Как бороться с факелом при резке фанеры на лазерном станке

Лазерный станок с ЧПУ осуществляет бесконтактную обработку материалов путём воздействия на поверхность заготовки лучом высокой энергии. Поскольку толщина лазерного луча в среднем составляет 0,1 мм, то шов реза на поверхности заготовки получается очень тонким и аккуратным. Это качество особенно ценно при обработке таких непрочных материалов как ткань или бумага. Благодаря тому, что головка лазерного излучателя может совершать над заготовкой сложное пространственное движение (согласно командам системы ЧПУ, формируемым на базе загруженной программы управления), лазерный станок с ЧПУ способен осуществлять фигурную обработку изделий, вплоть до создания сложного объёмного 3D-рельефа.

Помимо скорости и точности готовых изделий, обработка лазером характеризуется полным отсутствием твёрдых отходов (стружки, пыли и т. п.). Под действием энергии лазерного луча, материал поверхности заготовки в зоне обработки нагревается и переходит в газообразное состояние (испаряется). Штатная вытяжная система станка отводит газообразные отходы, которые (после несложной процедуры фильтрации) могут быть выброшены в атмосферу без риска для экологии.

Таким образом, в отличие от механической обработки резанием, на заготовку в лазерном станке с ЧПУ не действуют никакие силы, а только термическая нагрузка. Однако из-за движения головки лазерного излучателя вдоль траектории обработки, основная поверхность заготовки не успевает нагреться — даже при сквозном резании высокую температуру «ощущают» лишь слои, непосредственно прилегающие к зоне обработки. Именно эти качества позволяют, во-первых, обрабатывать на лазерном станке с ЧПУ очень широкую гамму материалов. А во-вторых, обходиться без крепления заготовок на рабочем столе станка (достаточно положить заготовку под собственным весом).

Исходя из этого, к конструкции рабочего стола лазерного станка с ЧПУ предъявляют не столь жёсткие требования (как, например, к рабочему столу фрезерного станка). Стол должен, во-первых, быть негорючим (чаще всего он изготовлен из стали), а во-вторых, не препятствовать отводу тепла и не «вставать на пути» лазерного луча в случае сквозного резания заготовок. Для этого рабочий стол выполняется ячеистым или решётчатым.

Однако, хотя конструкция рабочего стола и всего лазерного станка с ЧПУ в целом предназначена для недопущения или борьбы с «отстрелами» и «факелами», при работе с некоторыми материалами при определённых режимах обработки возможно образование «факелов» — по сути, устойчивых очагов открытого огня.

Такое явление крайне нежелательно, как по требованиям пожарной безопасности, так и для предотвращения порчи заготовки и станка в целом. Ещё раз следует отметить, что хотя лазер и обрабатывает материал путём нагревания и испарения, но всё-таки лазер должен резать материал, а не сжигать его!

Причины появления «факелов»

Огненный факел чаще всего вспыхивает с обратной стороны заготовки («снизу») в месте сквозного выхода лазерного луча. В итоге, вся тыльная сторона заготовки оказывается закопчённой, а края реза, непосредственно прилегающие к обрабатываемому шву, получаются оплавленными или обожжёнными. Качество обработки при этом, естественно, получается неудовлетворительным.

В качестве причин появления «факела» (в нашем примере — при обработке фанерного листа) можно отметить следующее.

1. Нарушение подачи воздуха. Для охлаждения линзы лазерного излучателя станок оборудован системой обдува. По специальной трубочке охлаждающий воздух подаётся непосредственно в зону установки фокусирующей линзы головки излучателя. Стабильный температурный режим позволяет сохранять площадь светового «пятна» неизменной, что очень важно для обеспечения требуемых характеристик точности обработки.

2. Особенности конкретной заготовки. В случае если фанера плохо просушена, «факел», как и «отстрелы» является прямым следствием влажности обрабатываемой древесины. Поскольку предсказуемо корректировать «сырость» фанеры (например, изменением режимов обработки) представляется маловероятным, для обеспечения качества лучше работать только с сухими заготовками.

3. «Садящаяся» лазерная трубка. Лазерный станок с ЧПУ содержит стеклянную трубку с запаянной внутри газовой смесью (СО2, азот и гелий). Эта смесь является активной средой — при подаче напряжения инициирует лазерное излучение. Трубка имеет небольшой срок службы (по сравнению с жизненным циклом лазерного станка в целом) и относится к расходным материалам. Следовательно, со временем её характеристики ухудшаются — снижается и мощность генерируемого лазерного излучения. Поскольку для обеспечения качественной обработки мощность лазера и скорость движения излучателя над заготовкой должны оптимально сочетаться, то при снижении мощности лазера (из-за «стареющей» трубки) следует соответствующим образом корректировать и скорость в настройках управляющей программы.

4. Нарушение фокусировки лазера. На «пути» от генерирующей трубки до поверхности заготовки лазер несколько раз меняет направление, отражаясь в специальных призмах инструментального портала. Такое отражение/преломление обеспечивает возможность перемещения лазерного излучателя над заготовкой, а также диктуется компоновочными соображениями станка (продолговатая лазерная трубка установлена горизонтально, а луч должен «падать» на поверхность заготовки по нормали, т. е. вертикально). Однако любая смена направления происходит не без потерь и ослабляет/искажает лазерный луч. В какой-то момент (например, при загрязнении/повреждении зеркальных призм) вносимая погрешность может оказаться существенной. Простейшим способом проверить «чистоту» луча — на малой мощности «стрельнуть» лазером при снятой фокусирующей линзе на поверхность пробной фанерной заготовки. Световое пятно должно быть идеально круглым без паразитных «звёздочек» и «полумесяцев».

5. Нагар на рейках/ячейках рабочего стола. Частицы сажи являются горючим материалом. Поэтому накопившийся от прошлых обработок нагар или копоть может быть «зажжён» лазерным лучом, проходящим сквозь фанерную заготовку в процессе её сквозной резки. Проблема легко решается путём очистки и обезжиривания рабочего стола лазерного станка с ЧПУ.