığına sahip bir lens ise daha büyük bir odak noktası ve daha uzun bir odak derinliği sağlar. Kısa odak uzaklığına sahip lenslerle karşılaştırıldığında, uzun odak uzaklığına sahip lensler, odak noktasına yakın malzeme işleme için yeterli lazer enerji yoğunluğuna sahip odaklanmış bir ışın sağlayabilir. Bu nedenle, kısa odak uzaklığına sahip lensler çoğunlukla ince plakaların hassas kesimi için kullanılırken, daha kalın malzemeler için yeterli odak derinliği elde etmek, nokta çapında minimum varyasyonu sağlamak ve kesim kalınlığı aralığında yeterli güç yoğunluğunu garanti etmek için uzun odak uzaklığına sahip lensler gereklidir.

Odaklama mercekleri, kesme torcuna gelen paralel lazer ışınını odaklamak için kullanılır ve böylece daha küçük bir nokta boyutu ve daha yüksek güç yoğunluğu elde edilir. Mercekler, lazer dalga boyunu iletebilen malzemelerden yapılır. Katı hal lazerlerinde yaygın olarak optik cam kullanılırken, CO₂ gaz lazerlerinde (sıradan cam CO₂ lazer ışınlarına karşı şeffaf olmadığı için) ZnSe, GaAs ve Ge gibi malzemeler kullanılır; bunların arasında ZnSe en yaygın kullanılanıdır.

Lazer kesiminde, güç yoğunluğunu artırmak ve yüksek hızlı kesime olanak sağlamak için odak noktası çapının en aza indirilmesi arzu edilir. Bununla birlikte, daha kısa bir lens odak uzaklığı, daha küçük bir odak derinliğine neden olur ve kalın plakaları keserken dik bir kesim yüzeyi elde etmeyi zorlaştırır. Ayrıca, daha kısa bir odak uzaklığı, lens ile iş parçası arasındaki mesafeyi azaltarak, kesim sırasında erimiş sıçramalarla lensin kirlenme riskini artırır ve normal çalışmayı etkiler. Bu nedenle, uygun odak uzaklığı, kesim kalınlığı ve kesim kalitesi gereksinimleri gibi faktörlere dayanarak kapsamlı bir şekilde belirlenmelidir.

2.2.2 Yansıtıcı Ayna

Yansıtıcı aynanın işlevi, lazerden yayılan ışın demetinin yönünü değiştirmektir. Katı hal lazerlerinden gelen ışınlar için optik camdan yapılmış yansıtıcı aynalar kullanılabilir. Buna karşılık, CO₂ gazlı lazer kesme cihazlarındaki yansıtıcı aynalar genellikle bakır veya yüksek yansıtıcılığa sahip metallerden yapılır. Çalışma sırasında lazer ışınımından kaynaklanan aşırı ısınmanın yol açtığı hasarı önlemek için, yansıtıcı aynalar genellikle su ile soğutulur.

2.2.3 Meme

Meme, kesme bölgesine yardımcı gaz püskürtmek için kullanılır ve yapısı kesme verimliliği ve kalitesi üzerinde belirli bir etkiye sahiptir. Şekil 4.11, lazer kesim için yaygın meme şekillerini göstermektedir; meme ağzı şekilleri arasında silindirik, konik ve yakınsak-ıraksak tipler bulunur.

Genellikle nozul seçimi, iş parçasının malzemesine ve kalınlığına ve yardımcı gaz basıncına dayalı testlerle belirlenir. Lazer kesimde genellikle koaksiyel nozullar (gaz akışının optik eksenle aynı eksende olduğu) kullanılır. Gaz akışı ve lazer ışını aynı eksende değilse, kesim sırasında aşırı sıçrama meydana gelebilir. Gaz akışının engellenmemesini sağlamak ve kesim kalitesini etkileyebilecek türbülansı önlemek için nozul ağzının iç duvarı pürüzsüz olmalıdır. Kesim stabilitesini sağlamak için, nozul uç yüzü ile iş parçası yüzeyi arasındaki mesafe en aza indirilmelidir, tipik olarak 0,5 mm ile 2,0 mm arasında değişir. Nozul ağzı çapı, lazer ışınının sorunsuz bir şekilde geçmesine izin vermeli ve ışının ağzın iç duvarına temas etmesini önlemelidir. Ağız çapı ne kadar küçükse, ışını hizalamak o kadar zorlaşır. Belirli bir yardımcı gaz basıncı için, optimum bir nozul ağzı çapı aralığı vardır. Aşırı küçük veya büyük bir ağız, erimiş ürünlerin kesimden uzaklaştırılmasını engelleyecek ve kesim hızını etkileyecektir.

