**Lazer Kesim ve İşlem Sisteminin Temelleri – Lazer Kesim Ekipmanı**

**II. Lazer Kesim Ekipmanının Bileşenleri**

**2.1 Lazer Kesim Makinelerinin Bileşenleri ve Çalışma Prensibi**

Bir lazer kesim makinesi, bir lazer jeneratörü, kesme kafası, ışın iletim bileşenleri, takım tezgahı çalışma tablası, CNC sistemi, bilgisayar (donanım, yazılım), soğutucu, koruyucu gaz silindirleri, toz emici ve hava kurutucu gibi parçalardan oluşur.

1. **Lazer Jeneratörü:** Bu, lazer kaynağını üreten cihazdır. Lazer kesim uygulamaları için, YAG katı hal lazerlerinin kullanıldığı birkaç durum dışında, çoğu, daha yüksek elektro-optik dönüşüm verimlilikleri ve daha yüksek güç çıkışı sağlama yetenekleri nedeniyle CO2 gaz lazerlerini kullanır. Lazer kesim, ışın kalitesi için çok yüksek gereksinimlere sahip olduğundan, tüm lazerler kesim için uygun değildir.

2. **Kesme Kafası:** Esas olarak nozul, odaklama merceği ve odak takibi sistemi gibi bileşenleri içerir. Kesme kafası tahrik cihazı, kesme kafasını program uyarınca Z ekseni boyunca sürmek için kullanılır ve bir servo motor ve kurşun vida veya dişliler gibi bileşenlerden oluşur.

* (1) **Nozul:** Nozul tipleri esas olarak üç form içerir: paralel, yakınsak ve konik.

* (2) **Odaklama Merceği:** Lazer ışınının enerjisini kesim için kullanmak üzere, lazerden yayılan ham ışın, yüksek enerji yoğunluğuna sahip bir nokta oluşturmak için bir mercek tarafından odaklanmalıdır. Orta ve uzun odak uzaklığına sahip mercekler, kalın plaka kesimi için uygundur ve takip sisteminin mesafe kararlılığı için daha düşük gereksinimlere sahiptir. Kısa odak uzaklığına sahip mercekler sadece 3 mm'nin altındaki ince plakalar için uygundur; takip sisteminin mesafe kararlılığı için sıkı gereksinimlere sahiptirler ancak gerekli lazer çıkış gücünü önemli ölçüde azaltabilirler.

* (3) **Takip Sistemi:** Lazer kesim makinesinin odak takip sistemi genellikle odaklama kesme kafası ve takip sensör sisteminden oluşur. Kesme kafası, ışık yönlendirme ve odaklama, su soğutma, gaz üfleme ve mekanik ayarlama için parçalar içerir. Sensör, algılama elemanı ve amplifikasyon kontrol parçalarından oluşur. Algılama elemanına bağlı olarak, takip sistemleri tamamen farklıdır; öncelikle iki form vardır: kapasitif sensör takip sistemleri (temassız) ve endüktif sensör takip sistemleri (temaslı).

3. **Işın İletim Bileşenleri (Harici Işık Yolu):** Lazerin istenen yöne yönlendirilmesi için kırılma ve yansıtıcı aynalar kullanılır. Işın yolu arızasını önlemek için, tüm aynalar kapaklarla korunur ve kirlenmeyi önlemek için temiz, pozitif basınçlı koruyucu gazla beslenir. Yüksek kaliteli bir mercek seti, sapma açısı olmayan bir ışını sonsuz küçük bir noktaya odaklayacaktır. 5,0 inç odak uzaklığına sahip bir mercek yaygın olarak kullanılır. 7,5 inçlik bir mercek sadece 12 mm'den kalın malzemeler için kullanılır.

4. **Takım Tezgahı Çalışma Tablası (Makine Ana Bilgisayarı):** X, Y ve Z eksenleri boyunca hareketi sağlayan lazer kesim makinesinin mekanik parçası, kesme çalışma platformu dahil.

