Asas Pemotongan Laser dan Sistem Pemprosesannya —Peralatan Pemotongan Laser

II. Komposisi Peralatan Pemotongan Laser

2.1 Komponen dan Prinsip Kerja Mesin Pemotongan Laser

Mesin pemotong laser terdiri daripada pemancar laser, kepala pemotong, pemasangan penghantaran pancaran, meja kerja alat mesin, sistem kawalan berangka (NC), komputer (perkakasan dan perisian), penyejuk, silinder gas pelindung, pengumpul habuk dan pengering udara.

Penjana Laser

Penjana laser ialah peranti yang menghasilkan sumber cahaya laser. Bagi aplikasi pemotongan laser, kebanyakan mesin menggunakan laser gas CO₂ yang mempunyai kecekapan penukaran elektro-optik yang tinggi dan output kuasa yang tinggi, kecuali beberapa kes di mana laser keadaan pepejal YAG digunakan. Tidak semua laser sesuai untuk pemotongan, kerana pemotongan laser mengenakan syarat ketat terhadap kualiti pancaran.
Kepala Pemotongan

Ia terutamanya terdiri daripada komponen seperti muncung, kanta pemfokusan dan sistem penjejakan fokus.

Peranti pemacu kepala pemotong digunakan untuk memacu kepala pemotong supaya bergerak di sepanjang paksi-Z mengikut program yang telah ditetapkan. Ia terdiri daripada motor servo dan bahagian transmisi seperti skru plumbum atau gear.

(1) Muncung: Terdapat tiga jenis muncung utama: jenis selari, jenis konvergen dan jenis kon.

(2) Kanta Pemfokusan: Untuk melakukan pemotongan menggunakan tenaga pancaran laser, pancaran asal yang dipancarkan oleh laser mesti difokuskan melalui kanta untuk membentuk titik cahaya dengan ketumpatan tenaga yang tinggi. Kanta jarak fokus sederhana dan panjang sesuai untuk pemotongan plat tebal dan mempunyai keperluan yang lebih rendah untuk kestabilan jarak sistem pengesanan. Kanta jarak fokus pendek hanya sesuai untuk memotong plat nipis di bawah 3 mm; ia mempunyai keperluan yang ketat untuk kestabilan jarak sistem pengesanan tetapi boleh mengurangkan kuasa output laser yang diperlukan dengan ketara.

(3) Sistem Penjejakan: Sistem penjejakan fokus mesin pemotong laser secara amnya terdiri daripada kepala pemotong fokus dan sistem sensor penjejakan. Kepala pemotong menggabungkan fungsi panduan dan pemfokusan pancaran, penyejukan air, peniupan gas dan pelarasan mekanikal.

Sensor ini terdiri daripada elemen penderia dan unit kawalan amplifikasi. Sistem pengesanan berbeza-beza bergantung pada jenis elemen penderia. Terdapat dua jenis utama yang tersedia: satu ialah sistem pengesanan sensor kapasitif, juga dikenali sebagai sistem pengesanan bukan sentuhan; yang satu lagi ialah sistem pengesanan sensor induktif, juga dirujuk sebagai sistem pengesanan sentuhan.
Perhimpunan Penghantaran Rasuk

Laluan Optik Luaran: Cermin pantulan digunakan untuk membimbing pancaran laser ke arah yang dikehendaki. Untuk mengelakkan kerosakan pada laluan pancaran, semua cermin pantulan dilindungi oleh perisai, dan gas pelindung tekanan positif yang bersih diperkenalkan untuk memastikan cermin bebas daripada pencemaran. Kanta berprestasi tinggi boleh memfokuskan pancaran tidak mencapah ke titik yang sangat kecil. Kanta dengan panjang fokus 5.0 inci biasanya digunakan, manakala kanta 7.5 inci hanya boleh digunakan untuk memotong bahan yang lebih tebal daripada 12 mm.
Meja Kerja Alat Mesin