Şekil 4.12 ve 4.13'te, sabit lazer gücü ve yardımcı gaz basıncı altında nozul ağız çapının kesme hızı üzerindeki etkisi gösterilmektedir. Maksimum kesme hızına ulaşan optimum bir nozul ağız çapı olduğu görülebilir. Bu optimum değer, yardımcı gaz olarak oksijen veya argon kullanılmasına bakılmaksızın yaklaşık 1,5 mm'dir.

Sert alaşımların (kesilmesi zor olan) lazerle kesilmesine ilişkin testler, Şekil 4.14'te gösterildiği gibi, optimum nozul ağız çapının yukarıdaki sonuçlara çok yakın olduğunu göstermektedir. Nozul ağız çapı ayrıca kesme genişliğini ve ısıdan etkilenen bölge (HAZ) genişliğini de etkiler. Şekil 4.15'te gösterildiği gibi, nozul ağız çapının artmasıyla kesme genişliği artarken HAZ genişliği daralmaktadır. HAZ'ın daralmasının temel nedeni, yardımcı gaz akışının kesme bölgesindeki ana malzeme üzerindeki soğutma etkisinin artmasıdır.

2.3 Lazer Kesim Ekipmanının Parametreleri

2.3.1 Kaynak Makinesiyle Çalışan Kesme Ekipmanları

Torç tahrikli kesme ekipmanlarında, kesme torcu hareketli bir portal üzerine monte edilir ve portal kirişi boyunca (Y ekseni) yatay olarak hareket eder. Portal, torcu X ekseni boyunca hareket ettirirken, iş parçası iş tablasına sabitlenir. Lazer ve kesme torcu ayrı ayrı düzenlendiğinden, kesme işlemi sırasında lazer iletim özellikleri, ışın tarama yönü boyunca paralellik ve yansıtıcı aynaların stabilitesi etkilenir.

Kaynak makinesiyle çalışan kesme ekipmanları, büyük boyutlu iş parçalarını işleyebilir. Kesme üretim bölgesi için nispeten küçük bir alan kaplar ve bir üretim hattı oluşturmak üzere diğer ekipmanlarla kolayca entegre edilebilir. Bununla birlikte, konumlandırma hassasiyeti yalnızca ±0,04 mm'dir.

Tipik bir lazerle kesme ekipmanının yapısı Şekil 4.19'da gösterilmiştir. Lazerden kesme torcuna olan mesafenin 18 m olduğu sürekli dalga CO₂ lazer kesme makinesi kullanılmıştır. Bu iletim mesafesi boyunca ışın çapındaki değişimin kesme işlemlerini engellememesini sağlamak için, osilatör aynalarının kombinasyonu dikkatlice tasarlanmalıdır.

Kaynak makinesiyle çalışan kesme ekipmanlarının başlıca teknik parametreleri aşağıdaki gibidir:

Lazer Çıkış Gücü: 1,5 kW (tek modlu), 3 kW (çok modlu)
Meşale Darbesi: X ekseni 6,2 m, Y ekseni 2,6 m
Sürüş Hızı: 0–10 m/dak (ayarlanabilir)
Kaynak torcu Z ekseni hareketli hareket mesafesi: 150 mm
Torç Z ekseni ayar hızı: 300 mm/dak.
İşlenecek Çelik Levhanın Maksimum Boyutu: 12 mm × 2400 mm × 6000 mm
Kontrol Sistemi: Entegre NC Kontrol Modu

