Những nguyên lý cơ bản của cắt laser và hệ thống xử lý của nó —Thiết bị cắt laser

II. Cấu tạo của thiết bị cắt laser

2.1 Các bộ phận và nguyên lý hoạt động của máy cắt laser

Máy cắt laser bao gồm bộ phát laser, đầu cắt, cụm truyền tia, bàn làm việc của máy công cụ, hệ thống điều khiển số (NC), máy tính (phần cứng và phần mềm), bộ làm mát, bình khí bảo vệ, bộ thu bụi và máy sấy khí.

Máy phát laser

Máy phát laser là thiết bị tạo ra nguồn sáng laser. Đối với các ứng dụng cắt laser, hầu hết các máy đều sử dụng laser khí CO₂ có hiệu suất chuyển đổi điện quang cao và công suất đầu ra lớn, ngoại trừ một số trường hợp sử dụng laser trạng thái rắn YAG. Không phải tất cả các loại laser đều phù hợp cho việc cắt, vì cắt laser đặt ra những yêu cầu khắt khe về chất lượng chùm tia.
Đầu cắt

Nó chủ yếu bao gồm các thành phần như vòi phun, thấu kính hội tụ và hệ thống theo dõi tiêu điểm.

Thiết bị truyền động đầu cắt được sử dụng để điều khiển đầu cắt di chuyển dọc theo trục Z theo các chương trình đã được lập trình sẵn. Nó bao gồm một động cơ servo và các bộ phận truyền động như vít me hoặc bánh răng.

(1) Vòi phun: Có ba loại vòi phun chính: loại song song, loại hội tụ và loại hình nón.

(2) Thấu kính hội tụ: Để thực hiện cắt bằng năng lượng chùm tia laser, chùm tia ban đầu do laser phát ra phải được hội tụ qua một thấu kính để tạo thành một điểm sáng có mật độ năng lượng cao. Thấu kính tiêu cự trung bình và dài thích hợp cho việc cắt tấm dày và có yêu cầu thấp hơn về độ ổn định khoảng cách của hệ thống theo dõi. Thấu kính tiêu cự ngắn chỉ thích hợp cho việc cắt tấm mỏng dưới 3 mm; chúng có yêu cầu nghiêm ngặt về độ ổn định khoảng cách của hệ thống theo dõi nhưng có thể giảm đáng kể công suất đầu ra laser cần thiết.

(3) Hệ thống theo dõi: Hệ thống theo dõi tiêu điểm của máy cắt laser thường bao gồm đầu cắt lấy nét và hệ thống cảm biến theo dõi. Đầu cắt tích hợp các chức năng dẫn hướng và lấy nét chùm tia, làm mát bằng nước, thổi khí và điều chỉnh cơ khí.

Cảm biến bao gồm các phần tử cảm biến và một bộ điều khiển khuếch đại. Hệ thống theo dõi hoàn toàn khác nhau tùy thuộc vào loại phần tử cảm biến. Có hai loại chính: một là hệ thống theo dõi cảm biến điện dung, còn được gọi là hệ thống theo dõi không tiếp xúc; loại kia là hệ thống theo dõi cảm biến điện cảm, còn được gọi là hệ thống theo dõi tiếp xúc.
Cụm truyền dẫn chùm tia

Đường dẫn quang học bên ngoài: Gương phản xạ được sử dụng để dẫn hướng chùm tia laser theo hướng mong muốn. Để ngăn ngừa sự cố trong đường dẫn tia, tất cả các gương phản xạ đều được bảo vệ bằng tấm chắn, và khí bảo vệ áp suất dương sạch được đưa vào để giữ cho gương không bị nhiễm bẩn. Một thấu kính hiệu suất cao có thể hội tụ chùm tia không phân kỳ thành một điểm cực nhỏ. Thấu kính có tiêu cự 5,0 inch thường được sử dụng, trong khi thấu kính 7,5 inch chỉ thích hợp để cắt các vật liệu dày hơn 12 mm.
Bàn làm việc máy công cụ