Badan Mesin Utama: Bahagian alat mesin bagimesin pemotong laserialah bahagian mekanikal yang menyedari pergerakan paksi X, Y dan Z, termasuk platform kerja pemotongan.
Sistem Kawalan Berangka

Sistem NC mengawal alat mesin untuk mencapai pergerakan paksi X, Y, Z dan mengawal kuasa output laser pada masa yang sama.
Sistem Penyejukan

Unit Penyejuk: Ia digunakan untuk menyejukkan penjana laser. Laser ialah peranti yang menukarkan tenaga elektrik kepada tenaga cahaya. Contohnya, kecekapan penukaran laser gas CO₂ secara amnya adalah 20%, dengan tenaga yang tinggal ditukarkan kepada haba. Air penyejuk menyingkirkan haba berlebihan untuk mengekalkan operasi normal penjana laser. Unit penyejuk juga menyejukkan cermin laluan optik luaran dan kanta pemfokusan alat mesin, memastikan kualiti penghantaran pancaran yang stabil dan berkesan mencegah ubah bentuk kanta atau keretakan akibat terlalu panas.
Silinder Gas

Silinder gas termasuk silinder sederhana yang berfungsi dan silinder gas tambahan untuk mesin pemotong laser, yang digunakan untuk menambah gas perindustrian untuk ayunan laser dan membekalkan gas tambahan untuk kepala pemotong.
Sistem Penyingkiran Habuk

Ia mengekstrak asap dan habuk yang dihasilkan semasa pemprosesan dan menjalankan rawatan penapisan bagi memastikan pelepasan gas ekzos memenuhi piawaian perlindungan alam sekitar.
Pengering & Penapis Penyejuk Udara

Ia membekalkan udara bersih dan kering kepada penjana laser dan laluan pancaran, mengekalkan operasi normal laluan pancaran dan cermin pantulan.

2.2 Obor Pemotongan untuk Pemotongan Laser

Gambarajah struktur obor pemotong untuk pemotongan laser ditunjukkan di bawah. Ia terutamanya terdiri daripada badan obor, kanta pemfokusan, cermin pantulan dan muncung gas tambahan. Semasa pemotongan laser, obor pemotong mesti memenuhi keperluan berikut:

① Obor boleh mengeluarkan aliran gas yang mencukupi.

② Arah lontaran gas di dalam obor mestilah sepaksi dengan paksi optik cermin pantul.

③ Panjang fokus obor boleh dilaraskan dengan mudah.

④ Semasa pemotongan, wap logam dan percikan daripada logam yang dipotong tidak boleh merosakkan cermin pantul.

Pergerakan obor pemotong dilaraskan oleh sistem gerakan NC. Terdapat tiga senario untuk pergerakan relatif antara obor pemotong dan bahan kerja:

① Lampu suluh kekal pegun sementara benda kerja bergerak melalui meja kerja — terutamanya sesuai untuk benda kerja bersaiz kecil.

② Bahan kerja kekal pegun semasa obor bergerak.

③ Kedua-dua obor dan meja kerja bergerak serentak.

2.2.1 Kepala Pemotong

Kepala pemotongan laser terletak di hujung sistem penghantaran pancaran, yang terdiri daripada kanta pemfokusan dan muncung pemotongan.

Kanta pemfokusan terutamanya dikelaskan mengikut panjang fokus. Kebanyakan peralatan pemotongan laser dilengkapi dengan beberapa kepala pemotong dengan panjang fokus yang berbeza. Dengan mengambil pemotongan laser CO₂ sebagai contoh, panjang fokus biasa ialah 127 mm (5 inci) dan 190 mm (7.5 inci). Kanta panjang fokus pendek menghasilkan titik fokus yang kecil dan kedalaman fokus yang pendek, yang kondusif untuk mengurangkan lebar kerf dan mencapai potongan yang lebih halus. Kanta panjang fokus yang panjang menghasilkan titik fokus yang lebih besar dan kedalaman fokus yang lebih panjang. Berbanding dengan kanta panjang fokus pendek, kanta panjang fokus yang panjang boleh memberikan pancaran fokus dengan ketumpatan tenaga laser yang mencukupi untuk pemprosesan bahan berhampiran titik fokus. Oleh itu, kanta panjang fokus pendek kebanyakannya digunakan untuk pemotongan plat nipis yang tepat, manakala kanta panjang fokus yang panjang diperlukan untuk bahan yang lebih tebal untuk mendapatkan kedalaman fokus yang mencukupi, memastikan variasi minimum dalam diameter titik dan ketumpatan kuasa yang mencukupi dalam julat ketebalan pemotongan.

