Вплив взаємозв'язку між фокусною відстанню та висотою сопла на ефект різання

У процесах лазерного різання фокусна відстань та висота сопла є двома взаємопов'язаними ключовими технологічними параметрами. Вони безпосередньо впливають на розподіл лазерної енергії, стабільність розплавленого шару, дію допоміжного газу та остатню якість різання. Правильне узгодження положення фокусу та висоти сопла є основною умовою забезпечення стабільності різання та якості зрізу.

I. Основні визначення та функція фокусної відстані

Фокальна довжина вказуває на відстань між фокусуючою лінзою та позицією, у якій лазерний промінь утворює мінімальне плямо після проходження через оптичну систему. У процесах різання фокусну позицію зазвичай відносно поверхні заготовки як нульову точку, і можна класифікувати на позитивний фокус, нульовий фокус та негативний фокус.

Фокусна позиція визначає розподіл густоти енергії лазера на поверхні матеріалу або всередині матеріалу, безпосередньо впливаючи на наступні аспекти:

Здатність початкового плавлення

Глибина та морфологія розплавленої ванни

Ширина різання та конусність

Розмір зони термічного впливу

Надмірне відхилення фокусної позиції може призвести до недостатньої або неоднорідної густоти енергії, що спричиняє неповне різання, прилипання шлаку або шорсткі поверхні зрізу.

II. Основне визначення та функція висоти сопла

Висота сопла — це вертикальна відстань між кінцем сопла та поверхнею заготовки, яка зазвичай регулюється в реальному часі за допомогою системи контролю висоти. Основна функція висоти сопла полягає у забезпеченні стану струменя допоміжного газу та стабільності повітряного потоку в зоні різання.

Правильна висота сопла дозволяє:

Забезпечити стабільний, осесиметричний потік допоміжного газу

Покращити ефективність видалення розплавленого металу

Зменшити залишки шлаку всередині різального зазору

Мінімізувати вплив бризок на оптичну систему

Якщо висота сопла надто велика, потік газу розсіюється, і здатність видалення шлаку знижується. Якщо висота сопла надто мала, це може призвести до зіткнення сопла, прилипання бризок і турбулентності потоку повітря.

III. ВЗАЄМОЗВ'ЯЗОК МІЖ ФОКУСНОЮ ВІДСТАНЬЮ ТА ВИСОТОЮ СОПЛА

Фокусна відстань і висота сопла не є незалежними параметрами. У реальних процесах різання між ними існує чіткий взаємозв'язок.

Вплив зміни положення фокуса на оптимальну висоту сопла

Коли фокальна позиція зміщується вниз (глибший негативний фокус), розплавлений басейн проникає далі в матеріал. У цьому випадку висота сопла зазвичай повинна бути відповідно зменшена, щоб посилити безпосередній вплив допоміжного газу на розплавлений метал.

Вплив зміни висоти сопла на використання фокальної енергії

Зміни висоти сопла впливають на розподіл тиску газу, що непрямо змінює форму розплавленого басейну та область взаємодії лазера з матеріалом, тим самим впливаючи на ефективне використання фокальної енергії.

Вплив підбору параметрів на стабільність різання

Неправильне поєднання фокусної відстані та висоти сопла може легко спричинити нестабільність розплавленого басейну під час різання, що може виявлятися у вигляді періодичних смуг на розрізі, прилипання шлаку знизу або переривання різання.

IV. Характеристики підбору параметрів за різних умов матеріалу
Розкрій тонких листів

Зазвичай використовується майже нульовий фокус або невеликий позитивний фокус у поєднанні з невеликою висотою сопла, щоб отримати вузький розріз і високу швидкість різання.

Різання середніх і товстих плит

Зазвичай застосовується негативне фокусування різання з відносно зниженою висотою сопла для підвищення глибини розплавленого басейну та ефективності видалення шлаку допоміжним газом.

Різання матеріалів із високою відбивною здатністю

Потрібен точний контроль положення фокусу при стабільній висоті сопла, щоб запобігти коливанням енергії та зменшити ризик зворотного відбиття.

V. Поширені дефекти різання та взаємозв'язок із параметрами

Неповне різання: фокусна відстань занадто велика або висота сопла надто висока

Прилипання шлаку знизу: недостатнє негативне фокусування або надмірна висота сопла

Надмірна ширина різу: надто сильне позитивне фокусування або надто низька висота сопла

Шорстка поверхня різу: неправильне поєднання фокусної відстані та висоти сопла, що призводить до нестабільної взаємодії між потоком газу та розплавленим басейном

VI. Рекомендації щодо оптимізації процесу

Регулювання фокусної відстані має бути визначеним, перш за все, на основі товщини матеріалу

Висота сопла повинна бути якомога ближчою до заготовки з дотриманням умов експлуатаційної безпеки

Під час налаштування параметрів фокусну відстань і висоту сопла слід регулювати одночасно, а не окремо

Для поступового визначення оптимального поєднання параметрів слід використовувати пробне різання з аналізом форми розрізу та якості зрізаної поверхні

Фокусна відстань і висота сопла є ключовими параметрами лазерного різання, які взаємно обмежують і впливають один на одного. Їх правильне поєднання безпосередньо визначає ефективність використання лазерної енергії, стабільність розплавленої ванни та якість різання. На практиці фокусну відстань і висоту сопла слід системно регулювати залежно від типу матеріалу, його товщини та технологічних цілей для досягнення стабільних і відтворюваних результатів різання