Комплектуючі для лазерного верстата CO2 і діодного лазера

З чого складається лазерний верстат CO2

Комплектуючі для лазерного верстата це вузли, які створюють промінь, доводять його до матеріалу і захищають трубку та оптику під час роботи. Промінь створює газова лазерна трубка, висока напруга на неї подається від блока живлення, тепло розряду відводить вода від чилера. Три дзеркала передають промінь до лазерної голови, а фокусувальна лінза збирає його в пляму на поверхні матеріалу. Контролер рухає голову і задає потужність, датчики вимикають лазер при зупинці води або відкритій кришці, компресор подає повітря обдуву в зону різу, а витяжка видаляє дим.

Кожен із цих вузлів зношується або потребує налаштування: лінза і дзеркала втрачають відбиття і прозорість від диму, трубка втрачає потужність з напрацюванням, вода в контурі охолодження забруднюється. Тому підбір комплектуючих починається з розуміння, як ці вузли працюють разом.

Шлях променя: трубка, три дзеркала і лінза

Трубка лежить у задньому відсіку верстата. Перше дзеркало стоїть біля вихідного вікна трубки і повертає промінь на 90° уздовж осі Y. Друге дзеркало закріплене на порталі і спрямовує промінь уздовж порталу до голови. Третє дзеркало стоїть у голові над лінзою і відбиває промінь униз. Кожне дзеркало стоїть під кутом 45° до променя.

Коли портал і голова рухаються, відстань від трубки до лінзи змінюється. Якщо промінь іде не строго паралельно осям, пляма на третьому дзеркалі зміщується, і в одній частині поля верстат ріже нормально, а в іншій втрачає потужність. Втрати на дзеркалах складаються: при відбитті 98% на кожному дзеркалі до лінзи доходить 0.98 x 0.98 x 0.98 = 94% потужності, при 99.5% на кожному 98.5%.

Як підібрати лазерну трубку CO2

Потужність відпаяної скляної трубки визначається довжиною розрядного проміжку, тому потужніша трубка довша. Довжина і діаметр трубки мають уміщатися у відсік верстата і збігатися з посадковим діаметром опор.

Потужність променя залежить від струму розряду, тому для кожної трубки в паспорті вказані максимальний струм і струм для тривалої роботи. Наприклад, у паспорті трубок довжиною 1250 мм вказано максимальний струм 29 мА, тривалий не вище 27 мА і ресурс 8000 годин при струмі до 25 мА; для трубок 1450 мм максимальний струм 28 мА і ресурс 10000 годин при струмі до 26 мА. Робота на максимальному струмі скорочує ресурс, тому потужність у контролері обмежують так, щоб струм залишався в паспортних межах.

Струм контролюють міліамперметром, який вмикають між катодом трубки і виводом блока живлення. Прилади випускають зі шкалою 0-30 мА і 0-50 мА, межу шкали обирають не меншою за максимальний струм трубки за паспортом.

Блок живлення трубки

Високовольтний блок живлення перетворює мережеві 220 В на напругу в десятки кіловольт для запалювання розряду, а після запалювання працює як джерело стабільного струму. Потужність блока підбирають під потужність трубки. Контролер передає блоку сигнал увімкнення лазера і рівень потужності аналоговою напругою 0-5 В або ШІМ, а вхід захисту по воді блокує лазер без сигналу від датчика протоку.

• Високовольтний провід від блока до анода трубки беруть на 40 кВ і прокладають якомога коротше і далі від металу рами та сигнальних кабелів.
• З’єднання проводу з виводом трубки ізолюють силіконовим герметиком і термоусадкою.
• Корпус блока і верстата заземлюють окремим захисним проводом.
• Блок з дисплеєм струму або окрема цифрова панель показують струм, але міліамперметр у колі катода залишається найпрямішим способом контролю.

Як підібрати фокусувальну лінзу

Лінза стоїть у тубусі лазерної голови, і її діаметр має збігатися з посадковим діаметром тубуса: 12, 18, 20 або 25 мм. Для лазерів CO2 застосовують лінзи із селеніду цинку (ZnSe): матеріал пропускає випромінювання 10.6 мкм і видиме світло, тому через лінзу проходить і червона точка цілевказівника.

Фокусна відстань задає розмір плями і глибину фокуса. Діаметр плями росте пропорційно фокусній відстані, а глибина фокуса пропорційно її квадрату: лінза 101.6 мм дає пляму вдвічі більшу, ніж лінза 50.8 мм, але глибину фокуса в 4 рази більшу. У таблиці значення розраховані за формулами пляма = 0.013 x f / D і глибина фокуса = 0.027 x (f / D)² для променя діаметром 6 мм з якістю M² = 1; при M² більше 1 пляма більша в стільки ж разів.

• Лінзу ставлять опуклим боком угору, назустріч променю.
• Короткофокусна лінза потребує рівного матеріалу: при короткій глибині фокуса нерівність листа одразу розширює пляму.
• Після заміни лінзи або тубуса заново виставляють висоту фокуса над матеріалом.

Як підібрати дзеркала

Дзеркало підбирають за діаметром і товщиною тримача верстата. Поширені діаметри 20, 25 і 30 мм при товщині 3 мм; трапляються і тонкі дзеркала, наприклад молібденове 20 мм завтовшки 2.1 мм, тому товщину старого дзеркала перед замовленням вимірюють штангенциркулем.

