Устройство режущей головы для волоконных лазерных станков на примере головы BOCI: как это работает?

Лазерная голова — это устройство для фокусировки и позиционирования лазерного луча. Сама по себе она его не генерирует, но благодаря режущей голове мы можем направлять луч с высокой точностью, получая при резке качественные кромки на заготовке. Металл после лазерной резки, как правило, не требует дополнительной обработки, что позволяет ускорить технологические процессы на производстве. Рассказываем, как это устроено.

Устройство и принцип работы лазерной режущей головы

Общая конструкция лазерной головы достаточно простая и в этом ее преимущество — легко ремонтировать и менять расходники. Основные компоненты лазерной режущей голова - волоконно-оптический интерфейс, коллиматор, охладитель, фокусирующая линза, защитное зеркало. Поговорим о них подробнее.

Волоконно-оптический интерфейс

Физический интерфейс, с помощью которого лазерная голова взаимодействует с системой ЧПУ станка. С его помощью выполняется управление устройством: например, позиционирование в пространстве, рассчитывается расстояние до обрабатываемой поверхности во время калибровки  и т.д. То есть интерфейс необходим для связи с режущей головой, а также получения данных, которые потом сохраняются в памяти станка. При этом сигналы передаются очень быстро, что позволяет добиться максимально точного управления станком.

Коллиматорный блок

Внешне напоминает линзу, одна из сторон которой плоская. Это устройство собирает хаотичный свет от лазерного источника и создает из него параллельные потоки,.то есть обеспечивает основное свойство лазерного луча — высокую направленность. 

Но одной линзы для этого недостаточно, ведь потоки света должны перемещаться строго по центру. Для этого в коллиматоре предусмотрен центрирующий модуль, который помогает настраивать положение устройства. Благодаря этому световые пучки движутся в заданном направлении без искажений. Если говорить коротко, то центрирующее устройство позволяет более эффективно направлять свет на фокусирующую линзу.

Система охлаждения

Так как лазерное излучение обладает большой энергией, коллиматорный блок достаточно сильно нагревается во время работы. Конечно, не так, как трубки газовых установок, но все же достаточно ощутимо для того, чтобы снизить срок службы лазерной головы. Чтобы она служила дольше, к станку подключается система охлаждения или чиллер. Для лазерных голов BOCI предусмотрено водяное охлаждение, а в других особо мощных моделях лазерных голов — комбинированное, с использованием жидкости и газа.

Принцип работы выглядит следующим образом. Хладагент — в нашем случае вода, сначала нагнетается в излучатель с помощью насоса. При этом он имеет определенную температуру и скорость подачи — эти параметры задаются и регулируются автоматически. Затем жидкость закачивается в линию по в которой хладагент подогревается и затем подается к режущей голове. Далее вода снова попадает в холодильник, где ее температура понижается и цикл начинается заново. 

Рабочая температура фокусирующих и коллиматорных линз находится в диапазоне +40…+50ºС. Превышение верхней границы нежелательно, так как это приводит к перегреву и растрескиванию стекла. Если температура будет слишком низкой, то начнет оседать конденсат с образованием водяного тумана. Его появление сопровождается нестабильностью лазерного луча и, как следствие, низким качеством резки или сварки металла. Поэтому наличие чиллера и его стабильная работа обязательны.

Система фокусировки

Состоит из фокусирующей линзы, собирающей параллельные пучки света из коллиматора в узкий лазерный луч, который далее попадает в выходное сопло. Такие изделия делают из специального стекла, которое отличается высокой прозрачностью. За счет этого снижаются потери энергии и выходной мощности лазера.

Кстати, у волоконных лазерных установок фокусирующая линза чаще всего одна и ее хватает для точной фокусировки луча. В других типах лазеров их может быть больше. Для высокоточных производств вообще применяются целые системы линз, чтобы добиться нужного качества обработки. Это приводит к потерям мощности лазера и снижению его КПД. Кроме того, замена такой системы стоит дороже. Волоконные установки лишены этих недостатков — одну линзу проще и дешевле поменять, она не вызывает настолько существенных потерь мощности. 

Защитное стекло

Служит преградой для брызг металла и газов, которые образуются в процессе резки. Защитное стекло располагается между оптической системой и соплом лазерной головы. Таким образом, оно защищает чувствительные линзы от загрязнений и быстрого изнашивания. Это недорогой расходный материал, который легко заменить при плановом техническом обслуживании. Его стоимость в разы ниже, чем цена коллиматорной или фокусирующей линзы. 

В лазерные головы BOCI устанавливается до четырех защитных стекол в зависимости от серии.

Сопло

Сопла для лазерных станков устанавливаются с помощью керамического держателя. Он служит дополнительной защитой головы от перегрева и необходим для правильной работы датчика слежения за рабочей поверхностью.

Сопло может быть одинарным или двойным. Первое имеет только одно сквозное отверстие, через которое в зону реза или сварки подается рабочий газ. Это может быть азот, кислород или же воздух. Одинарные изделия применяются в основном для резки тонкого металла с толщиной до 6 мм и высоким давлением газа. Основные преимущества — более низкая стоимость, по сравнению с другими типами изделий.  

Двойные варианты отличаются дополнительной вставкой в сквозном отверстии. За счет этой детали образуются завихрения газа и его поток остается стабильным и равномерным даже при пониженном давлении компрессора. Такие сопла используются для обработки металла с использованием кислорода. Повышенное давление способствует усилению горения металла и снижению качества кромок. 

Кроме этого, сопла классифицируются по форме и диаметру, которые подбираются в зависимости от толщины металла и вида технологической операции. 

Режущие головы для листового металла и профилей — в чем разница?