5. **CNC Sistemi:** X, Y, Z ekseni hareketini elde etmek için takım tezgahını kontrol eder ve ayrıca lazerin çıkış gücünü kontrol eder.

6. **Soğutma Sistemi (Soğutucu Ünitesi):** Lazer jeneratörünü soğutmak için kullanılır. Bir lazer, elektrik enerjisini ışık enerjisine dönüştüren bir cihazdır. Örneğin, bir CO2 gaz lazerinin dönüşüm oranı tipik olarak %20'dir ve kalan enerji ısıya dönüştürülür. Soğutma suyu, normal çalışmayı sürdürmek için fazla ısıyı uzaklaştırır. Soğutucu ayrıca, kararlı ışın iletim kalitesini sağlamak ve aşırı sıcaklık nedeniyle mercek deformasyonunu veya çatlamasını etkili bir şekilde önlemek için harici ışık yolu aynalarını ve odaklama merceğini de soğutur.

7. **Gaz Silindirleri:** Lazer kesim makinesinin çalışma ortam gaz silindirlerini ve yardımcı gaz silindirlerini içerir, lazer salınımı için endüstriyel gazları yenilemek ve kesme kafasına yardımcı gazlar sağlamak için kullanılır.

8. **Toz Emme Sistemi:** İşleme sırasında oluşan duman ve tozu emer ve egzoz emisyonlarının çevre standartlarını karşılaması için filtreler.

9. **Hava Soğutma Kurutucu ve Filtre:** Işın yolunun ve aynaların normal çalışmasını sürdürmek için lazer jeneratörüne ve ışın yoluna temiz, kuru hava sağlar.

**2.2 Lazer Kesme Meşalesi**

Bir lazer kesme meşalesinin şematik yapısı aşağıdaki şekilde gösterilmektedir, esas olarak meşale gövdesi, odaklama merceği, ayna ve yardımcı gaz nozulundan oluşur. Lazer kesim sırasında, meşale aşağıdaki gereksinimleri karşılamalıdır:

① Meşale yeterli bir gaz akışı püskürtebilmelidir.

② Meşale içindeki gaz püskürtme yönü, aynanın optik ekseni ile eş eksenli olmalıdır.

③ Meşalenin odak uzaklığı kolayca ayarlanabilir olmalıdır.

④ Kesim sırasında, kesme işleminden kaynaklanan metal buharının ve sıçramaların aynaya zarar vermemesini sağlayın.

Meşalenin hareketi, CNC hareket sistemi aracılığıyla ayarlanır. Meşale ile iş parçası arasındaki göreceli hareket üç durumda meydana gelebilir:

① Meşale sabittir ve iş parçası çalışma tablası aracılığıyla hareket eder (esas olarak daha küçük iş parçaları için).

② İş parçası sabittir ve meşale hareket eder.

③ Hem meşale hem de çalışma tablası aynı anda hareket eder.

**2.2.1 Kesme Kafası**

Lazer kesme kafası, ışın iletim sisteminin sonunda bulunur ve odaklama merceğini ve kesme nozulunu içerir.