Thân máy chính: Phần máy công cụ củamáy cắt laserĐây là bộ phận cơ khí thực hiện chuyển động theo các trục X, Y và Z, bao gồm cả bệ làm việc cắt.
Hệ thống điều khiển số

Hệ thống NC điều khiển máy công cụ để thực hiện các chuyển động theo trục X, Y, Z và đồng thời điều chỉnh công suất đầu ra của laser.
Hệ thống làm mát

Bộ làm mát: Được sử dụng để làm mát máy phát laser. Laser là thiết bị chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng ánh sáng. Ví dụ, hiệu suất chuyển đổi của laser khí CO₂ thường là 20%, phần năng lượng còn lại được chuyển hóa thành nhiệt. Nước làm mát loại bỏ nhiệt dư thừa để duy trì hoạt động bình thường của máy phát laser. Bộ làm mát cũng làm mát các gương phản xạ và thấu kính hội tụ bên ngoài của máy công cụ, đảm bảo chất lượng truyền tia ổn định và ngăn ngừa hiệu quả hiện tượng biến dạng hoặc nứt vỡ thấu kính do quá nhiệt.
Bình khí

Các bình khí bao gồm bình khí môi chất làm việc và bình khí phụ trợ cho máy cắt laser, được sử dụng để bổ sung khí công nghiệp cho dao động laser và cung cấp khí phụ trợ cho đầu cắt.
Hệ thống loại bỏ bụi

Nó hút khói và bụi sinh ra trong quá trình chế biến và thực hiện xử lý lọc để đảm bảo khí thải đáp ứng các tiêu chuẩn bảo vệ môi trường.
Máy sấy và lọc làm mát không khí

Nó cung cấp không khí sạch, khô cho máy phát laser và đường dẫn tia, duy trì hoạt động bình thường của đường dẫn tia và gương phản xạ.

2.2 Mỏ hàn cắt cho máy cắt laser

Sơ đồ cấu tạo của mỏ cắt laser được thể hiện bên dưới. Nó chủ yếu bao gồm thân mỏ cắt, thấu kính hội tụ, gương phản xạ và vòi phun khí phụ trợ. Trong quá trình cắt laser, mỏ cắt phải đáp ứng các yêu cầu sau:

① Mỏ hàn có thể phun ra lượng khí đủ lớn.

② Hướng phun khí bên trong mỏ hàn phải đồng trục với trục quang học của gương phản xạ.

③ Tiêu cự của đèn pin có thể dễ dàng điều chỉnh.

④ Trong quá trình cắt, hơi kim loại và các mảnh vụn bắn ra từ kim loại bị cắt không được làm hư hại gương phản chiếu.

Chuyển động của mỏ cắt được điều khiển bởi hệ thống điều khiển số NC. Có ba trường hợp chuyển động tương đối giữa mỏ cắt và phôi:

① Mỏ hàn giữ nguyên vị trí trong khi phôi di chuyển trên bàn làm việc — chủ yếu phù hợp với các phôi có kích thước nhỏ.

② Vật cần gia công vẫn đứng yên trong khi mỏ hàn di chuyển.

③ Cả mỏ hàn và bàn làm việc đều di chuyển đồng thời.

2.2.1 Đầu cắt

Đầu cắt laser nằm ở cuối hệ thống truyền tia, bao gồm một thấu kính hội tụ và một vòi phun cắt.

Các thấu kính hội tụ chủ yếu được phân loại theo tiêu cự. Hầu hết các thiết bị cắt laser đều được trang bị một số đầu cắt với các tiêu cự khác nhau. Lấy cắt laser CO₂ làm ví dụ, các tiêu cự phổ biến là 127 mm (5 in) và 190 mm (7.5 in). Thấu kính có tiêu cự ngắn tạo ra điểm hội tụ nhỏ và độ sâu tiêu cự ngắn, giúp giảm chiều rộng vết cắt và đạt được các vết cắt mịn hơn. Thấu kính có tiêu cự dài tạo ra điểm hội tụ lớn hơn và độ sâu tiêu cự dài hơn. So với thấu kính có tiêu cự ngắn, thấu kính có tiêu cự dài có thể cung cấp chùm tia hội tụ với mật độ năng lượng laser đủ để xử lý vật liệu gần điểm hội tụ. Do đó, thấu kính có tiêu cự ngắn chủ yếu được sử dụng để cắt chính xác các tấm mỏng, trong khi thấu kính có tiêu cự dài cần thiết cho các vật liệu dày hơn để đạt được độ sâu tiêu cự thích hợp, đảm bảo sự thay đổi tối thiểu về đường kính điểm và mật độ công suất đủ trong phạm vi độ dày cắt.

