Выбор лазерного оборудования

В современном, динамично развивающемся мире, решение этой задачи на долгие годы определяет дальнейшую производственную стратегию компании. Разумеется, подход к этому вопросу должен быть изучен основательно. Данная статья поможет определиться с пониманием технологических различий двух типов установок лазерной резки – CO2 и FIBER.

Определимся с терминами:

СО2 – упрощенное название. Технически верно называть «Газовая установка лазерной резки». Почему именно так – опишем далее.

FIBER – полное название: «Оптоволоконная установка лазерной резки».

Упрощенная схема – общая для обоих типов выглядит просто:

Генерирование лазерного луча

В лазере CO2 формирование луча происходит в среде газов. Газовая смесь подаётся в специальный резервуар и состоит из трёх газов высочайшей степени очистки – азота, гелия и углекислого газа. По этой причине такой тип лазеров называют «газовым». Определяющим (но не наибольшим по объёму) здесь является именно углекислый газ. Это объясняет второе распространенное название – «CO2 - лазер».

В эту смесь газов подаются электрические разряды. Под воздействием электронов молекулы газов возбуждаются и начинают излучать фотоны, которые по сути являются частицами световой энергии. Генерируется лазерный луч.

В генераторе FIBER никаких газов нет. Лазерный луч зарождается в так называемом модуле накачки, который состоит из лазерных диодов и оптического волокна. Звучит немного пугающе, но по факту устройство генератора волоконного лазера на порядок проще, чем газового. Современные технологии – на службе человека.

Транспортная система

Это, разумеется, условное название. Речь идёт о «доставке» сгенерированного лазерного луча к поверхности резания. Главная задача при этом – не растерять энергию луча.

Газовый лазер. Здесь лазерный луч, выйдя из генератора попадает в окружение оптики. С помощью отражающих зеркал, несколько раз меняя своё направление, он в итоге попадает в режущую головку.

Сложность заключена в решении нескольких технических моментов. Основные такие:

• Зеркало в контексте лазерной резки – это не посеребрённое с обратной стороны стекло… Обычно зеркало лазера изготовлено из молибдена или кремния и имеет почти идеально гладкую отражающую поверхность. В противном случае, лазер, не отразившись от поверхности зеркала, просто его прожжёт.

  Для увеличения отражающей способности на поверхность зеркал производят напыление, например, золота.

  Критически важно содержать поверхность зеркала чистым и идеально отполированным. Для этого используют только специальные протирочные материалы, оптические пасты и т.д. Поскольку чистка зеркал это очень ответственная работа, её выполняет специальный обслуживающий персонал.

• Внутреннее пространство, по которому проходит лазерный луч, должно обладать рядом очень важных свойств. Самое главное – обеспечение внутри этого пространства идеальной чистоты.

  Любая пылинка, попавшая под луч, моментально сгорает и выделяет массу совершенно «не нужных» веществ. Не говоря уж о том, что эта же пылинка, попав на зеркало, ухудшает его отражающие свойства. Зеркало в этом месте начинает прогорать и быстро приходит в негодность.

  Чтобы этого не допустить, внутрь тракта, по которому проходит лазерный луч, подаётся газ. Таким образом внутри пространства создаётся небольшое избыточное давление, которое препятствует попаданию пыли в этот очень важный объём.

• Точное позиционирование зеркал также представляет собой отдельную, весьма сложную техническую задачу. Ведь лазерная головка находится в постоянном движении. И в любой момент времени, где бы головка не находилась, она должна иметь возможность «получить» нужную порцию лазера точно в свой центр, чтобы дальше иметь возможность чётко сфокусировать луч и отправить его на поверхность листа для резки.

• Фокусирующая линза – последняя ступень на этом пути прохождения лазерного луча к металлу.

Для оптоволоконного лазера система доставки луча к поверхности резания упрощена до предела.

• Оптическое волокно. Говоря простым языком - это длинный, очень тонкий световой канал, внутри которого перемещается лазерный луч. Оптоволокно – гибкое. Несмотря на это, его конструкция не позволяет лучу покинуть этот канал.

