Principiul de proiectare al tăierii cu laser este un cadru de proces sistematic construit pe intersecția dintre optică, termodinamică și știința materialelor. Miezul său este îndepărtarea și modelarea precisă a materialelor prin interacțiunea unui fascicul laser controlabil cu densitate mare-energie-cu materialul. Implementarea acestui principiu necesită luarea în considerare a trei dimensiuni: generarea și transmisia laserului, mecanismele de interacțiune a energiei și potrivirea parametrilor procesului, formând un lanț logic complet de la „sursa de energie” la „rezultatul procesării”.
Generarea laserului este punctul de plecare al designului. În aplicațiile industriale actuale, laserele cu fibră, laserele cu CO₂ și laserele cu stare solidă prezintă caracteristici diferite ale fasciculului datorită diferențelor în mediul de câștig și metodele de excitație: laserele cu fibră folosesc fibre optice dopate cu pământuri rare ca mediu de câștig și realizează o eficiență ridicată a conversiei electro-optice (până la ieșire continuă sau mai mare) prin pompare continuă sau semiconductoare. fascicule în banda de infraroșu apropiat-(aproximativ 1070 nm), cu avantaje precum calitatea excelentă a fasciculului (M² aproape de 1), structură compactă și funcționare fără întreținere-; Laserele cu CO₂ folosesc un amestec de gaz CO₂ ca mediu de amplificare și generează un fascicul de bandă infraroșu îndepărtată (10,6 μm) prin excitația de descărcare, deși eficiența electro-optică este relativ scăzută (aproximativ 10%), dar rata de absorbție pentru materialele ne{-metalice este mai mare și mai mare; Laserele cu stare solidă-(cum ar fi Nd:YAG) folosesc cristale ca mediu de câștig și pot genera lasere cu impuls-scurt sau ultrascurt-, potrivite pentru scenariile de micro-prelucrare. Selectarea unui laser trebuie să se bazeze pe o analiză cuprinzătoare a caracteristicilor de absorbție ale materialului pentru lungimea de undă (de exemplu, cuprul și aluminiul au o reflectivitate ridicată la laserele CO₂ de 10,6 μm, ceea ce le face mai potrivite pentru laserele cu fibră), grosimea necesară procesării și precizia. Aceasta este întruchiparea de bază a principiului „adaptabilității sursei de energie” în proiectare.
Transmisia și focalizarea cu laser sunt cruciale pentru livrarea precisă a energiei. Ieșirea fasciculului din cavitatea rezonantă laser trebuie transmisă la capul de procesare prin elemente optice, cum ar fi oglinzile colimatoare și oglinzile reflectorizante. Apoi, o oglindă de focalizare (de obicei o lentilă convexă) converge fasciculul divergent într-un punct cu un diametru de zeci până la sute de micrometri. Relația dintre diametrul spotului (d), distanța focală (f) și diametrul fasciculului incident (D) urmează formula de imagistică a lentilei (d≈f·θ, unde θ este unghiul de divergență al fasciculului), determinând direct densitatea de energie (E=P/(πd²/4), unde P este puterea laserului) este de a obține o tăiere de înaltă-precizie. Designul necesită selectarea distanței focale pe baza zonei de procesare și a cerințelor de precizie (distanțele focale scurte au ca rezultat un punct de focalizare mic, dar o adâncime mică de focalizare, potrivită pentru tăierea cu precizie a plăcilor subțiri; distanțe focale mari au o adâncime mare de focalizare, potrivite pentru procesarea stabilă a plăcilor groase). Tehnologia de focalizare dinamică (cum ar fi ajustarea automată a poziției punctului focal de-a lungul axei Z-a capului de procesare pentru a urma ondulațiile de suprafață ale plăcii) este utilizată pentru a compensa atenuarea energiei cauzată de neuniformitatea plăcii, asigurând uniformitatea energiei în zona de acțiune.
