🎯 Фокусировка лазерного луча

Загружаем…

Введение

Разные производители имеют различные мнения о приоритетных параметрах своих лазерных режущих головок. Одни уделяют особое внимание минимальному размеру пятна, другие — ориентации линз и перпендикулярности их оси относительно лазерного луча. На самом деле нельзя выделить значимость одного параметра относительно другого: их важность возрастает при разных условиях резки. Сохранение положения фокуса в материале имеет решающее значение для работы параметров лазерной резки и для получения стабильно высокого качества кромки.

Фокусировка лазерного луча для резки толстого металла

При работе с листами толщиной более 20 мм необходимо создать более крупную зону плавления, чтобы получить объёмную ванну расплава, которая должна быть удалена во время процесса резки. Для создания такого увеличенного пятна прожига луч фокусируют либо над, либо под поверхностью материала — в зависимости от вспомогательного газа. Следовательно, фокусировка небольшого пятна на поверхности обычно менее успешна для толстого материала.

Фокусировка лазерного луча для резки тонкого металла

Для резки тонких листов толщиной 1–3 мм необходима точка, сфокусированная на поверхности металла. Это намного эффективнее, чем более крупное пятно, так как не нужен широкий канал для удаления материала.

Вспомогательный газ при лазерной резке

Один очень важный фактор при лазерной резке — использование вспомогательного газа: кислорода, азота или сжатого воздуха. Каждый газ обладает определёнными свойствами, связанными с ускорением процесса горения, удалением расплавленного материала или и тем, и другим.

При лазерной резке вспомогательные газы поддерживают одну из двух реакций: экзотермическую или эндотермическую. Правила фокусировки зависят от типа реакции и используемого газа.

Фокусировка лазерного луча при экзотермии

При экзотермической реакции газ задаёт резке ускоряющие свойства — например, кислород. При такой реакции металл буквально вскипает: интенсивная энергия лазерного луча испаряет его, а кислород эффективно реагирует с металлом в его расплавленном состоянии. Процесс идёт под высоким давлением, и при участии кислорода основной материал нагревается до высочайшей температуры, что приводит к образованию пара металла и его дальнейшему испарению.

Резка толстых листов подразумевает более крупную форму прожига — она используется в производстве для создания широкого реза и удаления расплавленного материала.

Правила фокусировки для экзотермических реакций: фокус должен находиться над поверхностью — для толстых материалов, либо на верхней поверхности — для более тонких.

Когда фокус находится над материалом, обычно используют низкое давление и небольшой объём, чтобы способствовать сжижению и вытеснению расплавленного материала. Испаряется очень мало материала, потому что небольшой объём кислорода не может поддерживать полное испарение.
Когда фокус расположен прямо на поверхности материала, обычно используют высокое давление и большой объём. Этого достаточно для поддержания интенсивного испарения материала.

Именно поэтому при осмотре столов для резки тонкого материала видно, что на опорах стола скапливается очень мало материала. Столы для обработки толстых материалов, напротив, накапливают значительно больший объём шлака.

Фокусировка лазерного луча при эндотермии

Эндотермические реакции возникают, когда используется газ с инертными свойствами. В эту категорию попадают азот и аргон.

Во время реакции этого типа газ обеспечивает только выдув расплавленного материала через рез. Эндотермический процесс сильно зависит от исходной энергии сфокусированного лазерного луча, чтобы быстро привести основной металл в расплавленное состояние и сформировать рез. Это позволяет инертному газу вытеснять сжиженный материал через канал среза, оставляя чисто срезанную поверхность без налипания шлака.

Правила фокусировки для эндотермических реакций: положение фокуса должно находиться на дне материала или чуть ниже. Фокус под материалом создаёт небольшую V-образную форму внутри канала реза в поперечном сечении, позволяя газу под высоким давлением сжимать расплавленный материал и выталкивать его через основание канала с высокой скоростью.

Эндотермические реакции требуют большого объёма и высокого давления для быстрого удаления расплавленного материала.

Сжатый воздух

Использование сжатого воздуха в качестве вспомогательного газа фактически вызывает одновременно эндотермическую и экзотермическую реакции. Однако, поскольку воздух состоит в основном из азота (≈78 %), это в первую очередь эндотермическая реакция, при которой небольшой объём кислорода (≈20 %) вызывает одновременную, но меньшую экзотермическую реакцию. Это приводит к более быстрому плавлению основного материала за счёт реактивных свойств кислорода. Остальной воздух в основном инертен и участвует только в эндотермической реакции азота.