Kanta pemfokus digunakan untuk memfokuskan pancaran laser selari yang masuk ke dalam obor pemotong, mencapai saiz titik yang lebih kecil dan ketumpatan kuasa yang lebih tinggi. Kanta diperbuat daripada bahan yang boleh menghantar panjang gelombang laser. Kaca optik biasanya digunakan untuk laser keadaan pepejal, manakala bahan seperti ZnSe, GaAs dan Ge digunakan untuk laser gas CO₂ (memandangkan kaca biasa tidak lutsinar kepada pancaran laser CO₂), antaranya ZnSe adalah yang paling banyak digunakan.

Untuk pemotongan laser, meminimumkan diameter titik fokus adalah wajar untuk meningkatkan ketumpatan kuasa dan membolehkan pemotongan berkelajuan tinggi. Walau bagaimanapun, panjang fokus kanta yang lebih pendek menghasilkan kedalaman fokus yang lebih kecil, menjadikannya sukar untuk mencapai permukaan potongan serenjang apabila memotong plat tebal. Di samping itu, panjang fokus yang lebih pendek mengurangkan jarak antara kanta dan bahan kerja, meningkatkan risiko kanta tercemar oleh percikan lebur semasa pemotongan dan menjejaskan operasi biasa. Oleh itu, panjang fokus yang sesuai harus ditentukan secara komprehensif berdasarkan faktor seperti ketebalan pemotongan dan keperluan kualiti pemotongan.

2.2.2 Cermin Pantulan

Fungsi cermin pantul adalah untuk mengubah arah pancaran yang dipancarkan dari laser. Bagi pancaran dari laser keadaan pepejal, cermin pantul yang diperbuat daripada kaca optik boleh digunakan. Sebaliknya, cermin pantul dalam peranti pemotong laser gas CO₂ biasanya diperbuat daripada tembaga atau logam dengan kebolehpantulan yang tinggi. Untuk mengelakkan kerosakan yang disebabkan oleh terlalu panas akibat penyinaran laser semasa operasi, cermin pantul biasanya disejukkan dengan air.

2.2.3 Muncung

Nozel digunakan untuk menyembur gas bantu ke dalam zon pemotongan, dan strukturnya mempunyai kesan tertentu terhadap kecekapan dan kualiti pemotongan. Rajah 4.11 menunjukkan bentuk muncung biasa untuk pemotongan laser; bentuk orifis muncung termasuk jenis silinder, kon dan menumpu-mencapah.

Pemilihan muncung biasanya ditentukan melalui ujian berdasarkan bahan dan ketebalan bahan kerja, dan tekanan gas tambahan. Pemotongan laser biasanya menggunakan muncung sepaksi (di mana aliran gas sepaksi dengan paksi optik). Jika aliran gas dan pancaran laser tidak sepaksi, percikan berlebihan mungkin berlaku semasa pemotongan. Dinding dalaman orifis muncung hendaklah lancar untuk memastikan aliran gas tidak terhalang dan mengelakkan pergolakan yang boleh menjejaskan kualiti kerf. Untuk memastikan kestabilan pemotongan, jarak antara permukaan hujung muncung dan permukaan bahan kerja hendaklah diminimumkan, biasanya antara 0.5 mm hingga 2.0 mm. Diameter orifis muncung mesti membenarkan pancaran laser melaluinya dengan lancar, menghalang pancaran daripada menyentuh dinding dalaman orifis. Lebih kecil diameter orifis, lebih sukar untuk mengolimaskan pancaran. Untuk tekanan gas tambahan yang diberikan, terdapat julat diameter orifis muncung yang optimum. Orifis yang terlalu kecil atau besar akan menghalang penyingkiran produk lebur dari kerf dan menjejaskan kelajuan pemotongan.

