Optyka – słabe ogniwo lasera

©

Udostępnij:

Jeśli przeanalizujemy statystyki dotyczące przyczyn zatrzymania pracy lasera, wyraźnie widać, że najczęściej konieczność podjęcia działań serwisowych wynika z zużycia lub uszkodzenia zewnętrznych elementów optycznych systemu laserowego, czyli soczewki, okna ochronnego lub złącza światłowodu.

Współczesne wycinarki laserowe ze źródłem fiber znacznie różnią się konstrukcją od używanych poprzednio laserów CO2. Rozwój źródeł laserowych osiągnął poziom, w którym są one praktycznie bezobsługowe, nie wymagają przeglądów, regulacji i wymiany elementów eksploatacyjnych. Zdarzają się oczywiście awarie źródeł, jednak występują one rzadko. Obecnie najsłabszym ogniwem w wycinarkach laserowych jest optyka znajdująca się poza źródłem lasera.

Statystyki dotyczące powodów, dla których trzeba zatrzymać pracę lasera i podjąć działania serwisowe pokazują, że najczęściej jest to zużycie lub uszkodzenie zewnętrznych elementów optycznych systemu laserowego: soczewki, okna ochronnego lub złącza światłowodu.



Ochrona okna wyjściowego

Najbardziej narażonym elementem optycznym jest okno wyjściowe w postaci płaskiego krążka ze szkła kwarcowego pokrytego warstwami antyrefleksyjnymi. Spełnia ono dwie funkcje. Przede wszystkim oddziela część wysokociśnieniową głowicy (która znajduje się pomiędzy oknem wyjściowym a dyszą tnącą, do której doprowadzony jest gaz wydmuchujący stopiony metal ze szczeliny) od części niskociśnieniowej, gdzie znajdują się soczewki formujące wiązkę laserową. Drugą funkcją jest zabezpieczenie soczewek przed odpryskami stopionego materiału, które pomimo przepływu gazu przez dyszę mogą w sprzyjających okolicznościach dostać się przez nią do wnętrza głowicy i uszkodzić optykę.

Okno wyjściowe jest stosunkowo tanim elementem, przeznaczonym do wymiany przez operatora, podobnie jak dysza czy ceramiczny izolator. Częstotliwość jego wymiany zależy przede wszystkim od parametrów technologicznych cięcia, a szczególnie przebijania materiału. Właśnie podczas przebijania najczęściej dochodzi do uszkodzenia okna – zanim bowiem nastąpi przebicie, niemal cały usuwany materiał jest wyrzucany do góry w kierunku dyszy. Co prawda gaz wydmuchiwany z dyszy istotnie zapobiega dostawaniu się iskier do wnętrza głowicy, ale energia kinetyczna nadana cząsteczkom stopionego materiału podczas interakcji ze skupionym promieniem lasera jest tak duża, że może ona pokonać opór wypływającego gazu. Problem jest mniejszy przy cięciu z użyciem azotu, ponieważ odbywa się ono przy stosunkowo dużych ciśnieniach rzędu 10–15 barów, częściej natomiast zjawisko to występuje przy cięciu z użyciem tlenu, gdzie ciśnienia zwykle nie przekraczają 1 bara.

Aby zminimalizować ryzyko uszkodzenia okna wyjściowego, najczęściej stosuje się przebijanie przy dyszy odsuniętej od materiału. Im większa odległość dyszy podczas przebijania, tym mniejsze ryzyko uszkodzenia okna. Takie działanie wydłuża jednak czas cięcia – przy dużej liczbie przebić czas zmiany odległości dyszy od materiału wpływa na obniżenie wydajności. Większość wycinarek laserowych ma ograniczoną do 10 mm odległość dyszy od materiału – ze względu na konstrukcję układu pomiaru – jednak w niektórych przypadkach jest to wartość niewystarczająca do skutecznej ochrony okna. Na podstawie badań stwierdzono, że przy przebijaniu grubych blach z użyciem tlenu podniesienie odległości dyszy z 10 do 15 mm pozwoliło na czterokrotne wydłużenie żywotności okna. Firma Kimla dzięki zastosowaniu nowoczesnych procesorów FPGA do przetwarzania sygnału z czujnika pojemnościowego odległości dyszy uzyskała zakres regulacji 20 mm, co daje możliwość większej optymalizacji procesu przebijania.