Odaklama mercekleri öncelikle odak uzaklıklarına göre ayırt edilir. Çoğu lazer kesim ekipmanı, farklı odak uzaklıklarına sahip birkaç kesme kafası ile donatılmıştır. CO2 lazer kesimi örnek olarak alındığında, yaygın odak uzaklıkları 127 mm (5 inç) ve 190 mm (7,5 inç)'dir. Kısa odak uzaklığına sahip bir mercek, küçük bir odak noktası ve kısa bir odak derinliği sağlar, bu da kerf genişliğini azaltmak ve daha ince bir kesim elde etmek için faydalıdır. Uzun odak uzaklığına sahip bir mercek, daha büyük bir odak noktası ve daha uzun bir odak derinliği sağlar. Kısa odak uzaklığına sahip bir mercekle karşılaştırıldığında, uzun odak uzaklığına sahip bir mercek, odak noktasının yakınında daha geniş bir malzeme kalınlığı aralığında odaklanmış ışın enerji yoğunluğu için gereksinimleri karşılayabilir. Bu nedenle, kısa odak uzaklığına sahip mercekler çoğunlukla ince sacların ince kesimi için kullanılırken, daha kalın malzemeler, kesme kalınlığı aralığında nokta çapı değişiminin minimum düzeyde olmasını ve yeterli güç yoğunluğunun korunmasını sağlamak için yeterli odak derinliği elde etmek için uzun odak uzaklığına sahip merceklere ihtiyaç duyar.

Odaklama merceği, meşaleye giren paralel lazer ışınını küçük bir nokta ve yüksek güç yoğunluğu elde etmek için odaklamak için kullanılır. Mercekler, lazer dalga boyunu ileten malzemelerden yapılır. Katı hal lazerleri yaygın olarak optik cam kullanırken, sıradan camdan geçemeyen CO2 gaz lazerleri, ZnSe, GaAs ve Ge gibi malzemeler kullanır, ZnSe en yaygın olanıdır.

Lazer kesim için, mümkün olduğunca küçük bir nokta çapı istenir, çünkü bu, güç yoğunluğunu artırır ve yüksek hızlı kesimi kolaylaştırır. Ancak, mercek odak uzaklığı azaldığında, odak derinliği de küçülür ve daha kalın plakaları keserken iyi dik kesim yüzeyleri elde etmek zorlaşır. Ek olarak, daha küçük bir mercek odak uzaklığı ile, mercek ile iş parçası arasındaki mesafe azalır ve bu da merceğin kesim sırasında sıçramalar ve diğer erimiş malzemeler tarafından kirlenmeye karşı duyarlı hale gelmesine ve normal çalışmayı etkilemesine neden olur. Bu nedenle, uygun odak uzaklığı, kesme kalınlığı ve kalite gereksinimleri gibi faktörlerin kapsamlı bir şekilde değerlendirilmesiyle belirlenmelidir.

**2.2.2 Ayna**

Aynanın işlevi, lazerden gelen ışının yönünü değiştirmektir. Katı hal lazerlerinden gelen ışınlar için, optik camdan yapılmış aynalar kullanılabilirken, CO2 gaz lazer kesim cihazlarındaki aynalar genellikle yüksek yansıtma özelliğine sahip bakır veya metallerden yapılır. Kullanım sırasında, aynalar, ışığa maruz kalmaktan kaynaklanan hasarı önlemek için tipik olarak su soğutmalıdır.

**2.2.3 Nozul**

Nozul, yardımcı gazı kesme bölgesine püskürtmek için kullanılır. Yapısal şekli, kesme verimliliği ve kalitesi üzerinde belirli bir etkiye sahiptir. Şekil 4.11, lazer kesimde kullanılan yaygın nozul şekillerini göstermektedir; püskürtme ağzı şekilleri silindirik, konik ve yakınsak-ıraksak (de Laval) tiplerini içerir.

Nozulun seçimi genellikle iş parçası malzemesi, kalınlığı, yardımcı gaz basıncı vb. temel alınarak testten sonra belirlenir. Lazer kesim genellikle eş eksenli nozullar (gaz akışı optik eksenle eş eksenli) kullanır. Gaz akışı ışınla eş eksenli değilse, kesim sırasında önemli sıçramalar kolayca oluşabilir. Nozulun ağız duvarı, düzgün gaz akışını sağlamak ve türbülans nedeniyle kesim kalitesini etkilemekten kaçınmak için pürüzsüz olmalıdır. Kesme işlem kararlılığını sağlamak için, nozul yüzeyinden iş parçası yüzeyine olan mesafe en aza indirilmelidir, genellikle 0,5~2,0 mm olarak alınır. Nozul açıklığı, lazer ışınının engelsiz geçmesine izin vermelidir, ışının nozulun iç duvarına temas etmesinden kaçınılmalıdır. Açıklık ne kadar küçükse, ışın kolimasyonu o kadar zorlaşır. Belirli bir yardımcı gaz basıncında, nozul açıklık çapları için optimum bir aralık vardır. Açıklık çok küçük veya çok büyükse, kerften erimiş ürünlerin uzaklaştırılmasını etkileyecek ve ayrıca kesme hızını etkileyecektir.