  Основной материал оптоволокна – сверхчистый плавленый кварц. Он обладает очень высокой прозрачностью. Оптические потери здесь – несколько процентов на 1 км длины, поэтому КПД оптоволоконных лазеров значительно выше, чем газовых.

Нет необходимости настраивать угол зеркал, поскольку их нет. Не существует и лазерного тракта для прохождения по нему луча, поскольку всё происходит внутри оптического волокна. Нет критической зависимости от пыли… в общем, одни преимущества.

На вид оптическое волокно похоже на стеклянный волосок. И хотя его внутренняя структура весьма сложная, мы с вами об этом можем не задумываться. Для нас это всё те же современные технологии.

Резка

Лазер CO2. Наш лазерный луч «прилетел» к режущей головке.

В состав головки входит - по порядку движения луча – Зеркало и фокусирующая линза.

Попадая на зеркало, расположенное под углом 45 градусов, луч меняет направление и выходит на финишную прямую – к металлу.

Далее – фокусирующая линза. Она крайне важна, потому что даже лазерный луч не может быть абсолютно прямым и тонким. Как и все остальные лучи, он имеет свойство «расходиться» от центра излучения. Но, как мы помним, наша главная задача – сохранить для резки как можно больше энергии. А этого можно достичь, сделав лазерное пятно минимально возможного размера. Для решения этой задачи и нужна фокусирующая линза. Для неё очень важны идеальные светопроводящие характеристики, поэтому содержание линзы в чистом виде – актуальнейшая из задач. Про состояние зеркала также не забываем. Об этом мы говорили ранее.

Правильно настроенное фокусное расстояние определяет дальнейшее качество лазерной резки. Можно провести аналогию настройки фокуса с обычной пилой по металлу. Если инструмент качественно заточен, разведён и изготовлен из требуемого материала, он режет металл качественно, быстро и с хорошей шероховатостью.

В вопросе настройки фокуса и других параметров резки для газового лазера очень многое зависит от квалификации оператора.

Оптоволоконный лазер. Здесь, как мы уже привыкли – всё проще.

Фокусирующая линза – её никто не отменял. Фокусировка луча непосредственно перед резкой – процесс обязательный. Однако луч к режущей готовке Файбера приходит не по воздуху, а по оптоволокну, а потому практически не расфокусированный. Кроме того, его фокусировка проходит в автоматическом режиме. Это значительно упрощает обслуживание и минимизирует ошибки при работе.

Далее, в силу конструкционных особенностей, непосредственно между линзой и поверхностью металла установлено защитное стекло. Его назначение – защитить дорогостоящую линзу от быстрого повреждения.

Длина волны

Разница между двумя типами лазеров состоит также в длине волны сформированного луча. У газового лазера она составляет 10,6 мкм. У оптоволоконного 1,06 мкм. Разница в 10 раз!

Как следствие, оптоволоконный лазер имеет более четко сформированное лазерное пятно. Лазер более точно позиционируется на поверхности, а также меньше нагревает зону вокруг лазерного пятна. Он может резать гораздо быстрее, чем лазер СО2 и способен вырезать более мелкие контуры.

Стоит сказать, что оптоволоконник без проблем режет медь и латунь, что не под силу газовому лазеру.

Однако свои преимущества у СО2-лазера всё-таки есть. Он лучше режет толстые металлы. Начиная примерно с толщины 5мм Файбер теряет своё преимущество. Также на «углекислотнике» в отличие от волоконного лазера возможно резать нержавейку в защитной плёнке (на Fiber для резки нержавейки плёнку нужно снимать) и остальные неметаллические материалы – фанеру, пластик и т.д.

Далее вы можете посмотреть сравнительное видео резки одинаковых деталей на двух разных типах лазеров.

Деталь – пластина с размерами 440х340мм. В каждой детали – 300 отверстий.

Материал – Ст08 ХК – 1,5мм.