Ścieżka optyczna

W nowoczesnej laserowej wycinarce światłowodowej (fiber) wiązka lasera o długości fali około 1064 nm jest doprowadzana do głowicy światłowodem. Na wyjściu ze światłowodu jest ona silnie rozbieżna — można ją sobie wyobrazić jako stożek światła rozszerzający się wraz z odległością od końca włókna.

Średnica rdzenia światłowodu zależy od konstrukcji lasera i może wynosić od kilkudziesięciu do około 100 µm. Zadaniem głowicy jest przekształcenie tej rozbieżnej wiązki w precyzyjnie skupioną plamkę, która dostarczy bardzo dużą gęstość energii do powierzchni ciętego materiału.

Typowa droga wiązki wygląda następująco: światłowód → kolimator → soczewka skupiająca → szkiełko ochronne → dysza → ognisko (punkt geometryczny) → materiał

• Złącze światłowodowe (1) – QBH / Q+ / LLK-D. Pierwszym elementem głowicy jest złącze światłowodowe, np. QBH, Q+ lub LLK-D, zależnie od producenta i zastosowanego systemu. Jego zadaniem jest precyzyjne mechaniczne i optyczne połączenie kabla światłowodowego z głowicą. Musi ono bardzo dokładnie ustawić światłowód względem osi optycznej głowicy. Ma to ogromne znaczenie, ponieważ nawet niewielkie przesunięcie lub zabrudzenie powierzchni optycznej może pogorszyć jakość wiązki, zwiększyć straty energii, a przy dużych mocach doprowadzić do uszkodzenia optyki. Dopuszczalna moc zależy od konkretnego typu złącza, konstrukcji kabla, producenta i całego układu optycznego. W nowoczesnych urządzeniach spotyka się rozwiązania przeznaczone do znacznych mocy.

• Soczewka kolimatora (2) (L1). Po opuszczeniu światłowodu wiązka jest silnie rozbieżna. Pierwszym zadaniem optyki jest jej skolimowanie, czyli przekształcenie w wiązkę o znacznie mniejszej rozbieżności. Służy do tego soczewka kolimatora L1. 
  • Można to przedstawić bardzo prosto: światłowód → wiązka rozbieżna → kolimator → wiązka prawie równoległa. Ogniskowa kolimatora może wynosić np. 75, 100 lub 125 mm, zależnie od konstrukcji głowicy.
  • Ważne jest jednak, aby nie utożsamiać ogniskowej kolimatora bezpośrednio z maksymalną grubością cięcia. Ogniskowa kolimatora wpływa przede wszystkim na geometrię wiązki i jej średnicę w dalszej części układu optycznego. Wraz z soczewką skupiającą określa ona m.in. średnicę ogniska, głębię ostrości oraz geometrię wiązki za ogniskiem.
  • Optyka wykonana jest najczęściej z materiałów odpowiednich dla długości fali około 1064 nm, np. stopionej krzemionki (fused silica), i posiada powłoki antyrefleksyjne AR. Przy dużych mocach jakość powłok oraz czystość powierzchni optycznych mają szczególnie duże znaczenie.

• Soczewka skupiająca (3) (L2). Prawie równoległa wiązka trafia na soczewkę skupiającą L2. To ona odpowiada za skoncentrowanie energii lasera w bardzo małym obszarze.

  Schematycznie: wiązka równoległa → soczewka skupiająca → ognisko (punkt geometryczny). W pobliżu ogniska średnica wiązki może wynosić zaledwie około 0,1–0,3 mm, choć rzeczywista wartość zależy m.in. od jakości wiązki lasera, średnicy wiązki padającej na soczewkę, jej ogniskowej oraz konstrukcji całego układu. Właśnie w tym niewielkim obszarze uzyskuje się ogromną gęstość mocy. Typowe ogniskowe soczewek skupiających stosowanych w głowicach do cięcia to m.in. 125, 150, 200 lub 250 mm.

  • Krótsza ogniskowa – np. 125 mm. Daje możliwość uzyskania bardzo małej plamki i wysokiej gęstości mocy. Zalety: mała średnica ogniska, wysoka gęstość mocy, bardzo dobre warunki do cięcia cienkich materiałów, możliwość uzyskania wysokiej precyzji. Wadą jest mniejsza głębia ostrości, dlatego dokładne ustawienie wysokości i położenia ogniska ma większe znaczenie.
  • Dłuższa ogniskowa – np. 200 mm. Pozwala uzyskać większą głębię ostrości i korzystniejszą geometrię wiązki w przypadku niektórych zastosowań związanych z grubszymi materiałami. Zalety: większa tolerancja na zmianę odległości głowicy od materiału, większa głębia ostrości, korzystniejsza geometria wiązki przy cięciu grubszych materiałów. Jednocześnie plamka może być większa, a gęstość mocy niższa niż przy krótszej ogniskowej. Dlatego wybór ogniskowej jest kompromisem między średnicą plamki, głębią ostrości, geometrią wiązki i wymaganiami konkretnego procesu.