Belirli bir lazer gücü ve yardımcı gaz basıncı altında nozul açıklığının kesme hızı üzerindeki etkisi Şekil 4.12 ve 4.13'te gösterilmektedir. Maksimum kesme hızını veren optimum bir nozul açıklığı olduğu görülebilir. Yardımcı gaz olarak oksijen veya argon kullanılıp kullanılmadığına bakılmaksızın, bu optimum değer yaklaşık 1,5 mm'dir.

Sert metal gibi kesilmesi zor malzemeler üzerinde yapılan lazer kesim testleri, optimum nozul açıklığının yukarıdaki sonuca çok yakın olduğunu göstermektedir, Şekil 4.14'te gösterildiği gibi. Nozul açıklığı ayrıca kerf genişliğini ve ısıdan etkilenen bölgenin (HAZ) genişliğini de etkiler. Şekil 4.15'te gösterildiği gibi, nozul açıklığı arttıkça, kerf genişlerken HAZ daralır. HAZ'ın daralmasının ana nedeni, yardımcı gaz akışının kesme bölgesindeki ana malzeme üzerindeki artırılmış soğutma etkisidir.

**2.3 Lazer Kesim Ekipmanı Parametreleri**

**2.3.1 Meşale Tahrikli Kesim Ekipmanı**

Meşale tahrikli kesim ekipmanında, kesme meşalesi hareketli bir portal üzerine monte edilir ve portal kirişi boyunca enine (Y yönünde) hareket eder. Portal, meşaleyi X yönünde sürer ve iş parçası kesme tablasına sabitlenir. Lazer kaynağı meşaleden ayrı olduğundan, kesim sırasında, lazer iletim özellikleri, ışın tarama yönü boyunca paralellik ve yansıtıcı aynaların kararlılığı etkilenebilir.

Meşale tahrikli ekipman daha büyük parçaları işleyebilir, kesme üretim alanı için nispeten daha az yer kaplar ve diğer ekipmanlarla üretim hatlarına kolayca entegre edilebilir. Ancak, konumlandırma doğruluğu tipik olarak ±0,04 mm civarındadır.

Meşale tahrikli kesim ekipmanının tipik yapısı Şekil 4.19'da gösterilmektedir. Bu örnek, lazer kaynağından meşaleye 18 m'lik bir ışın iletim mesafesine sahip bir CO2 sürekli dalga lazer kesici kullanır. Bu mesafe boyunca ışın şeklindeki değişikliklerin kesimi engellememesini sağlamak için, osilatör aynalarının kombinasyonu dikkatlice tasarlanmalıdır.

Meşale tahrikli ekipman için ana teknik parametreler:

* Lazer Çıkış Gücü: 1,5kW (tek mod), 3kW (çok mod).

* Meşale Hareketi: X ekseni 6,2m, Y ekseni 2,6m.

* Tahrik Hızı: 0~10m/dak (ayarlanabilir).

* Meşale Yüksekliği (Z ekseni) Yüzer Hareket: 150mm.

* Meşale Yüksekliği Ayar Hızı: 300mm/dak.

* İşlenebilir Maksimum Çelik Plaka Boyutu: 12mm kalınlık * 2400mm * 6000mm.

* Kontrol Ekipmanı: Entegre CNC kontrol yöntemi.