Các thấu kính hội tụ được sử dụng để hội tụ chùm tia laser song song chiếu vào mỏ cắt, giúp đạt được kích thước điểm nhỏ hơn và mật độ công suất cao hơn. Thấu kính được làm từ các vật liệu có khả năng truyền bước sóng laser. Thủy tinh quang học thường được sử dụng cho laser bán dẫn, trong khi các vật liệu như ZnSe, GaAs và Ge được sử dụng cho laser khí CO₂ (vì thủy tinh thông thường không trong suốt đối với chùm tia laser CO₂), trong đó ZnSe là vật liệu được sử dụng rộng rãi nhất.

Đối với cắt laser, việc giảm thiểu đường kính điểm hội tụ là điều cần thiết để tăng mật độ công suất và cho phép cắt tốc độ cao. Tuy nhiên, tiêu cự thấu kính ngắn hơn dẫn đến độ sâu tiêu cự nhỏ hơn, gây khó khăn trong việc đạt được bề mặt cắt vuông góc khi cắt các tấm dày. Ngoài ra, tiêu cự ngắn hơn làm giảm khoảng cách giữa thấu kính và phôi, làm tăng nguy cơ thấu kính bị nhiễm bẩn bởi các tia lửa nóng chảy trong quá trình cắt và ảnh hưởng đến hoạt động bình thường. Do đó, tiêu cự phù hợp cần được xác định một cách toàn diện dựa trên các yếu tố như độ dày cắt và yêu cầu chất lượng cắt.

2.2.2 Gương phản chiếu

Chức năng của gương phản xạ là thay đổi hướng của chùm tia phát ra từ laser. Đối với chùm tia từ laser trạng thái rắn, có thể sử dụng gương phản xạ làm bằng thủy tinh quang học. Ngược lại, gương phản xạ trong các thiết bị cắt laser khí CO₂ thường được làm bằng đồng hoặc các kim loại có độ phản xạ cao. Để ngăn ngừa hư hỏng do quá nhiệt từ bức xạ laser trong quá trình hoạt động, gương phản xạ thường được làm mát bằng nước.

2.2.3 Vòi phun

Vòi phun được sử dụng để phun khí phụ trợ vào vùng cắt, và cấu trúc của nó có ảnh hưởng nhất định đến hiệu quả và chất lượng cắt. Hình 4.11 thể hiện các hình dạng vòi phun thông dụng trong cắt laser; hình dạng lỗ vòi phun bao gồm hình trụ, hình nón và hình hội tụ-phân kỳ.

Việc lựa chọn vòi phun thường được xác định thông qua các thử nghiệm dựa trên vật liệu và độ dày của phôi, cũng như áp suất của khí phụ trợ. Cắt laser thường sử dụng vòi phun đồng trục (trong đó dòng khí đồng trục với trục quang học). Nếu dòng khí và chùm tia laser không đồng trục, hiện tượng bắn tóe quá mức có thể xảy ra trong quá trình cắt. Thành trong của lỗ vòi phun phải nhẵn để đảm bảo dòng khí không bị cản trở và tránh hiện tượng nhiễu loạn có thể ảnh hưởng đến chất lượng đường cắt. Để đảm bảo độ ổn định khi cắt, khoảng cách giữa mặt cuối của vòi phun và bề mặt phôi nên được giảm thiểu, thường nằm trong khoảng từ 0,5 mm đến 2,0 mm. Đường kính lỗ vòi phun phải cho phép chùm tia laser đi qua một cách trơn tru, ngăn không cho chùm tia chạm vào thành trong của lỗ. Đường kính lỗ càng nhỏ, việc hội tụ chùm tia càng khó. Với một áp suất khí phụ trợ nhất định, sẽ có một phạm vi đường kính lỗ vòi phun tối ưu. Lỗ quá nhỏ hoặc quá lớn sẽ cản trở việc loại bỏ sản phẩm nóng chảy khỏi đường cắt và ảnh hưởng đến tốc độ cắt.