Nie można więc powiedzieć, że soczewka 125 mm jest „do 6 mm", a 200 mm „do grubych blach" jako uniwersalnej zasady. Dobór zależy również od mocy lasera, jakości wiązki, materiału, gazu, dyszy i parametrów cięcia.

• Szkiełko ochronne (4) (cover glass). Kolejnym elementem jest szkiełko ochronne, często nazywane cover glass. Jest to wymienny element eksploatacyjny, którego zadaniem jest przede wszystkim ochrona znajdującej się wyżej optyki głowicy przed:
  • odpryskami stopionego metalu,
  • dymem i oparami,
  • pyłem,
  • produktami spalania,
  • innymi zanieczyszczeniami powstającymi podczas cięcia.

Szkiełko ochronne (cover glass) znajduje się w strefie, w której może być narażone na zabrudzenie, dlatego jego stan należy regularnie kontrolować. Nawet niewielka warstwa zanieczyszczenia może pochłaniać część energii lasera. Przy dużej mocy prowadzi to do nagrzewania szkła, pogorszenia jakości wiązki, a w skrajnym przypadku do uszkodzenia elementu. Dlatego cover glass jest elementem stosunkowo łatwym i tanim do wymiany w porównaniu z główną optyką głowicy.

• Dysza (5) (nozzle). Jest ostatnim elementem znajdującym się bezpośrednio przed materiałem jest dysza. Dysza, jej końcówka utrzymuje odległość ~ 0,5–2 mm od powierzchni blachy Ma ona zazwyczaj centralny otwór o średnicy dobranej do konstrukcji głowicy, rodzaju gazu i parametrów procesu. W praktyce spotyka się różne średnice, np. około 0,8–3 mm. Ognisko (punkt skupienia wiązki) leży na powierzchni materiału, czyli poniżej końcówki dyszy. Wiązka przechodzi przez otwór dyszy, a dopiero na materiale osiąga minimalną średnicę plamki. Dysze głowic wycinarek laserowych są budowane głównie z miedzi oraz jej stopów, takich jak miedź tellurowa czy mosiądz. Miedź zapewnia doskonałą przewodność cieplną i elektryczną, co pozwala na szybkie odprowadzanie ciepła, jednak jest miękka i podatna na szybsze zużycie. Miedź tellurowa jest ulepszoną odmianą oferującą wyższą twardość i odporność na odkształcenia przy zachowaniu dobrych właściwości termicznych. Mosiądz (stop miedzi i cynku) charakteryzuje się lepszą wytrzymałością mechaniczną i odpornością na korozję, choć ma niższą przewodność cieplną niż czysta miedź. Wersje premium często posiadają powłoki z srebra lub niklu (na miedzi) lub ceramikę, które zwiększają trwałość, odporność na utlenianie i gładkość powierzchni. 

Materiał / powłoka	Główne zalety	Słabsze strony / kompromisy
Czysta miedź	Doskonała przewodność cieplna i elektryczna, szybkie odprowadzanie ciepła	Miękka, podatna na szybkie zużycie mechaniczne
Miedź tellurowa	Wyższa twardość, wysoka odporność na odkształcenia, dobre właściwości termiczne	Droższa w produkcji niż czysta miedź
Mosiądz	Świetna wytrzymałość mechaniczna, wysoka odporność na korozję	Niższa przewodność cieplna niż czysta miedź
Powłoki Premium (Srebro, nikiel, ceramika)	Ekstremalna trwałość, odporność na utlenianie, idealna gładkość powierzchni	Duży koszt zakupu komponentu

Gaz technologiczny

Przez dyszę przepływa gaz technologiczny. Jego zadaniem jest przede wszystkim usuwanie stopionego materiału ze szczeliny cięcia. Strumień gazu pomaga również utrzymać właściwe warunki procesu i ogranicza przedostawanie się produktów cięcia w kierunku optyki. Wiązka lasera i strumień gazu są prowadzone współosiowo. Gaz wypływający z dyszy tworzy strumień koaksialny z wiązką światła, wypycha stopiony materiał ze szczeliny i chroni soczewkę przed odpryskami.

• Rodzaje gazów
  • Azot (N₂). Jest często stosowany przy cięciu stali nierdzewnej i aluminium, a także innych materiałów, gdy zależy nam na ograniczeniu utleniania krawędzi. Przy cięciu stali konstrukcyjnej również może być stosowany, szczególnie gdy wymagana jest czysta, pozbawiona warstwy tlenków krawędź.
  • Tlen (O₂). Jest często stosowany do cięcia stali węglowych, np. stali konstrukcyjnych. Tlen nie tylko usuwa stopiony materiał, ale również uczestniczy w reakcji utleniania żelaza. Reakcja ta dostarcza dodatkowej energii cieplnej, dzięki czemu możliwe jest efektywne cięcie stosunkowo grubych blach. Krawędź po cięciu tlenem jest jednak utleniona.
  • Powietrze. Powietrze może być stosowane jako tańszy gaz technologiczny, szczególnie w przypadku mniej wymagających zastosowań i cieńszych materiałów. Jego skład różni się od czystego azotu lub tlenu, dlatego parametry procesu i jakość krawędzi mogą być inne. W niektórych zastosowaniach pozwala jednak znacząco ograniczyć koszt eksploatacji.