**2.3.2 XY Koordinat Kesme Tablası Tahrikli Ekipman**

XY koordinat kesme tablası tahrikli ekipmanda, meşale makine çerçevesine sabitlenir ve iş parçası kesme tablasına yerleştirilir. Kesme tablası, NC talimatlarına göre X ve Y yönlerinde hareket eder. Tahrik hızı genellikle 0~1m/dak (ayarlanabilir) veya 0~5m/dak (ayarlanabilir) şeklindedir. Meşale iş parçasına göre sabit olduğundan, lazer ışınının hizalanması kesim sırasında daha az etkilenir, bu da düzgün ve kararlı kesimlere izin verir. Kesme tablası boyutu küçük ve mekanik hassasiyet yüksek olduğunda, konumlandırma doğruluğu ±0,01 mm olabilir ve mükemmel kesme hassasiyeti sağlar, bu da onu küçük parçaların hassas kesimi için özellikle uygun hale getirir. Ayrıca, daha büyük parçaların işlenmesi için X ekseni hareketi 2300~2400mm ve Y ekseni hareketi 1200~1300mm olan kesme tablaları da vardır.

XY tabla tahrikli ekipman için ana teknik parametreler:

* Lazer: CO2 gaz lazeri (yarı kapalı düz tüp tipi).

* Lazer Güç Kaynağı: Giriş voltajı 200V AC, Çıkış voltajı 0~30kV, Maksimum çıkış akımı 100mA.

* Lazer Çıkış Gücü: 550W.

* Kesme Tablası Hareketi: X ekseni 2300mm, Y ekseni 1300mm.

* Kesme Tablası Tahrik Hızı (adım 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.

* Meşale Yüksekliği (Z ekseni) Yüzer Hareket: 180mm.

* İşlenebilir Maksimum Sac Boyutu: 6mm kalınlık * 1300mm * 2300mm.

* Kontrol Ekipmanı: NC yöntemi.

**2.3.3 Meşale-Tabla Çift Tahrikli Kesim Ekipmanı**

Meşale-tabla çift tahrikli kesim ekipmanı, meşale tahrikli ve XY tabla tahrikli tiplerin bir melezidir. Meşale bir portal üzerine monte edilir ve portal kirişi boyunca enine (Y yönünde) hareket ederken, kesme tablası boyuna (X yönünde) hareket eder. Yüksek kesme doğruluğu ve yerden tasarruf avantajlarını birleştirir. Konumlandırma doğruluğu ±0,01 mm'dir, kesme hızı ayar aralığı 0~20m/dak'dır, bu da onu yaygın olarak kullanılan bir kesim ekipmanı türü haline getirir. Bu türün daha büyük modelleri, 2000 mm Y ekseni hareketi ve 6000 mm X ekseni hareketine sahip olabilir ve büyük parçaları kesebilir.

Bazı tasarımlarda, lazer osilatörü de meşale ile birlikte portal üzerine monte edilir. Çift tahrikli ekipmanla dairesel deliklerin kesimi için doğruluk oldukça iyidir. Üretim verimliliği de yüksektir; örneğin, 1 mm kalınlığında çelik plakada dakikada 10 mm çapında 46 delik kesebilir.

**2.3.4 Entegre Kesim Ekipmanı**

Entegre kesim ekipmanında, lazer kaynağı makine çerçevesine monte edilir ve onunla birlikte boyuna hareket ederken, meşale ve tahrik mekanizması, çerçevenin kirişi üzerinde enine hareket eden bir birim oluşturur. CNC kullanılarak, çeşitli şekilli parçalar kesilebilir. Meşalenin enine hareketi nedeniyle oluşan optik yol uzunluğundaki değişikliği telafi etmek için, genellikle homojen bir ışın ve tutarlı kesim yüzey kalitesi sağlamak için bir optik yol uzunluğu ayarlama bileşeni donatılmıştır.