2.3.2 XY Tabla Tahrikli Kesme Ekipmanları

XY eksenli, tabla tahrikli kesme ekipmanında, kesme torcu çerçeveye sabitlenir ve iş parçası kesme tablasına yerleştirilir. Kesme tablası, NC komutlarına göre X ve Y eksenleri boyunca hareket eder ve genellikle 0-1 m/dak veya 0-5 m/dak arasında ayarlanabilir bir sürüş hızına sahiptir. Kesme torcu iş parçasına göre sabit kaldığı için, kesme işlemi sırasında lazer ışınının hizalanması ve merkezlenmesi üzerindeki etkiyi en aza indirir ve düzgün ve istikrarlı bir kesme performansı sağlar. Yüksek mekanik hassasiyete sahip küçük boyutlu bir kesme tablası ile donatıldığında, makine ±0,01 mm'lik bir konumlandırma doğruluğuna ulaşır.mükemmel kesim hassasiyetiBu özellik, özellikle küçük parçaların hassas kesimi için uygun hale getirir. Ayrıca, büyük boyutlu iş parçalarının işlenmesi için 2300–2400 mm X ekseni hareket mesafesine ve 1200–1300 mm Y ekseni hareket mesafesine sahip daha büyük kesme tablaları da mevcuttur.

XY tabla tahrikli kesme ekipmanının başlıca teknik parametreleri aşağıdaki gibidir:

Lazer Kaynağı: CO₂ gaz lazeri (yarı kapalı düz tüp tipi)
Lazer Güç Kaynağı: Giriş voltajı 200 VAC; Çıkış voltajı 0–30 kV; Maksimum çıkış akımı 100 mA
Lazer Çıkış Gücü: 550 W
Kesme tablası hareket mesafesi: X ekseni 2300 mm, Y ekseni 1300 mm
Kesme Tablası Tahrik Hızı (Kademeli olarak ayarlanabilir): 0,4–5,0 m/dak, 0,2–2,5 m/dak, 0,1–1,3 m/dak, 0,05–0,6 m/dak
Kaynak torcu Z ekseni hareketli hareket mesafesi: 180 mm
İşlenecek plakanın maksimum boyutu: 6 mm × 1300 mm × 2300 mm
Kontrol Sistemi: Sayısal Kontrol (NC) Modu

2.3.3 Çift Tahrikli Kesme Ekipmanları (Torç ve Tabla)

Çift tahrikli kesme ekipmanı (torç ve tabla), tasarım olarak torç tahrikli ve XY tabla tahrikli kesme makineleri arasında yer alır. Kesme torcu bir portal üzerine monte edilmiştir ve portal kirişi boyunca yatay olarak (Y ekseni) hareket ederken, kesme tablası uzunlamasına hareket ettirilir. Bu hibrit tasarım, yüksek kesme hassasiyeti ve yerden tasarruf sağlayan verimliliğin avantajlarını birleştirir. ±0,01 mm konumlandırma hassasiyeti ve 0–20 m/dak ayarlanabilir kesme hızı aralığı ile piyasadaki en yaygın kullanılan kesme makinelerinden biridir. Bu makinenin daha büyük modelleri, 2000 mm Y ekseni hareketi ve 6000 mm X ekseni hareketi sunarak büyük boyutlu iş parçalarının kesilmesini sağlar.

Lazer osilatörü, kesme torçunun yanında, taşıyıcı platform üzerine monte edilmiştir. Bu konfigürasyon, dairesel deliklerin kesiminde olağanüstü hassasiyet sağlar. Makine ayrıca yüksek üretim verimliliğine sahiptir: 1 mm kalınlığındaki çelik levha üzerinde dakikada 46 adet dairesel delik (10 mm çapında) kesebilir.

2.3.4 Entegre Kesme Ekipmanları

Birentegre kesme makinesiLazer kaynağı çerçeveye monte edilmiştir ve onunla birlikte boylamasına hareket ederken, kesme torcu ise tahrik mekanizmasıyla entegre edilerek çerçeve kirişi boyunca yatay olarak hareket eder. Makine, çeşitli şekillerdeki parçaları kesmek için sayısal kontrol kullanır. Kesme torcunun yatay hareketinden kaynaklanan optik yol uzunluğu değişimini telafi etmek için genellikle bir optik yol uzunluğu ayarlama modülü bulunur. Bu modül, kesme alanı içinde homojen bir lazer ışını sağlar ve tutarlı kesme yüzeyi kalitesini korur.

Yayın tarihi: 17 Aralık 2025

Lazer Kesimin Temelleri ve İşleme Sistemi — Lazer Kesim Ekipmanları