Влияние оптической системы на качество лазерной резки

Чтобы понять влияние оптической схемы на качество резки, рассмотрим в деталях структуру оптического инструмента (лазерный луч) при обработке поля и рабочую зону (рис. 10). В случае фокусировки многомодового лазерного излучения с однородным распределением интенсивности света, можно использовать классическую теорию дифракции для расчета ширины и распределения лазерного луча. Наиболее важным является то, что при фокусировке (обработке) на плоскости имеется дифракционное распределение (описывается функцией Бесселя), которое состоит из центрального максимума с размером (m – номер максимально генерируемого режима) и 84% от полной энергией сосредоточено в этом пятне. Другие 16% содержатся в максимумах высших порядков. Это означает, что передняя облученная сторона окружена d₀ волнами дифракционного (или Гауссовой для одномодового лазера) распределения. Это может привести к плавлению передней стороны TMT вокруг дыры (радиус R, рис.7) и увеличению ЗТВ.

Давайте далее вычислим плотность мощности на противоположной стороне TMT. Глядя на рис. 10 мы легко можем построить соотношения , где D₀ – диаметр светового пучка на фокусирующей линзе, D_t – диаметр TMT, h_t – толщина TMT, 2/3 h_t означает, что фокус лазерного луча лежит внутри стены.

Рис. 10. Типичная структура лазерного пучка в зоне обработки.

Рис. 11. Идеальная структура лазерного пучка в зоне обработки.

Расчет r_op при D₀ = 20 мм, F = 25 мм, D_t = 0,05 дюйма (1,37 мм), h_t = 0,005 дюйма (0,127 мм) дает 0,58 мм, при котором q_op для пика равна 0,5∙10⁵ Вт/см² (при W₁ = 0,5∙10^-3 Дж). Это немного меньше, чем порог плавления для обычных пиков, но более чем достаточно, чтобы нагреть и даже расплавить противоположную сторону в большом пике или после воздействия некоторых из них в начале процесса (при лазерном воздействии, несинхронизированным с началом движения трубки).

Коническая форма лазерного луча также помогает появлению жидких фаз и аберраций разреза поперечного сечения.

Сферическая форма поперечного сечения пучка не так важна при столь большом перекрытии р ≈ 9, если неровности δ малы, но и она не может помочь улучшить качество кроя, особенно в случае максимальной производительности (скорость перемещения), где р следует быть меньше, а δ больше.

Теперь мы можем заключить, что использованная оптическая система, может вызвать следующие недостатки:

• оплавление передней поверхности вокруг реза и, соответственно, коническая форма реза,

• прожиг или даже плавление облученной области на противоположной стороне трубки