Vláknové lasery: Řezací hlava

První řezací hlavy pro vláknové lasery vznikly úpravou hlav CO₂ laserů přidáním kolimátoru. U CO₂ laserů je k řezací hlavě dopraven paralelní paprsek o průměru asi 10 mm. Stačí jej pouze zaostřit, k čemuž stačí jedna zaostřovací čočka. Vláknové lasery na výstupu vlákna emitují divergentní paprsek, proto je potřeba použít přídavný kolimátor, který paprsek usměrní na paralelní. Za kolimátor je potom umístěna čočka fokusační, která zaostřuje laserový paprsek na povrch materiálu. První řezací hlavy pro vláknové lasery měly jenom omezený rozsah nastavení ohniskové vzdálenosti, protože k jejímu nastavení byla použita zaostřovací čočka používaná u CO₂ laserů. Teprve pozdější konstrukce hlav dokázaly upravit ohniskovou vzdálenost a výrazně rozšířit rozsah nastavení, a umožnit tak řezání silnějších materiálů. Prvním laserovým hlavám také chyběla automatizace a zabezpečení. Při výkonu laseru do 2 kW bylo možné považovat toto řešení za dostatečné, avšak s rychlým vývojem technologie a dalším zvyšováním výkonů se laserové hlavy staly slabým místem celého systému. Vybavení a konstrukce laserové hlavy je dnes proto důležitým faktorem určujícím kvalitu řezu, rychlost děrování a rozsah tlouštěk řezaných materiálů.

Čočky laserových hlav jsou vyrobeny z velmi čistého křemenného skla. Běžné optické čočky jsou čočky sférické, které se relativně snadno vyrábějí, ale mají sférické odchylky, které je nutné kompenzovat. Proto jsou jak čočka fokusační, tak čočka kolimační většinou ve skutečnosti tvořeny skupinou čoček. Světelné záření dopadající na povrch čočky se od ní částečně odráží, což způsobuje ztrátu výkonu. Od každého skleněného povrchu se odráží asi 4 % energie. Ve vláknových laserových hlavách je 6 až 14 skleněných ploch, kterými musí procházet světlo, a za normálních podmínek by tak mohlo dojít ke ztrátě až poloviny výkonu v hlavě. Řešením tohoto problému jsou speciální antireflexní vrstvy, které snižují odrazivost povrchu čočky. Proto je velmi důležité používat pouze ty nejkvalitnější čočky s vysoce účinnými antireflexními vrstvami.

Velmi důležitá je také čistota čoček. Každá nečistota v optické dráze světla způsobuje jeho rozptyl a ovlivňuje kvalitu řezu. Může také dojít k přehřívání optického systému a následnému poškození čoček. U řezacích hlav je proto instalováno přídavné ochranné sklíčko mezi zaostřovací čočkou a tryskou, které pomáhá chránit čočku před prachem a rozstřikem roztaveného materiálu. Tělo řezací hlavy proto také musí být hermeticky uzavřeno a utěsněno tak, aby do optického systému nevnikaly žádné prachové částice.

Frekvence výměny optických čoček do značné míry závisí na výkonu zdroje, ale vzhledem k mnoha dalším faktorům určujícím jejich životnost ji nelze přesně určit. Na základě statistik výměny optiky lze konstatovat, že při výkonu do 2 kW průměrná životnost přesahuje dva roky. Při výkonu nad 6 kW se životnost optiky rychle snižuje, a o to víc je zde namístě průběžná kontrola a monitorování stavu optiky.

Aby byla hlava udržována v optimálním stavu, měla by být průběžně sledována. To je důležité zejména u vyšších výkonů laseru, kde včasné odhalení drobného poškození může pomoci předejít závažným a nákladným poruchám. Moderní řezací hlavy jsou proto opatřeny senzory, které řídí důležité provozní parametry. Při přehřátí se může zaostřovací čočka zahřát tak, že se její povrch roztaví. Roztavené sklo z čočky se vypařuje a zkondenzovaný materiál se usazuje na sousední čočce kolimátoru a také ji poškozuje. Poškozená čočka kolimátoru může poškodit konec konektoru optického vlákna a v takovém případě je potřeba provést kompletní výměnu optiky.

