Комплектующие для лазерного станка CO2 и диодного лазера

Из чего состоит лазерный станок CO2

Комплектующие для лазерного станка это узлы, которые создают луч, доводят его до материала и защищают трубку и оптику во время работы. Луч создаёт газовая лазерная трубка, высокое напряжение на неё подаёт блок питания, тепло разряда отводит вода от чиллера. Три зеркала передают луч к лазерной голове, а фокусирующая линза собирает его в пятно на поверхности материала. Контроллер двигает голову и задаёт мощность, датчики отключают лазер при остановке воды или открытой крышке, компрессор подаёт воздух обдува в зону реза, а вытяжка удаляет дым.

Каждый из этих узлов изнашивается или требует настройки: линза и зеркала теряют отражение и прозрачность от дыма, трубка теряет мощность с наработкой, вода в контуре охлаждения загрязняется. Поэтому подбор комплектующих начинается с понимания, как эти узлы работают вместе.

Путь луча: трубка, три зеркала и линза

Трубка лежит в заднем отсеке станка. Первое зеркало стоит у выходного окна трубки и поворачивает луч на 90° вдоль оси Y. Второе зеркало закреплено на портале и направляет луч вдоль портала к голове. Третье зеркало стоит в голове над линзой и отражает луч вниз. Каждое зеркало стоит под углом 45° к лучу.

Когда портал и голова движутся, расстояние от трубки до линзы меняется. Если луч идёт не строго параллельно осям, пятно на третьем зеркале смещается, и в одной части поля станок режет нормально, а в другой теряет мощность. Потери на зеркалах складываются: при отражении 98% на каждом зеркале до линзы доходит 0.98 x 0.98 x 0.98 = 94% мощности, при 99.5% на каждом 98.5%.

Как подобрать лазерную трубку CO2

Мощность отпаянной стеклянной трубки определяется длиной разрядного промежутка, поэтому более мощная трубка длиннее. Длина и диаметр трубки должны помещаться в отсек станка и совпадать с посадочным диаметром опор.

Мощность луча зависит от тока разряда, поэтому для каждой трубки в паспорте указан максимальный ток и ток для длительной работы. Например, в паспорте трубок длиной 1250 мм указан максимальный ток 29 мА, длительный не выше 27 мА и ресурс 8000 часов при токе до 25 мА; для трубок 1450 мм максимальный ток 28 мА и ресурс 10000 часов при токе до 26 мА. Работа на максимальном токе сокращает ресурс, поэтому мощность в контроллере ограничивают так, чтобы ток оставался в паспортных пределах.

Ток контролируют миллиамперметром, который включают между катодом трубки и выводом блока питания. Приборы выпускают со шкалой 0-30 мА и 0-50 мА, предел шкалы выбирают не меньше максимального тока трубки по паспорту.

Блок питания трубки

Высоковольтный блок питания превращает сетевые 220 В в напряжение в десятки киловольт для розжига разряда, а после розжига работает как источник стабильного тока. Мощность блока подбирают под мощность трубки. Контроллер передаёт блоку сигнал включения лазера и уровень мощности аналоговым напряжением 0-5 В или ШИМ, а вход защиты по воде блокирует лазер без сигнала от датчика протока.

• Высоковольтный провод от блока к аноду трубки берут на 40 кВ и прокладывают как можно короче и дальше от металла рамы и сигнальных кабелей.
• Соединение провода с выводом трубки изолируют силиконовым герметиком и термоусадкой.
• Корпус блока и станка заземляют отдельным защитным проводом.
• Блок с дисплеем тока или отдельная цифровая панель показывают ток, но миллиамперметр в цепи катода остаётся самым прямым способом контроля.

Как подобрать фокусирующую линзу

Линза стоит в тубусе лазерной головы, и её диаметр должен совпадать с посадочным диаметром тубуса: 12, 18, 20 или 25 мм. Для лазеров CO2 применяют линзы из селенида цинка (ZnSe): материал пропускает излучение 10.6 мкм и видимый свет, поэтому через линзу проходит и красная точка целеуказателя.

Фокусное расстояние задаёт размер пятна и глубину фокуса. Диаметр пятна растёт пропорционально фокусному расстоянию, а глубина фокуса пропорционально его квадрату: линза 101.6 мм даёт пятно вдвое больше, чем линза 50.8 мм, но глубину фокуса в 4 раза больше. В таблице значения рассчитаны по формулам пятно = 0.013 x f / D и глубина фокуса = 0.027 x (f / D)² для луча диаметром 6 мм с качеством M² = 1; при M² больше 1 пятно больше во столько же раз.

• Линзу ставят выпуклой стороной вверх, навстречу лучу.
• Короткофокусная линза требует ровного материала: при короткой глубине фокуса неровность листа сразу расширяет пятно.
• После замены линзы или тубуса заново выставляют высоту фокуса над материалом.

Как подобрать зеркала

Зеркало подбирают по диаметру и толщине держателя станка. Распространённые диаметры 20, 25 и 30 мм при толщине 3 мм; встречаются и тонкие зеркала, например молибденовое 20 мм толщиной 2.1 мм, поэтому толщину старого зеркала перед заказом измеряют штангенциркулем.