Pengaruh diameter orifis muncung terhadap kelajuan pemotongan di bawah kuasa laser tetap dan tekanan gas tambahan ditunjukkan dalam Rajah 4.12 dan 4.13. Dapat dilihat bahawa terdapat diameter orifis muncung optimum yang mencapai kelajuan pemotongan maksimum. Nilai optimum ini adalah lebih kurang 1.5 mm tanpa mengira sama ada oksigen atau argon digunakan sebagai gas tambahan.

Ujian ke atas pemotongan laser aloi keras (yang sukar dipotong) menunjukkan bahawa diameter orifis muncung optimum adalah sangat hampir dengan keputusan di atas, seperti yang digambarkan dalam Rajah 4.14. Diameter orifis muncung juga mempengaruhi lebar kerf dan lebar zon terjejas haba (HAZ). Seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 4.15, dengan peningkatan diameter orifis muncung, lebar kerf meningkat manakala lebar HAZ menyempit. Sebab utama penyempitan HAZ ialah kesan penyejukan yang dipertingkatkan daripada aliran gas tambahan pada bahan asas dalam zon pemotongan.

2.3 Parameter Peralatan Pemotongan Laser

2.3.1 Peralatan Pemotongan Berpacuan Obor

Dalam peralatan pemotongan yang dipacu obor, obor pemotong dipasang pada gantri boleh alih dan bergerak secara mendatar di sepanjang pancaran gantri (paksi-Y). Gantri memacu obor untuk bergerak di sepanjang paksi-X, manakala bahan kerja ditetapkan pada meja kerja. Oleh kerana laser dan obor pemotong disusun secara berasingan, ciri-ciri penghantaran laser, paralelisme di sepanjang arah pengimbasan pancaran, dan kestabilan cermin pantulan semuanya terjejas semasa proses pemotongan.

Peralatan pemotong yang dipacu obor boleh memproses benda kerja bersaiz besar. Ia menempati kawasan lantai yang agak kecil untuk zon pengeluaran pemotongan dan boleh diintegrasikan dengan mudah dengan peralatan lain untuk membentuk barisan pengeluaran. Walau bagaimanapun, ketepatan kedudukannya hanya ±0.04 mm.

Struktur tipikal peralatan pemotongan pacuan obor ditunjukkan dalam Rajah 4.19. Mesin pemotong laser CO₂ gelombang berterusan telah digunakan, dengan jarak dari laser ke obor pemotongan ialah 18 m. Bagi memastikan perubahan diameter pancaran pada jarak penghantaran ini tidak mengganggu operasi pemotongan, gabungan cermin pengayun mesti direka bentuk dengan teliti.

Parameter teknikal utama peralatan pemotongan yang dipacu obor adalah seperti berikut:

Kuasa Output Laser: 1.5 kW (mod tunggal), 3 kW (berbilang mod)
Lejang Obor: Paksi-X 6.2 m, Paksi-Y 2.6 m
Kelajuan Pemanduan: 0–10 m/min (boleh laras)
Lejang Terapung Paksi Z Obor: 150 mm
Kelajuan Pelarasan Paksi Z Obor: 300 mm/min
Saiz Maksimum Plat Keluli yang Diproses: 12 mm × 2400 mm × 6000 mm
Sistem Kawalan: Mod Kawalan NC Bersepadu