Дзеркала з меншим відбиттям не лише втрачають потужність: поглинена енергія нагріває дзеркало, тому забруднене дзеркало гріється сильніше і виходить з ладу швидше.

Охолодження трубки

Трубка охолоджується проточною водою через водяну сорочку. Найкращий режим для скляної трубки при температурі води 18-22 °C: вище 25 °C трубка швидше старіє і втрачає потужність, а надто холодна вода у вологому приміщенні вкриває трубку конденсатом. У паспорті трубок 1250 мм вказано витрату води 2-5 л/хв і очищену воду.

• Заливайте дистильовану воду: водопровідна залишає накип у сорочці трубки.
• Воду в трубку подавайте знизу, вихід робіть зверху, щоб у сорочці не залишалося повітря.
• Датчик протоку води підключіть до входу захисту блока живлення або контролера: без сигналу датчика лазер не вмикається.
• При мінусовій температурі в приміщенні зливайте воду або застосовуйте антифриз, допустимий для лазерної трубки: вода при замерзанні розширюється і розриває скло.

Обдув і витяжка

Компресор подає повітря через носик лазерної голови в зону різу. Обдув здуває дим і продукти горіння з лінзи, гасить полум’я на кромці і робить різ чистішим. Витяжка видаляє дим з робочої камери: продуктивність витяжок для лазерних верстатів від 7 до 18 м³/хв при патрубку 150 мм. Без витяжки дим осідає на дзеркалах і лінзі.

Юстування променя

Юстування виконують після заміни трубки, дзеркал або голови і при втраті потужності в частині поля. Працюють на малій потужності короткими імпульсами, місця влучання променя позначають малярним скотчем на вхідних вікнах тримачів дзеркал.

1. Виставте трубку за висотою опорами так, щоб промінь влучав у центр першого дзеркала.
2. Наклейте скотч на вхід другого дзеркала, дайте імпульс при порталі біля трубки і при порталі в дальньому положенні. Гвинтами першого дзеркала досягніть, щоб дві позначки збіглися.
3. Наклейте скотч на вхід третього дзеркала, дайте імпульс при голові біля другого дзеркала і в дальньому кінці порталу. Позначки суміщайте гвинтами другого дзеркала.
4. Перевірте позначки на третьому дзеркалі в усіх чотирьох кутах поля: вони мають збігатися.
5. Гвинтами третього дзеркала виведіть промінь у центр лінзи і носика, потім виріжте прямокутник і порівняйте діагоналі: рівні діагоналі підтверджують, що промінь іде паралельно осям.

Обслуговування оптики і трубки

• Усі роботи з оптикою і високовольтною частиною виконуйте при відключеному від мережі верстаті.
• Оглядайте лінзу перед роботою: наліт поглинає випромінювання, лінза нагрівається і тріскається.
• Чистіть лінзу і дзеркала ватними або тканинними паличками для оптики, змоченими ізопропіловим спиртом, тримайте оптику лише за краї.
• Вихідне вікно трубки не тріть: здуйте пил грушею, нанесіть спирт розпилювачем і вмикайте лазер лише після повного випаровування спирту.
• Міняйте воду в контурі охолодження не рідше разу на місяць і очищайте радіатор і фільтр чилера від пилу.
• Стежте за струмом по міліамперметру: зростання струму при тій самій потужності в контролері або падіння потужності при тому самому струмі вказує на знос трубки або забруднення оптики.

Діодні лазерні модулі

У діодному модулі промінь створює напівпровідниковий лазерний діод, а фокусувальна оптика стоїть у самому модулі, тому трубка, високовольтний блок і дзеркала йому не потрібні. Модуль живиться низькою напругою, наприклад 12 В, а потужністю керують ШІМ сигналом від контролера.

Довжина хвилі діодного модуля 450 нм, а лазера CO2 10.6 мкм, тому оптика CO2 і діодна оптика не взаємозамінні. Прозорий акрил пропускає випромінювання 450 нм і діодним модулем не ріжеться, а випромінювання CO2 акрил поглинає, тому верстат CO2 його ріже.

Безпека

• Випромінювання CO2 невидиме. Окуляри підбирають за оптичною густиною на довжині хвилі конкретного лазера: окуляри для діодного лазера 450 нм не захищають від випромінювання 10.6 мкм, і навпаки.
• Не ріжте ПВХ і штучну шкіру на основі ПВХ: при нагріванні виділяється хлороводень, який руйнує оптику і метал верстата навіть при працюючій витяжці.
• На аноді трубки висока напруга: не торкайтеся виводу і проводу при увімкненому блоці живлення.
• Не вимикайте і не перемикайте в обхід захист по воді і датчик кришки.

Часті помилки

• Вмикають лазер без протоку води або з вимкненим чилером, і трубка перегрівається за хвилини.
• Постійно працюють на максимальному струмі з паспорта, і ресурс трубки скорочується.
• Ставлять дзеркало або лінзу не того діаметра чи товщини, і оптика зміщується в тримачі.
• Ставлять лінзу опуклим боком униз, і пляма розпливається.
• Чистять дзеркала із золотим покриттям жорсткою серветкою або побутовим засобом і стирають покриття.
• Після заміни трубки або дзеркала не виконують юстування, і потужність падає в дальній частині поля.
• Заливають водопровідну воду, і накип у сорочці погіршує охолодження трубки.
• Залишають воду в трубці в неопалюваному приміщенні взимку, і замерзла вода розриває трубку.