Зеркала с меньшим отражением не только теряют мощность: поглощённая энергия нагревает зеркало, поэтому загрязнённое зеркало греется сильнее и выходит из строя быстрее.

Охлаждение трубки

Трубка охлаждается проточной водой через водяную рубашку. Лучший режим для стеклянной трубки при температуре воды 18-22 °C: выше 25 °C трубка быстрее стареет и теряет мощность, а слишком холодная вода во влажном помещении покрывает трубку конденсатом. В паспорте трубок 1250 мм указан расход воды 2-5 л/мин и очищенная вода.

• Заливайте дистиллированную воду: водопроводная оставляет накипь в рубашке трубки.
• Воду в трубку подавайте снизу, выход делайте сверху, чтобы в рубашке не оставался воздух.
• Датчик протока воды подключите ко входу защиты блока питания или контроллера: без сигнала датчика лазер не включается.
• При минусовой температуре в помещении сливайте воду или применяйте антифриз, допустимый для лазерной трубки: вода при замерзании расширяется и разрывает стекло.

Обдув и вытяжка

Компрессор подаёт воздух через носик лазерной головы в зону реза. Обдув сдувает дым и продукты горения с линзы, гасит пламя на кромке и делает рез чище. Вытяжка удаляет дым из рабочей камеры: производительность вытяжек для лазерных станков от 7 до 18 м³/мин при патрубке 150 мм. Без вытяжки дым оседает на зеркалах и линзе.

Юстировка луча

Юстировку выполняют после замены трубки, зеркал или головы и при потере мощности в части поля. Работают на малой мощности короткими импульсами, места попадания луча отмечают малярным скотчем на входных окнах держателей зеркал.

1. Выставьте трубку по высоте опорами так, чтобы луч попадал в центр первого зеркала.
2. Наклейте скотч на вход второго зеркала, дайте импульс при портале у трубки и при портале в дальнем положении. Винтами первого зеркала добейтесь, чтобы две отметки совпали.
3. Наклейте скотч на вход третьего зеркала, дайте импульс при голове у второго зеркала и в дальнем конце портала. Отметки совмещайте винтами второго зеркала.
4. Проверьте отметки на третьем зеркале во всех четырёх углах поля: они должны совпадать.
5. Винтами третьего зеркала выведите луч в центр линзы и носика, затем вырежьте прямоугольник и сравните диагонали: равные диагонали подтверждают, что луч идёт параллельно осям.

Обслуживание оптики и трубки

• Все работы с оптикой и высоковольтной частью выполняйте при отключённом от сети станке.
• Осматривайте линзу перед работой: налёт поглощает излучение, линза нагревается и трескается.
• Чистите линзу и зеркала ватными или тканевыми палочками для оптики, смоченными изопропиловым спиртом, держите оптику только за края.
• Выходное окно трубки не трите: сдуйте пыль грушей, нанесите спирт распылителем и включайте лазер только после полного испарения спирта.
• Меняйте воду в контуре охлаждения не реже раза в месяц и очищайте радиатор и фильтр чиллера от пыли.
• Следите за током по миллиамперметру: рост тока при той же мощности в контроллере или падение мощности при том же токе указывает на износ трубки или загрязнение оптики.

Диодные лазерные модули

В диодном модуле луч создаёт полупроводниковый лазерный диод, а фокусирующая оптика стоит в самом модуле, поэтому трубка, высоковольтный блок и зеркала ему не нужны. Модуль питается низким напряжением, например 12 В, а мощностью управляют ШИМ сигналом от контроллера.

Длина волны диодного модуля 450 нм, а лазера CO2 10.6 мкм, поэтому оптика CO2 и диодная оптика не взаимозаменяемы. Прозрачный акрил пропускает излучение 450 нм и диодным модулем не режется, а излучение CO2 акрил поглощает, поэтому станок CO2 его режет.

Безопасность

• Излучение CO2 невидимо. Очки подбирают по оптической плотности на длине волны конкретного лазера: очки для диодного лазера 450 нм не защищают от излучения 10.6 мкм, и наоборот.
• Не режьте ПВХ и искусственную кожу на основе ПВХ: при нагреве выделяется хлороводород, который разрушает оптику и металл станка даже при работающей вытяжке.
• На аноде трубки высокое напряжение: не касайтесь вывода и провода при включённом блоке питания.
• Не отключайте и не перемыкайте защиту по воде и датчик крышки.

Частые ошибки

• Включают лазер без протока воды или с выключенным чиллером, и трубка перегревается за минуты.
• Работают на максимальном токе из паспорта постоянно, и ресурс трубки сокращается.
• Ставят зеркало или линзу не того диаметра или толщины, и оптика смещается в держателе.
• Ставят линзу выпуклой стороной вниз, и пятно расплывается.
• Чистят зеркала с золотым покрытием жёсткой салфеткой или бытовым средством и стирают покрытие.
• После замены трубки или зеркала не выполняют юстировку, и мощность падает в дальней части поля.
• Заливают водопроводную воду, и накипь в рубашке ухудшает охлаждение трубки.
• Оставляют воду в трубке в неотапливаемом помещении зимой, и замёрзшая вода разрывает трубку.