Важность фокусных позиций в операциях лазерной резки – комплексный анализ

Значимость центральных позиций в лазерная резка Операции нельзя переоценить, поскольку они напрямую влияют на качество, эффективность и точность процесса резки. Фокусное положение относится к точной точке, в которой лазерный луч сходится к своему наименьшему диаметру, известному как фокусное пятно. Это место, где лазерный луч обеспечивает максимальную плотность энергии, что обеспечивает оптимальную производительность резки. Вот несколько основных причин, подчеркивающих важность фокусных положений в операциях лазерной резки:

Фокусировка лазерной резки

Фокусировка лазерных лучей

Каждый производитель может иметь свое мнение относительно того, какой элемент является наиболее важным в лазерная резка. Вы считаете, что это сохранение наименьшего размера пятна и ориентации линзы перпендикулярно оси лазерного луча? Если вы ответили «да», вы частично правы, но необходимо учитывать множество других факторов в отношении свойств лазерного луча и применения резки. Поддержание положений фокуса внутри материала имеет решающее значение для повторяемости параметров лазерной резки и для получения постоянного качества кромки.

Например, при работе с толстыми материалами на самом деле необходимо создать более крупный рисунок горения, чтобы создать более широкий канал, который необходим для поддержки большего объема расплавленного материала, который должен быть вытеснен в процессе резки. Чтобы создать этот увеличенный рисунок горения, вы фокусируете луч либо над, либо под поверхностью материала в зависимости от вспомогательного газа. Следовательно, фокусировка небольшого пятна на поверхности обычно является менее успешным подходом для более толстого материала.

Однако для более тонкого материала небольшое пятно, сфокусированное на поверхности материала, гораздо эффективнее большего, поскольку вовлекается меньше материала и, следовательно, не требуется более широкий канал.

Одним из очень важных факторов, которые следует учитывать при лазерной резке, является использование вспомогательного газа, например кислорода, азота или сжатого воздуха. Каждый газ обладает определенными свойствами, связанными с ускорением процесса горения, эвакуацией расплавленного материала или и тем, и другим.

В лазерной резке вспомогательные газы поддерживают две специфические реакции: экзотермическую или эндотермическую. Правила фокусировки различаются в зависимости от типа реакции и используемого газа.

Фокусировка на экзотермических реакциях

Экзотермические реакции возникают при использовании газа, обладающего ускорительными свойствами, например, кислорода. В ходе этой реакции интенсивная энергия лазерного луча испаряет — или буквально кипит — разрезаемый материал, поскольку кислород бурно реагирует с расплавленным материалом, находящимся в жидком состоянии. При резке под высоким давлением с использованием кислорода исходный материал нагревается до такой высокой температуры, что его превращение в термический пар практически полностью.

Правила фокусировки для поддержки экзотермических реакций требуют, чтобы фокусные положения располагались над поверхностью для толстых материалов или непосредственно на верхней поверхности для более тонких материалов.

Когда фокус находится над материалом, вы обычно используете низкое давление и малый объем, чтобы помочь разжижить и затем вытолкнуть расплавленный материал (примерно 6-8 фунтов на квадратный дюйм при 40 кубических футах в час). На самом деле, очень мало материала испаряется, потому что небольшой объем кислорода не может поддерживать полное испарение. Когда фокус расположен прямо на поверхности материала, вы обычно используете высокое давление и большой объем (примерно 60 фунтов на квадратный дюйм при 80 кубических футов в час). Этого достаточно, чтобы поддержать энергичное испарение материала.

Именно поэтому при осмотре большинства раскроечных столов, где преимущественно обрабатываются тонкие материалы, на опорах стола скапливается очень мало материала. В отличие от этого, на опорах раскроечных столов, используемых для обработки более толстых материалов, скапливается гораздо больше материала.

Фокусировка на эндотермических реакциях

С другой стороны, эндотермические реакции возникают, когда вы используете газ, обладающий инертными или нереактивными свойствами. Азот и аргон попадают в эту категорию.

В ходе этого типа реакции газ поддерживает только эвакуацию расплавленного материала через канал реза. Эндотермический процесс в значительной степени зависит от сырой энергии сфокусированного лазерного луча, чтобы быстро расплавить основной металл и создать правильный канал реза. Это позволяет инертному газу вытеснять сжиженный материал через канал реза, оставляя чистую поверхность реза без прилипания шлака.

Правила фокусировки для поддержки эндотермических реакций требуют, чтобы фокус располагался на дне материала или чуть ниже. Поддержание фокуса под материалом создаёт небольшую V-образную форму в канале реза, позволяя газу под высоким давлением сжимать расплавленный материал через канал реза с высокой скоростью и выталкивать его через дно канала.

Эндотермические реакции требуют большого объема и высокого давления для поддержки быстрого удаления расплавленного материала. Типичные объемы могут начинаться с 350 CFH для тонких материалов и достигать более 3000 CFH для более толстых материалов. Давление может начинаться с 140 PSI для тонких материалов и повышаться до более 300 PSI для более толстых.

Использование сжатого воздуха в качестве вспомогательного газа фактически приводит к одновременному протеканию как эндотермических, так и экзотермических реакций. Однако, поскольку воздух состоит преимущественно из азота (примерно на 78%), это преимущественно эндотермическая реакция, а небольшое количество кислорода (около 20%) одновременно инициирует менее интенсивную экзотермическую реакцию. Это приводит к более быстрому плавлению основного материала благодаря реакционной способности кислорода. Остальной воздух преимущественно инертен по составу и участвует только в эндотермической реакции, вызываемой азотом.