2.3.2 Peralatan Pemotongan Berpacuan Meja XY

Dalam peralatan pemotongan pacuan meja XY, obor pemotong dipasang pada bingkai, dan bahan kerja diletakkan di atas meja pemotong. Meja pemotong bergerak di sepanjang paksi X dan Y mengikut arahan NC, dengan kelajuan pemanduan boleh laras biasanya antara 0–1 m/min atau 0–5 m/min. Oleh kerana obor pemotong kekal pegun berbanding bahan kerja, ia meminimumkan kesan pada penjajaran dan pemusatan pancaran laser semasa proses pemotongan, memastikan prestasi pemotongan yang seragam dan stabil. Apabila dilengkapi dengan meja pemotong bersaiz kecil yang menampilkan ketepatan mekanikal yang tinggi, mesin mencapai ketepatan kedudukan ±0.01 mm danketepatan pemotongan yang sangat baik, menjadikannya amat sesuai untuk pemotongan komponen kecil dengan ketepatan. Selain itu, meja pemotong yang lebih besar dengan lejang paksi-X 2300–2400 mm dan lejang paksi-Y 1200–1300 mm disediakan untuk memproses bahan kerja bersaiz besar.

Parameter teknikal utama peralatan pemotongan berasaskan meja XY adalah seperti berikut:

Sumber Laser: Laser gas CO₂ (jenis tiub lurus separa tertutup)
Bekalan Kuasa Laser: Voltan input 200 VAC; Voltan output 0–30 kV; Arus output maksimum 100 mA
Kuasa Output Laser: 550 W
Lejang Meja Pemotongan: Paksi-X 2300 mm, Paksi-Y 1300 mm
Kelajuan Pemacu Meja Pemotong (Langkah boleh laras): 0.4–5.0 m/min, 0.2–2.5 m/min, 0.1–1.3 m/min, 0.05–0.6 m/min
Lejang Terapung Paksi-Z Obor: 180 mm
Saiz Maksimum Plat Diproses: 6 mm × 1300 mm × 2300 mm
Sistem Kawalan: Mod Kawalan Berangka (NC)

2.3.3 Peralatan Pemotongan Dwi-Pacuan (Obor & Meja)

Peralatan pemotong dwi-pacuan (obor & meja) berada di antara mesin pemotong pacu obor dan pacu meja XY dalam reka bentuk. Obor pemotong dipasang pada gantri dan bergerak secara mendatar di sepanjang rasuk gantri (paksi-Y), manakala meja pemotong didorong secara membujur. Reka bentuk hibrid ini menggabungkan kelebihan ketepatan pemotongan yang tinggi dan kecekapan penjimatan ruang. Dengan ketepatan kedudukan ±0.01 mm dan julat kelajuan pemotongan boleh laras 0–20 m/min, ia merupakan salah satu mesin pemotong yang paling banyak digunakan di pasaran. Model mesin yang lebih besar ini menawarkan lejang paksi-Y 2000 mm dan lejang paksi-X 6000 mm, membolehkan pemotongan benda kerja bersaiz besar.

Pengayun laser dipasang pada gantry di sebelah obor pemotong. Konfigurasi ini memberikan ketepatan yang luar biasa semasa memotong lubang bulat. Mesin ini juga mempunyai kecekapan pengeluaran yang tinggi: ia boleh memotong 46 lubang bulat (diameter 10 mm) seminit pada plat keluli setebal 1 mm.

2.3.4 Peralatan Pemotongan Bersepadu

Dalam sebuahmesin pemotong bersepadu, sumber laser dipasang pada bingkai dan bergerak secara membujur dengannya, manakala obor pemotong disepadukan dengan mekanisme pemacunya untuk bergerak secara mendatar di sepanjang pancaran bingkai. Mesin ini menggunakan kawalan berangka untuk memotong pelbagai komponen berbentuk. Untuk mengimbangi variasi panjang laluan optik yang disebabkan oleh pergerakan mendatar obor pemotong, modul pelarasan panjang laluan optik biasanya dilengkapi. Modul ini memastikan pancaran laser yang homogen dalam kawasan pemotongan dan mengekalkan kualiti permukaan pemotongan yang konsisten.

Masa siaran: 17 Dis-2025

Asas Pemotongan Laser dan Sistem Pemprosesannya — Peralatan Pemotongan Laser