🔍 Линзы

Загружаем…

Коллиматорный объектив (коллиматор)

Коллиматор — это отдельный пассивный оптический узел, который готовит лазерный луч к последующей передаче в фокусатор. Он состоит из корпуса (объектива), набора собирающих коллиматорных линз (двояковыпуклая + выпукло-вогнутая), комплекта верхних и нижних уплотнительных колец, манжет и гаек.

Коллиматор — важный элемент, используемый для коллимирования (собирания) оптического света. Он играет ключевую роль в настройке света в нужном направлении, выполняя функцию «выпрямителя и сборщика» луча: делает лазерный луч пригодным для передачи в фокусатор и обеспечивает высокое качество самого луча на этом пути.

Для чего нужна коллиматорная линза в режущем лазере

Коллимационная линза преобразует расходящийся лазерный луч в коллимированный — то есть в пучок, в котором все фотоны движутся параллельно друг другу. Этот коллимированный пучок далее направляется оптической системой в фокусирующие линзы, которые собирают его на заданном фокусном расстоянии в точечном световом пятне. Именно в этой точке концентрируется максимальная плотность энергии — на диаметре, необходимом для эффективной лазерной резки.

Иначе говоря, коллимирующие линзы сужают и выравнивают пучок: они либо делают направления света более параллельными, либо уменьшают пространственное сечение луча. Коллиматор лазерной режущей головки сужает расходящийся пучок, выходящий из оптоволоконного световода, и состоит из двух линз.

Функции и характеристики:

Коллиматорная линза — составная линза для получения наилучшего оптического качества и режущего эффекта.
Высокая скорость передачи, сверхнизкое поглощение, выдерживает мощность свыше 10 000 Вт, высокий порог потери энтальпии.
Постоянство рабочего расстояния более 99,5 %.
Высокий коэффициент пропускания, высокий порог повреждения — применима в высокомощной лазерной резке.
Эффект коллимации хороший — менее 1/10 длины волны.

Фокусирующая линза

Линза, установленная в головке излучателя, формирует световое пятно требуемой площади.

У длиннофокусных моделей пятно крупнее — это позволяет нивелировать «соскальзывание» с поверхностей цилиндрической формы и обеспечивает более высокое качество гравировки на изогнутых поверхностях, включая конические тела.

Но крупное пятно по принципу работы напоминает фрезу большого диаметра — выполнить тонкие элементы изображения почти невозможно. Поэтому длиннофокусные линзы применяют только для гравировки текстов и графики с низкой детализацией.

В остальных случаях нужно ставить короткофокусную модель либо перенастраивать характеристики станка (понижать ускорение разгона/торможения, скорость перемещения головки и т. п.).

Главный недостаток длиннофокусной линзы — потребная мощность обработки растёт практически вдвое. Для гравировки (где обычно используется до 30 % номинальной мощности) это приемлемо, но при сквозном резе даже 100 % мощности может не хватить.

Высокоэнергетический лазерный луч нужно с максимальной точностью фокусировать на поверхности материала.

Глубина фокуса увеличивается с ростом фокусного расстояния и уменьшается при его сокращении. В лазерных системах это эквивалентно длине перетяжки пучка.

Поэтому:

Для тонких и ровных материалов предпочтительны линзы с коротким фокусным расстоянием, например f′ = 93,75 мм. Такой рез отличается высокой скоростью, узким каналом и крайне малой зоной термического влияния.
Для толстых или неровных материалов лучше подходят линзы с бо́льшим фокусным расстоянием (f′ = 127–190,5 мм).

Фокусировка лазерного луча

Производители расходятся во мнениях о приоритетах в режущей лазерной головке. Одни делают упор на минимальный размер пятна, другие — на ориентацию линз и перпендикулярность их оси относительно луча. На деле выделить главный параметр невозможно — значимость каждого зависит от условий резки. Сохранение положения фокуса в материале критично для воспроизводимости параметров и стабильно высокого качества кромки.

Фокусировка для резки толстого металла

При работе с листами толщиной более 20 мм важно создать укрупнённую зону плавления — чтобы получить более объёмную ванну расплава, которую необходимо удалить из реза. Для этого луч фокусируют либо над, либо под поверхностью материала — в зависимости от вспомогательного газа. Фокусировка маленького пятна на самой поверхности для толстого металла обычно менее эффективна.

Фокусировка для резки тонкого металла

Для листов толщиной 1–3 мм нужна точка, сфокусированная на поверхности металла. Она намного эффективнее крупного пятна, потому что широкий канал для удаления материала здесь не нужен.

Вспомогательный газ при лазерной резке

Один из важнейших факторов — выбор вспомогательного газа: кислород, азот или сжатый воздух. У каждого газа свои свойства, связанные с ускорением горения, выдувом расплава или и тем, и другим.

Вспомогательные газы поддерживают одну из двух реакций — экзотермическую или эндотермическую. Правила фокусировки зависят от типа реакции и применяемого газа.

Фокусировка при экзотермической реакции

Когда газ создаёт экзотермическую реакцию, он ускоряет рез — например, кислород. Металл буквально вскипает, интенсивная энергия лазерного луча испаряет его, а кислород эффективно реагирует с жидким металлом расплава. Процесс идёт под высоким давлением, и за счёт кислорода металл нагревается до очень высокой температуры, образуя пар и испаряясь дальше.

Резка толстых листов требует крупной формы прожига — это используют в производстве для широкого канала реза и удаления расплава.

Правила экзотермической резки:

Для толстых материалов — фокус над поверхностью.
Для более тонких — фокус на верхней поверхности.

