Влияние взаимосвязи между фокусным расстоянием и высотой сопла на эффект резания

В процессах лазерной резки фокусное расстояние и высота сопла являются двумя взаимосвязанными ключевыми технологическими параметрами. Они непосредственно влияют на распределение лазерной энергии, устойчивость расплавленной зоны, эффективность вспомогательного газа и конечное качество реза. Правильное согласование положения фокуса и высоты сопла является основным условием обеспечения устойчивости резания и качества кромки реза.

I. Основные определения и функция фокусного расстояния

Фокусное расстояние — это расстояние между фокусирующей линзой и точкой, в которой лазерный луч после прохождения через оптическую систему формирует минимальное пятно. При резке положение фокуса обычно отсчитывается от поверхности заготовки как от нулевой точки и может быть положительным, нулевым или отрицательным.

Положение фокуса определяет распределение плотности энергии лазера на поверхности материала или внутри него и напрямую влияет на следующие аспекты:

Способность к начальному плавлению

Глубина и форма расплавленной ванны

Ширина пропила и конусность

Размер зоны термического влияния

Сильное отклонение положения фокуса может привести к недостаточной или неравномерной плотности энергии, что вызывает неполную резку, прилипание шлака или шероховатость поверхностей реза.

II. Основные определения и функция высоты сопла

Высота сопла относится к вертикальному расстоянию между концом сопла и поверхностью заготовки и обычно регулируется в реальном времени с помощью системы датчика высоты. Основная функция высоты сопла заключается в обеспечении состояния струи вспомогательного газа и устойчивости воздушного потока в зоне резания.

Подходящая высота сопла позволяет:

Обеспечить устойчивый, осесимметричный поток вспомогательного газа

Повысить эффективность удаления расплавлённого металла

Снизить остатки шлака внутри пропила

Минимизировать воздействие брызг на оптическую систему

Если высота сопла слишком велика, поток газа рассеивается и способность удаления шлака снишается. Если высота сопла слишком мала, это может привести к столкновению сопла, налипанию брызг и турбулентности воздушного потока.

III. Взаимосвязь между фокусным расстоянием и высотой сопла

Фокусное расстояние и высота сопла не являются независимыми параметрами. В реальных процессах резания между ними существует чёткая взаимосвязь.

Влияние изменения положения фокуса на оптимальную высоту сопла

Когда фокальная позиция смещается вниз (более глубокая отрицательная фокусировка), расплавленная ванна проникает глубже в материал. В этом случае, как правило, необходимо соответствующим образом уменьшить высоту сопла, чтобы усилить прямое воздействие вспомогательного газа на расплавленный металл.

Влияние изменений высоты сопла на использование фокальной энергии

Изменения высоты сопла влияют на распределение газового давления, косвенно изменяя форму расплавленной ванны и область взаимодействия лазера с материалом, тем самым влияя на эффективное использование фокальной энергии.

Влияние подбора параметров на стабильность резки

Неправильный подбор фокусного расстояния и высоты сопла может легко вызвать нестабильность расплавленной ванны во время резки, что может проявляться в виде периодических полос на пропиле, прилипания шлака к нижней кромке или перерывов в резке.

IV. Характеристики подбора параметров при различных условиях материала
Резка листового металла

Обычно используется близкий к нулю или слегка положительный фокус в сочетании с малой высотой сопла, чтобы обеспечить узкий пропил и высокую скорость резки.

Резка средних и толстых листов

Обычно используется резка с отрицательной фокусировкой, при этом относительно снижается высота сопла, чтобы увеличить глубину расплавленного слоя и улучшить способность вспомогательного газа удалять шлак.

Резка материалов с высокой отражательной способностью

Требуется точный контроль положения фокуса при одновременно стабильной высоте сопла, чтобы предотвратить колебания энергии и снизить риск обратного отражения.

V. Распространённые дефекты резки и взаимосвязь с параметрами

Неполная резка: фокусное положение слишком высокое или высота сопла слишком большая

Прилипание шлака снизу: недостаточная отрицательная фокусировка или чрезмерная высота сопла

Слишком большой зазор реза: чрезмерно положительная фокусировка или слишком низкая высота сопла

Шероховатая поверхность реза: неправильное сочетание фокусного расстояния и высоты сопла, приводящее к нестабильному взаимодействию потока газа и расплавленного слоя

VI. Рекомендации по оптимизации процесса

Регулировка фокусного расстояния должна определяться в первую очередь исходя из толщины материала

Высота сопла должна быть как можно ближе к заготовке, обеспечивая при этом безопасность эксплуатации

При настройке параметров фокусное расстояние и высота сопла должны регулироваться одновременно, а не независимо друг от друга

Для постепенного определения оптимального сочетания параметров следует использовать пробную резку, наблюдая за формой пропила и качеством поверхности реза

Фокусное расстояние и высота сопла являются ключевыми параметрами лазерной резки, которые взаимно связаны и влияют друг на друга. Правильное их согласование напрямую определяет эффективность использования лазерной энергии, стабильность расплавленной ванны и качество резки. На практике фокусное расстояние и высоту сопла следует систематически подбирать в зависимости от типа и толщины материала, а также технологических целей, чтобы обеспечить стабильные и воспроизводимые результаты резки