Резка сжатым воздухом даёт наилучшие результаты, когда положение фокуса поддерживается в центре толщины материала.

Контроль точки фокусировки

Важно контролировать каждый аспект, связанный с поддержанием правильной проекции точки фокусировки. Необработанный луч в оптическом резонаторе должен находиться в хорошем состоянии, а сам луч — правильно доставляться к линзе.

Использование линзы с правильным фокусным расстоянием меняет скорость плавления материала и максимальную обрабатываемую толщину.

Выбор вспомогательного газа во многом определяет, как фокусное положение будет задаваться в материале:

Лазерная резка кислородом (экзотермическая) — фокус прямо на поверхности или над поверхностью материала. Требуются очень небольшие изменения фокуса, если только не происходит перехода между резкой высокого и низкого давления, потому что фокус всегда находится на поверхности материала или вблизи неё и, следовательно, не зависит от изменений толщины.
Лазерная резка азотом (эндотермическая) — фокус сильно зависит от толщины обрабатываемого материала, поскольку он находится на дне материала или около него.

В любом случае все основные точки фокусировки могут быть обеспечены с помощью ЧПУ и устройства автофокусировки, такого как адаптивное зеркало.

Адаптивное зеркало

Адаптивное зеркало работает путём изменения формы поверхности зеркала за счёт приложения давления к его задней стороне. В нормальном состоянии, без приложения давления, поверхность зеркала вогнута. При приложении давления поверхность изменяется с вогнутой на плоскую, а затем — на выпуклую. Изменение формы зеркала изменяет волновой фронт луча и, следовательно, размер луча на линзе и положение проекции фокуса в материале.

Фокусное расстояние линзы

Для резки обычно используются оптические системы с фокусным расстоянием 125 мм и 150 мм.

125-мм оптика подходит только для малых толщин 1–3 мм. У 125-мм оптики прорезь уже по сравнению с 150-мм оптикой, что даёт более высокую плотность энергии при той же мощности лазера. Поэтому возможные скорости резки для 125-мм оптики немного выше при той же толщине материала и мощности лазера. Если режутся в основном тонкие материалы, из экономических соображений следует рекомендовать 125-мм оптику.
150-мм оптика имеет преимущество большей глубины резки. Она может использоваться универсально для большого диапазона толщин, но в основном применяется для более толстых материалов.

Положение фокуса

Точное расположение фокуса — важное требование для хороших результатов резки.

Для обработки углеродистой стали лазерным лучом действует следующее:

Для листов толщиной примерно до 6 мм оптимальное положение фокусировки — на поверхности листа (эндотермия).
При толщине 8 мм и более точка фокусировки должна располагаться над поверхностью листа (экзотермия).
Резка под высоким давлением нержавеющей стали или алюминия: фокус — на листе.

Как показывает практика, положение фокуса можно установить примерно на 2/3 толщины листа внутри листа.

Следовательно, каждое изменение толщины пластины обычно означает изменение положения фокуса.

Центрирование сопла

Фокусирующую линзу необходимо установить так, чтобы сфокусированный лазерный луч находился в центре отверстия сопла. Допуск — не более ±0,05 мм от центра сопла.

При хорошем качестве резки нецентрированный лазерный луч может привести к тому, что качество резки будет зависеть от направления. В крайнем случае в одном направлении рез будет удовлетворительным, а в других — материал не будет разрезан начисто или даже не разделён.

При газовой резке углеродистой стали на поверхности листа могут образовываться искры в направлении, противоположном эксцентриситету.

Загрязнение линз

Важно: сильное загрязнение может привести к повреждению линз и всей режущей головки.

Эффекты:

С увеличением длины реза начинают образовываться заусенцы, ширина реза и шероховатость поверхности увеличиваются.
В углеродистой стали есть склонность к образованию кратеров.
В крайнем случае деталь не отделится от листа после обработки.