Pomiary wytrzymałości optyki

Formowanie wiązki lasera odbywa się w głowicy i realizowane jest za pomocą soczewek, które również mają ograniczoną żywotność i wymagają okresowej wymiany. Niestety procesy destrukcji zachodzące w szkle i powłokach antyrefleksyjnych są bardzo skomplikowane i pomimo wielu badań naukowcom nie udało się jeszcze precyzyjnie opisać tych mechanizmów. Od wielu lat prowadzone są badania nad procesami destrukcji optyki laserów impulsowych, ale używane w wycinarkach lasery do pracy ciągłej generują inne rodzaje zjawisk.

Widok panelu kontrolnego systemu ochrony głowicy LensCare wycinarki laserowej firmy Kimla – tryb rozszerzony

Szybki rozwój laserów światłowodowych dużej mocy nie pozwolił na przeprowadzenie wystarczających badań dla opisania zjawisk powodujących degradację optyki. Wypracowano standard pomiaru wytrzymałości optyki laserowej w postaci parametru LIDT (Laser Induced Damage Treshold), jednak opisują one wyłącznie moc, przy której prawdopodobieństwo uszkodzenia optyki jest poniżej pewnej wartości. Powtarzalność tego typu pomiarów jest stosunkowo niewielka i często wartość LIDT może się wahać (1:10 na różnych fragmentach powierzchni tej samej soczewki). Ponadto pomiary są prowadzone w warunkach laboratoryjnych, które bardzo się różnią od warunków przemysłowych, w jakich wycinarki pracują.

Widok panelu kontrolnego systemu ochrony głowicy LensCare wycinarki laserowej firmy Kimla – tryb użytkownika

Naukowcy dużą niepewność pomiarów tłumaczą bardzo wieloma zjawiskami zachodzącymi jednocześnie, co w połączeniu z losowością zjawisk kwantowych związanych z interakcją światła z materią i lokalnymi interferencjami oznacza, że określenie konkretnej żywotności soczewek wydaje się obecnie niemożliwe. Czynnikiem, który bezsprzecznie wpływa na prawdopodobieństwo uszkodzenia optyki, jest moc lasera. Im większa moc, tym większe ryzyko – i nie jest to zależność liniowa. Przy mocy poniżej 1 kW soczewek właściwie się nie wymienia, przy 2 kW wymienia się je średnio co 2 lata, przy 4k W – co rok, przy 6 kW – co 8 miesięcy, przy 8 kW – co 5 miesięcy, a przy 10 kW – co 3 miesiące. Podane wartości są uśrednione i może się zdarzyć, że w praktyce będą one wielokrotnie większe lub też mniejsze.


TOP w kategorii


#Rozdzielanie i łączenie

optyka wycinarki laserowe lasery



Rodzaje uszkodzeń

Uszkodzenie optyki może mieć różny przebieg. Może pojawić się dużo drobnych uszkodzeń w postaci ciemnych punktów na soczewce o wielkości nieprzekraczającej 0,05 mm. Nie wpływają one pojedynczo na możliwość cięcia, ale pojawienie się większej ich ilości powoduje stopniowe pogorszenie jakości cięcia. Może też wystąpić duże ciemne uszkodzenie w postaci przetopienia materiału o średnicy do 2 mm – najczęściej w laserach większej mocy – które jest efektem rozrastania się mniejszych uszkodzeń aż do osiągnięcia punktowo temperatury topienia szkła. Przy największych mocach uszkodzenie niewykryte na czas może doprowadzić do przetopienia całej soczewki, tworząc w niej otwór na wylot.

Wszystkie poważniejsze uszkodzenia soczewki powodują odparowanie materiału, z którego jest wykonana, i kondensację tego materiału na wewnętrznych powierzchniach głowicy oraz sąsiadujących soczewkach, co doprowadza do ich uszkodzenia. Dlatego im szybciej zostanie wykryty stan awaryjny i zatrzymany proces cięcia, tym mniejsze uszkodzenia wystąpią. Prędkość powstawania takich łańcuchowych uszkodzeń jest uzależniona od mocy lasera – im większa moc, tym szybciej przebiega destrukcja (w przypadku mocy powyżej 8 kW proces ten może trwać sekundy).