Резка сжатым воздухом дает наилучшие результаты, когда фокус находится в центре толщины материала.

Эффекты необработанного луча

Подобно тому, как интенсивность солнечного света влияет на способность увеличительного стекла фокусироваться и создавать эффективное пятно, необработанный лазерный луч влияет на фокусировку его энергии и размер получаемого пятна. Общее правило: чем больше диаметр необработанного лазерного луча, тем больше диаметр фокальной перетяжки и тем дальше фокусная точка проецируется от линзы.

Другой способ эффективного изменения размера пятна — использование линзы с другим эффективным фокусным расстоянием (ЭФР). Это создает не только другой размер пятна, но и другую глубину фокусировки (ГРФ), как показано на рисунке 3. Помните, что ГРФ — это не только место, где луч наименьший (фокусная талия), но и диапазон непосредственно перед и после наименьшего размера пятна.

В качестве примера изменения размера пятна и ГРИП рассмотрим луч лазера CO2 с длиной волны 10 600 нм, диаметром необработанного луча 20 мм и M2, равным 2. Если мы пропустим этот луч через линзу 3,75 дюйма (95,25 мм), диаметр в фокусной перетяжке составит приблизительно 128 микрон (0,128 мм). Теперь, если мы заменим линзу 5 дюймов (127 мм), используя тот же необработанный луч 20 мм, диаметр в фокусной перетяжке составит 170 микрон (0,170 мм). Одновременно произойдет изменение глубины фокусировки между двумя линзами. Линза 3,75 дюйма будет иметь ГРИП приблизительно 1,2 мм по сравнению с ГРИП 2,16 мм для линзы 5 дюймов.

Еще одним фактором, который может изменить проекцию фокуса луча, является изменение волнового фронта луча перед его попаданием на линзу. Волновой фронт необработанного луча может быть описан как сходящийся, параллельный или расходящийся. В случае сходящегося волнового фронта луч по существу становится уже по мере своего распространения. Когда этот сходящийся волновой фронт падает на линзу, результирующая проекция фокуса короче, чем у параллельного волнового фронта, из-за меньшего диаметра проекции луча в верхней части линзы. И наоборот, фокусировка расходящегося волнового фронта приводит к более длинной проекции фокуса, чем у параллельного волнового фронта, из-за большего диаметра луча, проецируемого на верхнюю поверхность линзы.

Реальные приложения

Важно контролировать каждый аспект, связанный с поддержанием надлежащих проекций точек фокусировки. Вы должны убедиться, что исходный луч в оптическом резонаторе находится в хорошем состоянии, и что луч правильно доставляется в линзу. Использование линзы с правильным фокусным расстоянием может изменить скорость, с которой материал плавится, и толщину, которую можно обработать. Линза с коротким фокусным расстоянием, например, 3,75-дюймовая EFL, наиболее эффективна при максимальной толщине 12 калибра или 0,104 дюйма. Линза 5 дюймов наиболее эффективна при максимальной толщине 0,250 дюйма. Для более толстых материалов используйте линзу 7,5 дюймов до максимальной толщины 1,25 дюйма и линзу 10 дюймов до максимальной толщины 1,312 дюйма, чтобы добиться наиболее эффективной резки.

Использование EFL-объектива — это действительно экономящий время способ, позволяющий охватить большую часть вашего ежедневного производства без необходимости менять объектив. Использование объектива 7,5 дюйма (19,5 см) в большинстве случаев позволит вам достичь всех целей, связанных с поддержанием правильной фокусировки, для материалов толщиной от 16 до 1 дюйма (16 дюймов) на протяжении всего производственного дня.

Как упоминалось ранее, выбор вспомогательного газа во многом зависит от того, как будет определяться ваше фокусное положение в материале. Резка лазером с кислородной поддержкой (экзотермическая) потребует, чтобы фокусные положения находились прямо на поверхности или над поверхностью материала. Требуется очень мало изменений фокуса, если только вы не переходите с резки под высоким давлением на резку под низким давлением, поскольку фокус всегда находится на поверхности материала или вблизи нее и, следовательно, не зависит от изменений толщины материала. С другой стороны, резка лазером с азотной поддержкой (эндотермическая) очень зависит от фокуса в зависимости от толщины обрабатываемого материала, поскольку фокус находится на нижней части материала или вблизи нее.

В любом случае все основные фокусные точки могут быть удовлетворены с помощью устройства с ЧПУ и автоматической фокусировкой, например, адаптивного зеркала.

Адаптивное зеркало работает, изменяя форму своей поверхности посредством приложения давления к задней части зеркала. В нормальном состоянии, без приложения давления, поверхность адаптивного зеркала вогнутая. При приложении давления к зеркалу поверхность из вогнутой становится плоской, а затем выпуклой. Изменение формы зеркала изменяет волновой фронт луча и, следовательно, размер луча на линзе и положение фокуса в материале.

Еще одним важным преимуществом автофокусировки является возможность динамического изменения положения фокуса во время процесса прокалывания, что позволяет максимально эффективно вкладывать энергию в толщу материала и сокращает общее время прокалывания.

Достижения в области технологий лазерной резки, которые служат для повышения производительности и производительности, продолжаются и по сей день. Однако, что остается очень важным, так это доставка необработанного луча в линзу и поддержание надлежащих фокусных положений в зависимости от применения.

Если правильное фокусное положение и формы проекции поддерживаются в обрабатываемом материале, то остальные требования, необходимые для получения последовательной высококачественной резки, сводятся к минимуму. Это экономит время настройки, сохраняя при этом постоянную производительность и пропускную способность.