Обслуживание и замена фокусной линзы

Снятие и установка фокусирующей линзы:

Снимите лазерную головку и переместите её в чистое место. Очистите всю пыль с поверхности лазерной головки.
Расположите лазерную головку горизонтально. Снимите стопорные винты снизу вверх (см. рис. 6.5 — демонтаж защитного стекла и сопла в сборе).
Снимите прижимное кольцо пружины и фокусирующую линзу с помощью ключа для снятия линзы.
Замените или очистите фокусирующую линзу.
В направлении, показанном на рис. 6.7, аккуратно вставьте фокусирующую линзу и пружинное прижимное кольцо в крепление объектива и правильно затяните прижимное кольцо.

Практическая часть: настройка фокуса на оптоволоконном лазере

Перед началом работы на оптоволоконном лазерном станке необходимо установить правильное фокусное расстояние между лазерной головкой и разрезаемым материалом. От правильности настройки фокуса зависят ширина и качество реза, образование грата и скорость резки.

Фокусировка лазерного луча — важный аспект работы. Для качественной резки металла нужно сконцентрировать энергию в конкретной точке — это увеличивает интенсивность лазерного луча.

От фокусного расстояния зависят диаметр пятна и глубина фокуса.

Фокусировку проводят: над металлом, на металле или ниже металла.

Положительная фокусировка — фотонный поток находится над плоскостью заготовки. Используется при резке углеродистой стали. Исключается образование шлака, а кислород способствует окислению металла от кромки реза до нижней поверхности листа. При увеличении значения положительной фокусировки диаметр пятна на поверхности заготовки увеличивается, что приводит к увеличению тепловыделения и более гладкой кромке стали вдоль реза.
Отрицательная фокусировка — пик концентрации находится внутри заготовки, плотность излучаемой энергии увеличивается, разрез расширяется. Режим подходит для нержавеющей стали. Срез шире в верхней части и уже в нижней; в верхней части амплитуда резания больше, что улучшает текучесть расплава. Однако нижняя часть имеет меньшую ширину реза и требует большего потока газа. Отрицательная расфокусировка обычно используется при резке воздухом или азотом.
Нулевой фокус — фокус на поверхности пластины, даёт пятно наименьшего размера. Это приводит к относительно узкому диапазону плавления и меньшей ширине реза, что делает его пригодным для высокоточной резки тонких материалов.

Понимание и управление положением фокуса очень важно для оптимизации операций лазерной резки, поскольку напрямую влияет на интенсивность луча в зоне реза, ширину пропила и общее качество.

На графике зависимости положения фокуса (Z) от ширины (W) верхней части режущего шва: когда фокус находится на поверхности пластины, ширина разреза наименьшая. При изменении положения фокуса (положительная или отрицательная расфокусировка) ширина разреза увеличивается.

Степень увеличения ширины среза зависит от фокусного расстояния линзы режущей головки и глубины фокусировки. В целом, чем короче фокусное расстояние и меньше глубина фокуса, тем сильнее изменяется ширина среза в зависимости от положения фокуса.

Чем толще металл, тем выше необходимо выставлять фокус.

Коллиматорные и фокусирующие линзы

За создание точки фокусировки отвечают коллиматорные и фокусирующие линзы. Коллиматорные линзы принимают стремительно расширяющийся пучок на выходе из волокна и распрямляют его; фокусирующие — фокусируют излучение на рабочую поверхность.

Проблемы с линзами

В случае работы с волоконным лазером коллиматор и фокусирующая линза крайне редко бывают источниками проблем с фокусом излучения. Материалы для проходной лазерной оптики давно известны, технологии их изготовления хорошо проработаны. Тем не менее, изредка встречается дефект — термооптический эффект: уход фокуса линзы из-за нагрева оптики, связанный с зависимостью коэффициента поглощения материала линзы от температуры. Эффект можно заметить при загрязнении или повреждении линз. Покупайте линзы у проверенных производителей оптики. Прежде чем делать вывод об оптике, следует провести центрирование сопла. Защитное стекло первым страдает на стадии врезки.
Не менее важна вертикальность попадания пучка режущего лазерного излучения на линзу. Невертикальность пучка приводит к разрушению сопла и дефектам на кромке.
Фокальная плоскость — это плоскость, на которой пятно сфокусированного лазерного излучения имеет минимальный размер.
Если положение фокальной плоскости на листе выбрано неоптимально, в худшем случае получите грат и прекращение резки. При небольшой ошибке положение фокуса повлияет на отклонение стенок реза от вертикальности. Проверка несложная: измерьте размеры детали по нижней кромке и по верхней. Естественно, это должно быть одно и то же место детали.
Что делают операторы, столкнувшиеся с ухудшением качества кромки? Обычно снижают скорость резки до получения оптимального качества. Результат не всегда желательный: качество улучшается, но остаётся неоптимальным, при этом падает производительность станка.
Именно положение фокуса чаще всего является приоритетной причиной ухудшения качества. И именно о нём операторы забывают. А если делают проверки, то зачастую со слишком большим шагом перефокусировки, пропуская оптимальное положение, или несистемно — перемещая линзу то слишком высоко, то слишком низко, теряя понимание, в каком именно месте сфокусированного пучка в данный момент находится разрезаемый лист.

