Vliv asistenčního plynu na tloušťku řezu
Laserové řezání je vhodné pro všechny typy konstrukčních materiálů. S nejběžnějšími lasery o výkonu 3-3,5 kW lze řezat nelegované oceli do max. tlouštěk cca 25 mm, vysokolegované oceli a slitiny hliníku jen do cca 12 mm. Rozdílné maximální řezné tloušťky jsou způsobeny rozdílným asistenčním plynem používaným na řezání. U materiálů řezatelných kyslíkem většina energie pochází z exotermické reakce - spalování materiálu předehřátého na zápalnou teplotu kyslíkem. Nevýhodou řezání vysokolegovaných materiálů a hliníkových slitin kyslíkem je vytváření těžko odstranitelné strusky a oxidů na řezných hranách. Proto se pro tyto materiály nejčastěji používá jako asistenční plyn dusík, což způsobuje ve srovnání s kyslíkem výrazné snížení rychlosti řezání a maximální řezatelné tloušťky. Na rozdíl od řezání - spalování materiálu kyslíkem u dělení materiálů dusíkem asistenční plyn slouží jen na ochranu materiálu před vlivem okolního prostředí, zaostřovací optiky před rozstřikem a dynamickým účinkem proudu vyfukuje roztavený kov a strusku z řezné spáry, takže veškerá energie použitá pro řezání pochází pouze z laserového paprsku. Toto snížení řezné tloušťky, resp. řezné rychlosti je částečně možné kompenzovat zvýšeným tlakem asistenčního plynu (dusíku) nebo využitím možnosti zvýšení parametrů použitím systému Bifocal pracujícím na základě speciální patentované dvouohniskové optiky. Spočívá v nahrazení standardních čoček (ZnSe) speciální dvouohniskovou optikou, která vytváří dlouhou oblast s vysokou hustotou energie nezasahující pouze povrch, ale i hloubku materiálu.
Dvouohnisková optika
Dvouohniskovou optiku lze aplikovat na všechny běžné řezací lasery s těmito přínosy:
- větší tloušťka řezání při stejném výkonu;
- vyšší rychlost řezání při stejné tloušťce;
- usnadnění propalů;
- kvalitní řezy bez otřepů a strusky;
- optimalizace spotřeby asistenčního plynu.
Výsledky při použití bifokální čočky ve srovnání s klasickou jednoohniskovou čočkou jsou různé a dané kondicí stroje, technickým stavem a jeho aktuálním nastavením, ale také tloušťkou děleného materiálu. U materiálů tloušťky nad 4 mm se tyto hodnoty (např. zrychlení řezání) pohybují až v desítkách procent.
Systém Bifocal
Systém Bifocal vytváří dvě ohniska, jedno s větším úhlem ostrosti je zaostřeno na povrch materiálu, druhé s menším úhlem ostrosti je zaostřeno do materiálu, resp. na jeho spodní hranu. Při klasickém způsobu řezání laserem je nutné s rostoucí tloušťkou materiálu zvětšovat průměr trysky, a tím zvyšovat spotřebu asistenčního plynu podle vztahu pro dusík:
Q = 0,53 x d2 x (p + 1),
kde Q [m3.h-1] je průtok na výstupu trysky;
d [mm] průměr trysky;
p [bar] je relativní tlak v trysce, přičemž p > 0,86 bar.
Se systémem Bifocal lze řezat širší spektrum materiálů jedním průměrem trysky a tím významně snížit spotřebu asistenčního plynu. Nejčastěji používané průměry trysek jsou v rozmezí 0,8 až 3,2 mm v závislosti na tloušťce řezaného materiálu.
Výsledky
Praktické zkušenosti dokazují zvětšení řezné tloušťky nebo zvýšení rychlosti u stejných tlouštěk až o 45 % v závislosti na materiálu a jeho tloušťce a snížení spotřeby plynu až o 40 %, což umožňuje lepší a širší využití každého laserového řezacího zařízení a v neposlední řadě i snížení výrobních nákladů.
Nejčastější a největší problém z hlediska kvality řezu nastává při řezání limitních tlouštěk materiálů s ohledem na maximální výkon stroje, kdy ještě dochází k propalu, ale za velice špatné kvality řezné hrany materiálu. Objevují se na ní velké a těžko odstranitelné okuje, které se následně musí pracně a nákladně brousit. Také v tomto případě je řešením bifokální čočka, která zvýší řezný výkon a zvýší maximální hranici tloušťky materiálu a kvalitního řezu na něm o několik desítek procent.