Ảnh hưởng của đường kính lỗ phun đến tốc độ cắt dưới công suất laser và áp suất khí phụ cố định được thể hiện trong Hình 4.12 và 4.13. Có thể thấy rằng tồn tại một đường kính lỗ phun tối ưu giúp đạt được tốc độ cắt tối đa. Giá trị tối ưu này xấp xỉ 1,5 mm bất kể sử dụng oxy hay argon làm khí phụ.

Các thử nghiệm cắt laser hợp kim cứng (khó cắt) cho thấy đường kính lỗ phun tối ưu rất gần với các kết quả trên, như minh họa trong Hình 4.14. Đường kính lỗ phun cũng ảnh hưởng đến chiều rộng rãnh cắt và chiều rộng vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ). Như thể hiện trong Hình 4.15, khi đường kính lỗ phun tăng, chiều rộng rãnh cắt tăng trong khi chiều rộng HAZ giảm. Nguyên nhân chính dẫn đến sự thu hẹp của HAZ là do hiệu ứng làm mát tăng cường của dòng khí phụ trợ lên vật liệu nền trong vùng cắt.

2.3 Thông số của thiết bị cắt laser

2.3.1 Thiết bị cắt bằng mỏ hàn

Trong thiết bị cắt bằng mỏ hàn, mỏ hàn được gắn trên một khung đỡ di động và di chuyển theo chiều ngang dọc theo dầm khung đỡ (trục Y). Khung đỡ điều khiển mỏ hàn di chuyển dọc theo trục X, trong khi phôi được cố định trên bàn làm việc. Do laser và mỏ hàn được bố trí riêng biệt, nên đặc tính truyền dẫn của laser, độ song song dọc theo hướng quét của chùm tia và độ ổn định của gương phản xạ đều bị ảnh hưởng trong quá trình cắt.

Thiết bị cắt bằng mỏ hàn có thể gia công các chi tiết có kích thước lớn. Nó chiếm diện tích mặt bằng tương đối nhỏ cho khu vực sản xuất cắt và có thể dễ dàng tích hợp với các thiết bị khác để tạo thành dây chuyền sản xuất. Tuy nhiên, độ chính xác định vị của nó chỉ là ±0,04 mm.

Hình 4.19 thể hiện cấu trúc điển hình của thiết bị cắt bằng mỏ hàn. Máy cắt laser CO₂ sóng liên tục được sử dụng, với khoảng cách từ laser đến mỏ hàn là 18 m. Để đảm bảo sự thay đổi đường kính chùm tia trên khoảng cách truyền này không gây cản trở quá trình cắt, sự kết hợp của các gương dao động phải được thiết kế cẩn thận.

Các thông số kỹ thuật chính của thiết bị cắt bằng mỏ hàn như sau:

Công suất đầu ra của laser: 1,5 kW (chế độ đơn), 3 kW (chế độ đa)
Hành trình của mỏ hàn: Trục X 6,2 m, trục Y 2,6 m
Tốc độ di chuyển: 0–10 m/phút (có thể điều chỉnh)
Hành trình di chuyển trục Z của mỏ hàn: 150 mm
Tốc độ điều chỉnh trục Z của mỏ hàn: 300 mm/phút
Kích thước tối đa của tấm thép đã gia công: 12 mm × 2400 mm × 6000 mm
Hệ thống điều khiển: Chế độ điều khiển NC tích hợp