Алгоритм поиска правильного положения фокуса

Действия по поиску правильного положения фокуса не должны занимать много времени. Следуйте простому алгоритму:

Выберите шаг перефокусировки. Не слишком большой, чтобы не пропустить оптимум, и не слишком маленький, чтобы не тратить время.
Вырежьте 12 тестовых деталей. Оптимальная форма — небольшой квадрат. Можно также сделать прямые резы на листе.
Пронумеруйте детали или линии и подпишите рядом положение фокуса на квадрате или рядом с линией.
Осмотрите рез со стороны падения лазерного пучка и снизу и выберите режим с наилучшим видом линии или кромки — с минимальной зоной термического влияния, без капель и грата.
Если качество резки улучшилось, но пока не оптимальное, зафиксируйте найденное положение фокуса и проведите подобные процедуры с каждым параметром по отдельности: расстояние от сопла до листа, давление газа, скорость резки, мощность лазера. Каждый раз, меняя параметр, двигайтесь от одного крайнего значения к другому с шагом одного знака. Так вы не потеряетесь среди оптимизируемых параметров.

Найденный набор технологических параметров не останется одним и тем же навсегда. Если хоть один изменится, придётся пересматривать и остальные.

Влияние газа и материала на фокус

Положение фокуса может меняться как при смене материала, так и при смене газа. Об этом стоит помнить, например, при переходе на кислород иной чистоты. И обязательно — при переходе с кислорода на азот и обратно.

При резке инертным азотом фокус необходимо заглублять.
При резке химически активным кислородом фокус должен находиться на поверхности листа или над ней.

Диагностика по кромке

Внимательное изучение кромки многое говорит о положении фокуса:

Грат с заострёнными кончиками — либо не хватает расхода азота, либо фокус слишком высоко.
Грат с капельками — фокус слишком низко.

Иногда изменение положения фокуса на 100–150 микрон спасает ситуацию.

Виды фокусирующих линз

Длиннофокусные — подходят для обработки толстых листов и заготовок с различной кривизной поверхности.
Среднефокусные — лучше подходят для резки средних и тонких материалов.
Короткофокусные — лучше всего подходят для гравировки: получаются чёткие и аккуратные изображения.

Способы фокусировки на головке

1. Ручная фокусировка. На лазерной головке имеется фокусировочное устройство — обычно вращающееся кольцо, которое можно поворачивать, чтобы поднимать и опускать фокусирующую линзу. При первой настройке или после смены толщины и типа металла необходимо вручную настроить приблизительное положение фокусировки.

2. Автофокус. Высококлассное оборудование может быть оснащено системой автофокусировки, которая автоматически регулирует положение фокуса по заданным значениям. Это значительно повышает эффективность производства и сокращает человеческие ошибки.

Перетяжка пучка

Из схемы фокусирования излучения линзами с разным фокусным расстоянием видны два принципиальных факта:

Чем больше фокусное расстояние, тем больше пятно, в котором фокусируется излучение.
Чем больше фокусное расстояние, тем больше перетяжка. Перетяжкой называют некоторую дистанцию от фокальной плоскости вдоль оси распространения излучения.

Дополнительные рекомендации

Следите за чистотой линз и зеркал: регулярно очищайте и проверяйте состояние стёкол, так как загрязнение влияет на фокус.
Следите за износом и состоянием оборудования.
Пользуйтесь таблицами с режимами для вашего источника (попросите поставщика их предоставить), проверьте фокусное расстояние линз в вашей режущей головке.
Сверьте, совпадает ли ваш реальный ноль с программным — методом нахождения перетяжки.