Nové generace hlav jsou proto vybaveny senzory k měření teploty čoček. V mnohých případech je však měřena teplota pouzdra čočky. Sklo, ze kterého jsou čočky vyrobeny, má relativně nízkou tepelnou vodivost a v případě přehřátí povrchu čočky uplyne nějaký čas, než se přehřátí projeví na zvýšené teplotě pouzdra. To už je bohužel často pozdě a optika už může být poškozena. Společnost Kimla, která provádí vlastní výrobu a výzkum technologie, využívá v řezacích hlavách bezkontaktní metodu měření povrchové teploty čoček, která je založena na ikrobolometrických matricích a umožňuje sledovat teplotu přímo v místě vzniku přehřátí. Samostatně sleduje teplotu jednotlivých čoček i ochranného sklíčka a v případě překročení alarmové teploty okamžitě zastaví chod stroje.

Řezací hlavy mohou být vybaveny zaostřovacími čočkami různých ohniskových vzdáleností v závislosti na potřebách uživatele. U tenkých materiálů a nízkých výkonů je použita ohnisková vzdálenost 125 mm, která umožňuje řezat materiály o tloušťce až 15 mm. Delší ohnisková vzdálenost 150 mm je nejuniverzálnější volbou a používá se pro řezání materiálů do 20 mm. Ohniskové vzdálenosti 175 a 200 mm se používají pouze při vysokých výkonech a materiálech s tloušťkou nad 20 mm. Je však třeba připomenout, že při zvětšování ohniskové vzdálenosti se díky většímu průměru zaostřeného paprsku řezný výkon tenkých materiálů mírně snižuje. Existují i hlavy s proměnnou ohniskovou vzdáleností, ale ty jsou kvůli mnohem složitější konstrukci a většímu počtu čoček dražší na pořízení a provoz.

Aby proces řezání probíhal správně, musí být ohnisko paprsku v určité vzdálenosti od povrchu materiálu. I nepatrné změny vzdálenosti mezi tryskou a materiálem mohou zhoršit kvalitu řezu. Proto je velmi důležité správně ovládat výšku hlavy, a udržovat stabilní vzdálenost mezi tryskou a materiálem, bez ohledu na nerovnosti na jeho povrchu. Měření se provádí kapacitní metodou měření frekvence generátoru rádiových vln, která se mění v závislosti na kapacitě mezi tryskou a plechem. Čím blíže je tryska k desce, tím větší je kapacita a menší frekvence. Na základě této frekvence se určí vzdálenost, a následně se koriguje výška hlavy. Většina laserů měří vzdálenost a koriguje výšku při frekvenci 1 kHz, neboli 1000krát za sekundu. Ukázalo se však, že při vysokých rychlostech je tato frekvence příliš nízká. Například při rychlosti pohybu hlavy 1 m.s^-1 bude nastavení výšky hlavy provedeno pouze po 1 mm. Při vysokých rychlostech je klíčové, aby mohla hlava co nejrychleji reagovat, a zabránit tak kolizi s materiálem.

Společnost Kimla navrhla pro svoje stroje měřicí systém nové generace, kde bylo možné s využitím signálových procesorů DSP zvýšit frekvenci měření a korekci výšky hlavy až na 20 kHz. Díky tomu je systém schopen rychleji reagovat a přesněji upravit polohu hlavy.

Rozsah měření vzdálenosti trysky od plechu je důležitým parametrem při děrování silnějších plechů. Při děrování může jiskra a roztavený materiál uniknout z povrchu takovou rychlostí, že dokáže překonat i odpor ochranného plynu, dostat se k hlavě a zničit ochranné sklíčko. Proto při děrování silných plechů, zejména těch, které jsou řezány kyslíkem, by měly být trysky oddáleny od materiálu do výšky i několika milimetrů. Tato výška je mimo standardní provozní rozsah regulátorů výšky, a proto většina laserů propaluje materiál na vzdálenost nepřesahující 10 mm, což způsobuje rychlejší opotřebení ochranných sklíček. Řešením je propalování materiálu z větší vzdálenosti od plechu. U laserů Kimla umožňuje měřicí systém rozsah měření až 20 mm. Aby však bylo možné materiál prorazit z tak velké vzdálenosti, musí být hlava schopna automaticky snížit ohniskovou výšku k povrchu plechu. Podmínkou efektivního a bezpečného děrování silných plechů je proto vhodný rozsah nastavení ohniskové polohy. Při propalovaní musí být hlava vrácena zpět, ale ohnisko by mělo zůstat na povrchu materiálu.

Laserové řezací hlavy plní důležité funkce, které mají vliv na výslednou kvalitu a rychlost řezu. Výměna optiky řezací hlavy je poměrně nákladnou záležitostí a je možné ji provést pouze za čistých laboratorních podmínek na specializovaném pracovišti. Pokud je jim však věnována dostatečná pozornost a umožněna včasná diagnostika, může být provozování zdánlivě křehkého optického systému bezproblémovou záležitostí.