2.3.2 Thiết bị cắt điều khiển bằng bàn XY

Trong thiết bị cắt điều khiển bằng bàn XY, mỏ cắt được cố định trên khung, và phôi được đặt trên bàn cắt. Bàn cắt di chuyển dọc theo trục X và Y theo lệnh NC, với tốc độ di chuyển có thể điều chỉnh, thường nằm trong khoảng 0–1 m/phút hoặc 0–5 m/phút. Vì mỏ cắt vẫn đứng yên so với phôi, nên nó giảm thiểu ảnh hưởng đến sự căn chỉnh và định tâm của chùm tia laser trong quá trình cắt, đảm bảo hiệu suất cắt đồng đều và ổn định. Khi được trang bị bàn cắt kích thước nhỏ với độ chính xác cơ khí cao, máy đạt được độ chính xác định vị ±0,01 mm vàđộ chính xác cắt tuyệt vờiĐiều này làm cho máy đặc biệt phù hợp cho việc cắt chính xác các chi tiết nhỏ. Ngoài ra, còn có các bàn cắt lớn hơn với hành trình trục X từ 2300–2400 mm và hành trình trục Y từ 1200–1300 mm để gia công các chi tiết có kích thước lớn.

Các thông số kỹ thuật chính của thiết bị cắt dẫn động bằng bàn XY như sau:

Nguồn laser: Laser khí CO₂ (loại ống thẳng bán kín)
Nguồn cấp điện laser: Điện áp đầu vào 200 VAC; Điện áp đầu ra 0–30 kV; Dòng điện đầu ra tối đa 100 mA
Công suất đầu ra của laser: 550 W
Hành trình bàn cắt: Trục X 2300 mm, trục Y 1300 mm
Tốc độ di chuyển bàn cắt (có thể điều chỉnh theo từng bước): 0,4–5,0 m/phút, 0,2–2,5 m/phút, 0,1–1,3 m/phút, 0,05–0,6 m/phút
Hành trình di chuyển trục Z của mỏ hàn: 180 mm
Kích thước tối đa của tấm kim loại đã gia công: 6 mm × 1300 mm × 2300 mm
Hệ thống điều khiển: Chế độ điều khiển số (NC)

2.3.3 Thiết bị cắt dẫn động kép (Mỏ hàn & Bàn cắt)

Thiết bị cắt dẫn động kép (mỏ cắt & bàn cắt) nằm giữa thiết kế của máy cắt dẫn động bằng mỏ cắt và máy cắt dẫn động bằng bàn XY. Mỏ cắt được gắn trên một khung gantry và di chuyển theo chiều ngang dọc theo dầm gantry (trục Y), trong khi bàn cắt được dẫn động theo chiều dọc. Thiết kế lai này kết hợp những ưu điểm của độ chính xác cắt cao và hiệu quả tiết kiệm không gian. Với độ chính xác định vị ±0,01 mm và phạm vi tốc độ cắt điều chỉnh từ 0–20 m/phút, đây là một trong những máy cắt được sử dụng rộng rãi nhất trên thị trường. Các mẫu máy lớn hơn của loại máy này cung cấp hành trình trục Y là 2000 mm và hành trình trục X là 6000 mm, cho phép cắt các chi tiết có kích thước lớn.

Bộ dao động laser được gắn trên khung máy cùng với mỏ cắt. Cấu hình này mang lại độ chính xác vượt trội khi cắt các lỗ tròn. Máy cũng có hiệu suất sản xuất cao: nó có thể cắt 46 lỗ tròn (đường kính 10 mm) mỗi phút trên tấm thép dày 1 mm.

2.3.4 Thiết bị cắt tích hợp

Trong mộtmáy cắt tích hợpNguồn laser được lắp đặt trên khung và di chuyển theo chiều dọc cùng với khung, trong khi mỏ cắt được tích hợp với cơ cấu truyền động để di chuyển theo chiều ngang dọc theo dầm khung. Máy sử dụng điều khiển số để cắt các chi tiết có hình dạng khác nhau. Để bù lại sự thay đổi chiều dài đường truyền quang do chuyển động ngang của mỏ cắt gây ra, một mô-đun điều chỉnh chiều dài đường truyền quang thường được trang bị. Mô-đun này đảm bảo chùm tia laser đồng nhất trong khu vực cắt và duy trì chất lượng bề mặt cắt nhất quán.

Thời gian đăng bài: 17/12/2025

Nguyên lý cơ bản của cắt laser và hệ thống xử lý của nó — Thiết bị cắt laser