Головы для раскроя листового металла и резки труб (профилей) отличаются в основном в нюансах. Внешне они выглядят похожими. Начнем с первых:

 - более широкие сопла;

- простая система позиционирования;

- широкий фокус луча.

Резка труб и профилей требует иного подхода, так как режущая голова иногда вынуждена двигаться под разными углами. В этом случае используются узкие сопла, точная фокусировка, а также более сложная система позиционирования. В таких устройствах часто устанавливается большее количество датчиков слежения за поверхностью и довольно сложный волоконно-оптический интерфейс.

Интеллектуальные и высокопроизводительные лазерные головы BOCI серии BLT

Эти устройства отличаются высокой производительностью и степенью автоматизации, а также отличной надежностью. В линейке применяются следующие технологии:

1. мониторинг работы в реальном времени — можно отслеживать все действия станка, вносить изменения или произвести остановку, если в программе появилась ошибка;

2. защита от столкновений и ударов — она особенно актуальна для производства сложных деталей и в системах с несколькими режущими головами;

3. контроль герметичности оптической системы, давления газа и температуры защитного стекла помогает отслеживать состояние установки и вносить изменения в рабочий режим при необходимости. 

Далее расскажем  про три серии лазерных голов BOCI серии BLT, каждая из которых обладает своими особенностями помимо вышеперечисленных.

Серия 4

  

Лазерные головы этой серии доступны в модификации с мощностью до 40 кВт. Отличаются стабильными параметрами резки за счет автофокусировки с замкнутым контуром. Другие важные преимущества:

1. возможность 3D-резки для создания объемных деталей сложной формы в автоматическом режиме;

2. режим резки без шлака для высокоточных деталей;

3. возможность охлаждения сопла;

4. простота и легкость в обслуживании — для замены линз нужно не более 5 минут времени. 

Режущие головы BLT 4 лучше всего подойдут для раскроя листового металла.

Серия 5

 

Создана специально для резки труб и профилей. Главная особенность — оптический канал, расположенный под углом. Благодаря этому решению он не подвержен заметным колебаниям и обеспечивает стабильную работу лазерной головы. 

Также к достоинствам BLT 5 Series относятся:

1. стабильная резка под углом 45º;

2. длительный срок службы волоконного кабеля за счет горизонтального соединения, которое позволяет уменьшить колебания волокна;

3. не требует сложного обслуживания и ремонта — защитные винты предотвращают поломку лазерной головы;

4. защита от помех помогает избежать получения неверных данных о расстоянии между соплом и поверхностью металла. 

Лазерные головы BLT 5 подходят для резки двутавра с габаритами 400 × 400 мм. За счет оснащения большим количеством датчиков обеспечивают высокую производительность и безопасность работы с минимальным количеством брака.

Серия 6

  


Лазерные головы BLT 6 Series разработаны для высокопроизводительной резки с применением источников мощностью до 60 кВт. К достоинствам можно отнести следующее:

1. новая система линз с особой траекторией луча увеличивает производительность станка;

2. двойная защита от пыли продлевает срок службы оптического блока при работе в сложных условиях и длительных рабочих сменах;

3. контроль качества резки — встроенный датчик отслеживает не прорезанные участки и автоматически возвращает голову в начальное положение для устранения дефекта;

4. интеллектуальное пробитие — умное устройство начинает резать металл сразу же после пробития, что позволяет сэкономить время в одном цикле обработки;

5. режим резки без шлака и зазоров — идеален для высокоточных деталей и если нужно сократить затраты на дополнительную обработку заготовок;

6. сопло защищено специальными винтами — они ломаются в случае удара, за счет этого помогают избежать затрат на ремонт;

7. замена линз требует всего 5 минут времени;

8. мониторинг защитных стекол позволяет оперативно обнаружить загрязнения и предотвратить преждевременную поломку стекол. 

Лазерные головы серии 6 лучше всего подходят для резки толстого металла — свыше 10 мм в зависимости от марки.

Лазерный станок высокой мощности Senfeng SF8025H4 с режущими головами BOCI

Высокопроизводительными режущими головами BOCI комплектуются лазерные установки Senfeng посредством универсального волоконно-оптического интерфейса. Головы BOCI лучше всего подходят для станков высокой мощности, таких как Senfeng SF8025 серии H4. Главная особенность этой модели — возможность установки головы для 5-осевой 3D-резки. С ее помощью можно изготавливать объемные детали сложной формы, не затрачивая много времени на позиционирование заготовки. Наличие автофокуса и эффективной системы охлаждения позволяют увеличить производительность станка при изготовлении 3D-изделий, особенно если требуется высокая точность. 

Кроме этого, лазерная установка Senfeng SF8025H4 отличается рядом особенностей:

1. полная защита кабинетного типа предохраняет персонал на производстве от лазерного излучения;

2. автоматическая система сменных столов меняет их в течение 15 секунд, что также положительно сказывается на производительности;

3. волоконный лазерный излучатель мощностью 6, 12, 20 и 30 кВт с рабочим ресурсом до 100 000 часов;

4. зональная система дымоудаления и мощная вентиляция быстро удаляют продукты горения из зоны обработки, снижая риск загрязнения лазерной головы;

5. беспроводной пульт управления с защитой от помех — станком можно управлять как домашним телевизором;

6. высокая точность позиционирования <0,03 мм, повторяемость — <0,02 мм. 

Лазерный станок Senfeng SF8025H4 с режущей головой BOCI идеально подойдет для высокоскоростной резки листового металла размером до 8000 х 2500 мм и толщиной до 80 мм: углеродистых, легированных и нержавеющих сталей, алюминия, латуни и других сплавов.