Mecanismul de interacțiune dintre energie și material determină natura fizică a procesului de tăiere. Când un fascicul laser iradiază suprafața materialului, energia este absorbită și convertită în căldură, determinând ca temperatura locală să crească rapid până la punctul de topire sau chiar la punctul de fierbere (punctul de topire al majorității materialelor metalice este peste 1000 de grade, iar punctul de fierbere poate ajunge la 3000 de grade). Pentru materialele cu conductivitate termică scăzută (cum ar fi oțelul inoxidabil), căldura este concentrată în zona spotului, permițând topirea rapidă; pentru materiale foarte reflectorizante (cum ar fi aluminiul și cuprul), este necesar să creșteți puterea laserului sau să utilizați un mod pulsat (prin depășirea pragului de reflexie cu putere de vârf) pentru a îmbunătăți absorbția de energie. Metalul topit este suflat departe de tăietură de un gaz auxiliar (oxigen, azot sau aer comprimat): oxigenul reacționează exotermic cu fierul (oxidare), oferind energie de tăiere suplimentară, potrivită pentru tăierea cu viteză mare-a materialelor ușor oxidate, cum ar fi oțelul carbon; azotul, ca gaz inert, elimină zgura folosind doar energia cinetică, evitând oxidarea și rezultând o tăietură decolorată de înaltă-calitate, potrivită pentru aplicații care necesită o calitate superioară a suprafeței, cum ar fi oțelul inoxidabil și aliajele de aluminiu. Designul trebuie să se potrivească cu tipul și presiunea gazului de asistență pe baza conductivității termice a materialului, a capacității termice specifice și a caracteristicilor de oxidare-o presiune prea scăzută va duce la reziduuri de zgură, în timp ce o presiune prea mare poate duce la o tăietură excesivă sau pierderi de material. Simulări numerice (cum ar fi analiza dinamicii fluidelor computaționale (CFD) a câmpului de curgere a gazului) sunt necesare pentru a optimiza structura duzei și direcția fluxului de aer pentru a asigura îndepărtarea eficientă a zgurii fără a interfera cu calea optică.
Proiectarea coordonată a parametrilor procesului este nucleul realizării tăierii stabile. Puterea laserului (P), viteza de tăiere (v), frecvența impulsului (f) și ciclul de lucru (η) trebuie să fie corelate: puterea determină energia totală aportă pe unitatea de timp, viteza afectează durata energiei (energie pe unitate de lungime=E/v) și ambele împreună determină dacă materialul este complet topit/vaporizat. În modul în impulsuri, frecvența și ciclul de funcționare controlează energia unui singur-impuls (E_pulse=P × η/f) și intervalul de impuls pentru a evita acumularea de căldură cauzată de încălzirea continuă (de exemplu, în tăierea plăcilor groase, frecvența joasă și ciclul de lucru ridicat pot reduce lățimea-zonei afectate de căldură). Proiectarea ar trebui să utilizeze un design experimental ortogonal sau algoritmi de învățare automată pentru a stabili o bază de date „parametri-grosimea-materialului”. De exemplu, pentru oțel inoxidabil 304 cu grosimea de 3 mm, optimizarea combinației de parametri la o putere de 1200 W, o viteză de 2 m/min și o presiune de azot de 0,8 MPa poate obține o tăiere de înaltă calitate cu o rugozitate în secțiune transversală Ra Mai mică sau egală cu 12,5 μm.
Pe scurt, principiul de proiectare al tăierii cu laser este o sinergie multi-dimensională a „caracteristicilor sursei de energie, transmisiei căii optice, interacțiunii materialelor și potrivirii parametrilor”. În esență, transformă „energie luminoasă” abstractă în „forță de procesare” controlabilă prin controlul precis al proprietăților fizice ale laserului și al comportamentului materialului, obținând în cele din urmă modelarea eficientă și de înaltă{2}}precizie a contururilor complexe. Evoluția continuă a acestui principiu (cum ar fi impulsurile femtosecunde/picosecunde în laserele ultrarapide pentru a suprima difuzia termică și optimizarea-parametrului în timp real folosind algoritmi inteligenți) extinde în mod constant limitele aplicațiilor de tăiere cu laser, făcându-l o tehnologie de bază indispensabilă în producția avansată.
