Механизмы передачи лазерного излучения в зону обработки

Способы передачи лазерного излучения в зону обработки условно подразделяют на две группы:

1. С постоянной длиной оптического тракта от излучателя лазерной установки до зоны реза. При данном способе могут перемещаться либо излучатель, либо обрабатываемое изделие, либо излучатель и изделие одновременно, либо могут вращаться оптические элементы.

2. С переменной длиной оптического тракта от излучателя до зоны резки. В этом случае сам излучатель неподвижен, а передача излучения в зону резки осуществляется с помощью подвижной системы оптических элементов. Также может быть предусмотрено перемещение сравнительно небольших заготовок.

Передача излучения при постоянной длине оптического тракта. В простейшем случае передача выполняется с помощью фокусирующего объектива, установленного между неподвижным излучателем лазерной установки и обрабатываемой заготовкой. При резке изделие может перемещаться поступательно в плоскости, перпендикулярной оси сфокусированного луча, или вращаться относительно его оси.

Чтобы повернуть лазерный пучок на необходимый угол, между излучателем и объективом размещается зеркало или система зеркал либо призм.

Возможно перемещение излучателя с объективом относительно неподвижного изделия либо одновременное перемещение излучателя и заготовки.

Однако перемещения как крупногабаритных изделий, так и мощных громоздких излучателей (в особенности газовых лазеров) являются конструктивно нецелесообразными. Тем более, подвижный излучатель соединяется с неподвижной частью лазерной установки кабелями высокого напряжения и системой шлангов для подачи газов, охлаждающей жидкости и т. п.

Для исключения перемещений излучателя и разрезаемой заготовки лазерное излучение передается в зону обработки с помощью системы зеркал или призм и объектива, вращающихся вокруг оси луча или вокруг обрабатываемого изделия.

Однако данные способы могут применяться только при обработке по окружности плоскостей и тел вращения.

Передача излучения при переменной длине оптического тракта. При первом способе предусматривается совместное движение зеркал 1, 2 и объектива по оси X, а по оси Y – только перемещение зеркала 2 с объективом
Поступательное перемещение зеркал и объектива может быть заменено вращательным движением зеркал 1, 2 и объектива вокруг оси излучателя и поступательным перемещением зеркала 2 и объектива в направлении, перпендикулярном оси излучателя.

Двухкоординатное перемещение лазерного пучка при небольшой зоне обработки можно выполнить за счет вращения зеркал 1 и 2 вокруг взаимно перпендикулярных осей.

Для поворота и фокусировки лазерного излучения возможно использование только одного сферического зеркала.

При следующем способе (см. рисунок ниже) передача лазерного пучка в зону обработки осуществляется с помощью зеркала, закрепленного в карданном подвесе и поворачивающегося относительно двух взаимно перпендикулярных осей. Повороты зеркала позволяют обрабатывать изделие по заданному контуру.

При обработке внутренней полости цилиндрической заготовки применяется одновременное перемещение зеркала и объектива вдоль оси лазерного пучка и их вращение вокруг этой оси.

Для обработки легких длинномерных труб или материалов, поставляемых в рулонах (например, металлической фольги), используется одновременное перемещение зеркала, объектива и заготовки, которая может либо вращаться вокруг оси, перпендикулярной оси лазерного луча, либо поступательно перемещаться перпендикулярно оси луча.

При перфорации листов излучение может передаваться с помощью вращающегося многогранного зеркального барабана и неподвижной системы зеркал.

Лазерные резаки

Простейшее устройство лазерного резака показано на рисунке ниже. Для подачи газа в зону резки между линзой и заготовкой размещено сопло в виде усеченного конуса. Газ, выходящий под давлением из сопла по лазерному пучку, помимо технологических функций обеспечивает защиту линзы от продуктов лазерной обработки.

Рисунок. Простейшее фокусирующее устройство (резак) станка лазерной резки

Поверхность линзы резака, обращенную к обрабатываемому изделию, также защищают с помощью экранирующих диафрагм, прозрачных вращающихся и неподвижных экранов, вращающихся металлических дисков с окнами на пути прохождения лазерного излучения, магнитных и электроразрядных устройств.

Для обеспечения длительного срока службы фокусирующих элементов мощных (свыше 3 кВт) установок целесообразно применение металлооптики. На рисунке ниже приведена конструкция резака с металлическими зеркалами, которые фокусируют излучение, выходящее из неустойчивого резонатора.

Рисунок. Лазерный резак с металлооптикой

Кольцевой лазерный пучок входит в резак через плоское окно, являющееся прозрачным для данной волны излучения. Отражаясь от зеркал и проходя через сопло, пучок фокусируется на обрабатываемой заготовке. Вспомогательный газ под давлением подается внутрь через отверстия, охлаждая при этом зеркальные поверхности.

Резак может иметь оптическую систему, следящую за взаимным положением объектива и заготовки.