Związek wpływu długości ogniskowej i wysokości dyszy na efekt cięcia

W procesach cięcia laserowego długość ogniskowa i wysokość dyszy to dwa powiązane ze sobą kluczowe parametry technologiczne. Bezpośrednio wpływają one na rozkład energii laserowej, stabilność kąpieli stopu, działanie gazu pomocniczego oraz końcową jakość cięcia. Poprawne dopasowanie położenia ogniska i wysokości dyszy jest podstawowym warunkiem zapewnienia stabilności cięcia oraz jakości krawędzi przekroju.

I. Podstawowa definicja i funkcja długości ogniskowej

Ogniskowa odnosi się do odległości między soczewką skupiającą a punktem, w którym wiązka laserowa osiąga minimalny średnicę po przejściu przez układ optyczny. W procesach cięcia pozycja ogniska jest zazwyczaj odniesiona do powierzchni przedmiotu obrabianego jako punkt zerowy i może być sklasyfikowana jako ognisko dodatnie, zerowe oraz ujemne.

Pozycja ogniska określa rozkład gęstości energii lasera na powierzchni materiału lub w jego wnętrzu, wpływając bezpośrednio na następujące aspekty:

Możliwość początkowego stopienia

Głębokość i morfologia kałuży topionej

Szerokość szczeliny cięcia i stożkowość

Wielkość strefy wpływu ciepła

Zbyt duży błąd pozycji ogniska może prowadzić do niewystarczającej lub nierównej gęstości energii, co skutkuje niepełnym cięciem, przypalaniem szlaku lub chropowatymi powierzchniami cięcia.

II. Podstawowa definicja i funkcja wysokości dyszy

Wysokość dyszy odnosi się do odległości pionowej między końcówką dyszy a powierzchnią przedmiotu obrabianego i jest zazwyczaj kontrolowana w czasie rzeczywistym przez system czujnika wysokości. Główne funkcje wysokości dyszy związane są z warunkami strumienia pomocniczego gazu oraz stabilności przepływu powietrza w strefie cięcia.

Odpowiednia wysokość dyszy pozwala na:

Zapewnienie stabilnego, osiowo symetrycznego przepływu pomocniczego gazu

Poprawę skuteczności usuwania stopionego metalu

Zmniejszenie pozostałości żużla wewnątrz szczeliny cięcia

Minimalizację wpływu rozprysku na układ optyczny

Jeśli wysokość dyszy jest zbyt duża, strumień gazu ulega rozproszeniu i zdolność usuwania żużła spada. Jeśli wysokość dyszy jest zbyt mała, może dojść do kolizji dyszy, osadzania się rozprysku oraz turbulencji przepływu gazu.

III. Związek sprzężenia między długością ogniskowej a wysokością dyszy

Długość ogniskowej i wysokość dyszy nie są parametrami niezależnymi. W rzeczywistym procesie cięcia istnieje wyraźny związek sprzężenia między nimi.

Wpływ zmian położenia ogniska na optymalną wysokość dyszy

Gdy pozycja ogniskowa przesuwa się w dół (głęboko ujemne ognisko), kałuża stopiona wnika głębiej w materiał. W takim przypadku wysokość dyszy należy zazwyczaj odpowiednio zmniejszyć, aby wzmocnić bezpośredni wpływ gazu pomocniczego na metal stopiony.

Wpływ zmian wysokości dyszy na wykorzystanie energii ogniskowej

Zmiany wysokości dyszy wpływają na rozkład ciśnienia gazu, pośrednio zmieniając morfologię kałuży stopionej oraz obszar oddziaływania wiązki laserowej z materiałem, co wpływa na skuteczne wykorzystanie energii ogniskowej.

Wpływ dopasowania parametrów na stabilność cięcia

Nieprawidłowe dopasowanie długości ogniskowej i wysokości dyszy może łatwo prowadzić do niestabilności kałuży stopionej podczas cięcia, co może objawiać się okresowymi prążkami szczeliny, przywarciem żużla na dolnej krawędzi lub przerwami w cięciu.

IV. Charakterystyka dopasowania parametrów w różnych warunkach materiałów
Cięcie cienkich blach

Zazwyczaj stosuje się ognisko bliskie zeru lub lekko dodatnie, w połączeniu z niewielką wysokością dyszy, aby uzyskać wąską szczelinę cięcia i wysoką prędkość cięcia.

Cięcie płyt średnich i grubych

Stosuje się zazwyczaj cięcie z ujemnym położeniem ogniska, przy stosunkowo obniżonej wysokości dyszy, aby zwiększyć głębokość jeziora mokrego i poprawić zdolność usuwania żużlu przez gaz pomocniczy.

Cięcie materiałów o wysokiej odbiciowości

Wymagana jest precyzyjna kontrola położenia ogniska przy zachowaniu stałej wysokości dyszy, aby zapobiec fluktuacjom energii i zmniejszyć ryzyko odbicia wsteczne.

V. Typowe wady cięcia i ich korelacja z parametrami

Niekompletne cięcie: położenie ogniska zbyt wysokie lub zbyt duża wysokość dyszy

Przywarcie żużlu na dolnej krawędzi: niewystarczające ujemne położenie ogniska lub zbyt duża wysokość dyszy

Zbyt duża szerokość cięcia: zbyt duże dodatnie położenie ogniska lub zbyt niska wysokość dyszy

Chropowata powierzchnia cięcia: nieprawidłowe dopasowanie długości ogniskowej i wysokości dyszy, prowadzące do niestabilnego oddziaływania strumienia gazu z jeziorem mokrym

VI. Rekomendacje optymalizacji procesu

Dostosowanie ogniskowej powinno być przede wszystkim dobierane na podstawie grubości materiału

Wysokość dyszy powinna być utrzymywana jak najbliżej przedmiotu, zapewniając jednocześnie bezpieczeństwo pracy

Podczas dostrajania parametrów ogniskowa i wysokość dyszy powinny być dostosowywane jednocześnie, a nie niezależnie

Należy wykonać próbne cięcie, aby obserwować kształt szczeliny i jakość powierzchni cięcia, stopniowo wyznaczając optymalną kombinację parametrów

Ogniskowa i wysokość dyszy są kluczowymi parametrami w procesie cięcia laserowego, które wzajemnie się ograniczają i wpływają na siebie. Ich odpowiednie dopasowanie bezpośrednio decyduje o efektywności wykorzystania energii laserowej, stabilności kałużu stopionego materiału oraz jakości cięcia. W praktyce zastosowaniowej, ogniskowa i wysokość dyszy powinny być systematycznie dostrajane zgodnie z rodzajem i grubością materiału oraz celami technologicznymi, aby osiągnąć stabilne i powtarzalne wyniki cięcia.