Monitorowanie stanu głowicy
Firma Kimla w swoich laserach zastosowała rozwiązanie pozwalające na monitorowanie i ochronę optyki laserowej w postaci systemu LensCare. Kontroluje on w sposób ciągły (i zapisuje historię ich wartości, aby umożliwić skuteczną diagnozę) następujące parametry w głowicy:
    • temperaturę okna ochronnego górnego,
    • temperaturę okna soczewki kolimatora,
    • temperaturę okna soczewki skupiającej,
    • temperaturę okna ochronnego wyjściowego,
    • temperaturę dyszy,
    • temperaturę korpusu głowicy,
    • ciśnienie w komorze soczewek,
    • ciśnienie w komorze dyszy,
    • wilgotność w komorze soczewek,
    • obecność okna wyjściowego.

Niezwykle ważne jest więc, aby laser wyposażony był w system wczesnego ostrzegania i automatycznie wyłączył proces cięcia po przekroczeniu alarmowej temperatury soczewek. Niestety wiele głowic obecnie stosowanych w laserach nie oferuje takiej funkcjonalności i odpowiedzialność za odpowiednio szybkie wykrycie problemu i zatrzymanie maszyny spoczywa na operatorze. Niektóre firmy zaczęły wprowadzać pomiar temperatury soczewek, ale robią to w sposób pośredni – mierząc temperaturę obudowy soczewki. Taki sposób pomiaru jest jednak niewystarczający, ponieważ soczewki wykonane są ze szkła kwarcowego, które ma stosunkowo niską przewodność termiczną. Moc lasera skoncentrowana jest w środku soczewki i właśnie w okolicach jej środka najczęściej występują uszkodzenia. Uszkodzona soczewka w tym miejscu gwałtownie się rozgrzewa, ale temperatura w niej rozchodzi się dość wolno i może się zdarzyć, że do krawędzi soczewki temperatura dotrze (i wyłączy proces cięcia) dopiero po kilku minutach, kiedy już cała optyka w głowicy może zostać zniszczona.

Monitorowanie stanu optyki

Firma Kimla rozwiązała ten problem poprzez zastosowanie bezpośredniego pomiaru temperatury powierzchni soczewek przy pomocy czujników promieniowania cieplnego, podobnych do używanych w kamerach termowizyjnych. Dzięki temu pomiar temperatury odbywa się dokładnie w miejscu, gdzie ona powstaje, i reakcja na przekroczenie bezpiecznej wartości może być natychmiastowa.

Idąc dalej, firma wprowadziła do głowicy szereg innych czujników monitorujących stan optyki. Mierzona jest np. wilgotność wewnątrz głowicy, która również może wpływać na żywotność soczewek. Szczególnie istotne jest to w sytuacji, gdy laser pracuje dorywczo. Okazuje się bowiem, że często lasery pracujące codziennie wykazują dłuższą żywotność optyki, co tłumaczone jest tym, że warstwy antyrefleksyjne ze względu na swoją skończoną homogeniczność mogą absorbować wilgoć. Wilgoć ta jest absorbowana stosunkowo powoli i jej istotna ilość jest pochłaniana przez soczewkę w ciągu wielu dni. Po dłuższej przerwie w cięciu nagłe oświetlenie soczewki dużą mocą lasera powoduje, że molekuły wody, absorbując energię, momentalnie się rozgrzewają, powodując wzrost naprężeń wewnętrznych w powłokach antyrefleksyjnych i ich mikropęknięcia. Te z kolei stają się początkiem dalszej destrukcji.

Kolejnym czynnikiem mierzonym w głowicach laserów firmy jest ciśnienie wewnątrz komory soczewek. Zdarza się bowiem, że operator nie przykłada wystarczającej uwagi do stanu uszczelki okna zabezpieczającego i gaz tnący może przedostać się z komory dyszy do komory soczewek, co może być dla nich szkodliwe. Dlatego bardzo ważne jest, by na czas wykryć przecieki gazu tnącego i uchronić soczewki przed uszkodzeniem spowodowanym nieszczelnościami.

 

Artykuł ten ukazał się w czasopiśmie

Udostępnij:

Drukuj





Przemysław Kimla



Chcesz otrzymać nasze czasopismo?
Zamów prenumeratę
Zobacz również