Когда фокус над материалом, обычно применяют низкое давление и небольшой объём газа — чтобы способствовать переходу в жидкое состояние и выдуву расплава. Испаряется очень мало материала, потому что малого объёма кислорода для полного испарения недостаточно.

Когда фокус прямо на поверхности, применяют высокое давление и большой объём — этого достаточно для интенсивного испарения.

Поэтому на столах, где режут преимущественно тонкий материал, опоры почти чистые; на столах для толстого материала на опорах скапливается значительно больше отходов.

Фокусировка при эндотермической реакции

Эндотермические реакции возникают при использовании инертных газов — азот и аргон.

Газ при этом лишь выдувает расплав через рез. Эндотермический процесс сильно зависит от исходной энергии сфокусированного луча — именно он должен быстро довести металл до жидкого состояния и сформировать рез. Инертный газ под высоким давлением выдавливает расплав через канал реза, оставляя чистую кромку без налипшего шлака.

Правила эндотермической резки:

Фокус — на дне материала или чуть ниже.
Под материалом образуется небольшая V-образная форма в поперечном сечении канала реза — это позволяет газу под высоким давлением сжимать расплав и выталкивать его через основание реза с высокой скоростью.
Требуется большой объём и высокое давление газа для быстрого удаления расплава.

Сжатый воздух — гибридный случай

Использование сжатого воздуха одновременно вызывает и эндотермическую, и экзотермическую реакции. Поскольку воздух состоит преимущественно из азота (≈78 %), это в первую очередь эндотермическая реакция; небольшое содержание кислорода (≈20 %) вызывает параллельную, но менее интенсивную экзотермическую реакцию. За счёт кислорода металл плавится быстрее. Остальная часть воздуха инертна и участвует только в эндотермической реакции азота.

Резка сжатым воздухом даёт лучшие результаты, когда фокус находится в центре толщины материала.

Практическое применение

Важно контролировать каждый аспект, влияющий на проекцию точки фокуса. Необработанный луч в оптическом резонаторе должен быть в хорошем состоянии и правильно доставляться к линзе. Правильное фокусное расстояние линзы влияет на скорость плавления материала и максимальную обрабатываемую толщину.

Выбор газа определяет положение фокуса:

Кислород (экзотермия) — фокус прямо на поверхности или над ней. При переходе с резки высокого давления на низкое требуются лишь незначительные корректировки — фокус всегда у поверхности и от толщины почти не зависит.
Азот (эндотермия) — положение фокуса сильно зависит от толщины материала, так как фокус находится у дна.

Точное положение фокуса можно поддерживать с помощью ЧПУ и устройства автофокусировки — например, адаптивного зеркала.

Адаптивное зеркало изменяет форму поверхности за счёт давления, приложенного к её обратной стороне. В нормальном состоянии (без давления) поверхность зеркала вогнутая. По мере роста давления она становится плоской, затем выпуклой. Изменение формы зеркала изменяет волновой фронт луча, размер луча на линзе и положение проекции фокуса в материале.

Преимущество автофокусировки — возможность динамически менять положение фокуса в процессе прожига: это позволяет максимально использовать энергию по толщине материала и сокращает время прожига.

Развитие технологий лазерной резки продолжается, но базовое условие неизменно: правильная подача исходного луча на линзу и поддержание правильного положения фокуса под конкретное применение. Если положение фокуса и формы выступов соблюдены — остальные требования к стабильному высококачественному резу минимальны. Это экономит время на настройку и сохраняет стабильную производительность.

Для чего нужна фокусная линза в режущем лазере

Фокусирующая оптика собирает лазерный луч в одно пятно через сопло. В её роли может выступать линза из плавленого кварца (silica) или параболическое зеркало.

Фокусирующая (собирательная) линза должна быть установлена правильно: поверхность, изогнутая наружу, всегда должна быть обращена к вершине собираемого луча.

Загрязнённая фокусирующая линза сильнее поглощает лазерное излучение, нагревается и деформируется — это смещает фокальную позицию вверх.

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

Эффекты загрязнения:

С увеличением длины реза начинают образовываться заусенцы; ширина реза и шероховатость поверхности растут.
В углеродистой стали — склонность к образованию кратеров.
В крайнем случае деталь не отделяется от листа после обработки.

Фокусное расстояние

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

125-миллиметровая оптика подходит только для малых толщин 1–3 мм.
Для более толстых материалов используется 150-миллиметровая оптика.

У 125-мм оптики канал реза уже, чем у 150-мм — а значит, при одинаковой мощности лазера плотность энергии выше. Поэтому скорости резки для 125-мм оптики немного выше при той же толщине и мощности. Если режут в основном тонкий металл, из соображений экономии следует выбирать 125-мм оптику.

Преимущество 150-мм оптики — бо́льшая глубина резки. Её можно использовать универсально для широкого диапазона толщин, но в основном — для толстых материалов.

Положение фокуса

Точное расположение фокуса — обязательное условие хорошего качества реза.

Для углеродистой стали при лазерной резке действуют следующие правила:

Лист толщиной до ~6 мм — оптимальное положение фокуса на поверхности листа (эндотермия).
Лист толщиной 8 мм и более — точка фокуса должна находиться над поверхностью листа (экзотермия).
Резка под высоким давлением нержавеющей стали или алюминия — фокус на листе.
Практическое правило: положение фокуса можно установить примерно на 2/3 толщины листа в самом листе.

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

Центрирование сопла

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

При неотцентрированном луче качество реза становится зависимым от направления. В крайнем случае в одном направлении рез получается удовлетворительным, а в других материал не разрезается начисто или даже не разделяется. При резке углеродистой стали с газом на поверхности листа могут возникать искры, когда направление реза противоположно эксцентриситету.