Głowica lasera światłowodowego nie jest więc tylko zwykłym „uchwytem na soczewkę”. Jest precyzyjnym układem optycznym, mechanicznym i gazowym, którego zadaniem jest doprowadzenie energii lasera do bardzo małego obszaru materiału oraz zapewnienie odpowiednich warunków do jego kontrolowanego usunięcia.

Co dzieje się w miejscu cięcia

Po przejściu przez wszystkie elementy optyczne wiązka zostaje skupiona na powierzchni materiału. W ognisku energia lasera jest skoncentrowana na bardzo małym obszarze. Materiał szybko się nagrzewa, topi, a następnie jest usuwany ze szczeliny przez strumień gazu. W przypadku cięcia stali z tlenem dodatkowo zachodzi intensywne utlenianie materiału, które dostarcza dodatkowej energii cieplnej. Powstaje w ten sposób szczelina cięcia (kerf), przez którą głowica może przesuwać się wzdłuż zaprogramowanego konturu. Cały proces można więc uprościć do:

laser → światłowód → kolimator → optyka ochronna → soczewka skupiająca → ognisko → stopienie materiału → gaz usuwa stopiony materiał → powstaje szczelina cięcia

Od czego zależy jakość i maksymalna grubość cięcia

Sama moc lasera nie określa możliwości parametrów wycinania. Na rezultat wpływa jednocześnie wiele parametrów:

• moc lasera,
• jakość wiązki i parametr M² (czynnik jakości wiązki),
• średnica wiązki,
• ogniskowa kolimatora,
• ogniskowa soczewki skupiającej,
• średnica i geometria dyszy,
• rodzaj gazu,
• ciśnienie gazu,
• położenie ogniska względem materiału,
• prędkość cięcia,
• rodzaj materiału,
• jego gatunek i stan powierzchni,
• konstrukcja samej głowicy.

Z uwagi na powyższe, dwie maszyny wyposażone w laser o tej samej mocy mogą osiągać różne rezultaty.

Temperatury w procesie cięcia laserowego

Temperatura w ognisku wiązki - w samym punkcie skupienia (plamka ~0,1–0,3 mm) gdy gęstość mocy przekracza 10⁶ W/cm², lokalnie generuje temperatury rzędu 10 000–30 000 °C. Czyli znacznie powyżej temperatury wrzenia każdego metalu. To właśnie w tym punkcie materiał odparowuje i tworzy kipiel. 

Materiał	Temperatura topnienia	Temperatura wrzenia	Gaz	Uwagi
Stal węglowa (S235, S355)	~ 1 370 – 1 510 °C	~ 2 862 °C	O₂ lub N₂	Reakcja spalania z O₂ dodaje ~500–1000 °C energii
Stal nierdzewna (304, 316)	~ 1 400 – 1 450 °C	~ 2 550 – 3 000 °C	N₂	Brak reakcji egzotermicznej → czystsze cięcie
Aluminium (5052, 6061)	~ 660 °C	~ 2 470 °C	N₂	Niska temp. topnienia, ale wysoka przewodność (237 W/m·K) rozpraszająca ciepło
Miedź	~ 1 085 °C	~ 2 562 °C	N₂ / O₂	Ekstremalna odbijalność (~ 95% przy 1064 nm)

Strefy wpływu ciepła (HAZ), wokół samej szczeliny temperatura spada szybko:

• Bezpośrednio przy krawędzi (0,1–0,5 mm od osi cięcia): 800–1 200 °C — strefa nadtopiona (resolidyfikacja).
• Dalsza strefa HAZ (0,5–2 mm): 180–500 °C — zmiana struktury kryształu (np. wytrącanie martensytu w stali węglowej).
• Poza HAZ (>2 mm): < 100 °C — praktycznie brak wpływu.
• W badaniach nad stalą nierdzewną (duplex) zmierzono temperaturę w strefie szczeliny na poziomie 180–500 °C (zależnie od mocy lasera 700–1100 W), co potwierdza, że poza samą linią topnienia gradient temperatury jest bardzo stromy.
• Dlaczego aluminium jest trudniejsze do cięcia. Choć aluminium topi się już przy 660 °C (w porównaniu ~1 400 °C dla stali), jego przewodność cieplna jest ~3 × wyższa niż stali. Ciepło ucieka od strefy cięcia tak szybko, że wymaga się 25–40% większej gęstości mocy niż dla stali nierdzewnej. Strefa wpływu ciepła (HAZ) jest szersze (0,2–0,4 mm w porównaniu 0,1–0,2 mm dla stali), odbijalność większa. 

HAZ (Heat Affected Zone), po polsku strefa wpływu ciepła (SWC) to obszar materiału bazowego, który nie uległ stopieniu, ale został nagrzany do temperatury wystarczającej, by zaszły w nim przemiany mikrostrukturalne i zmiany właściwości mechanicznych. 

Porównanie technologii - laser światłowodowy (fiber) a laser CO₂

Cecha	Laser światłowodowy	Laser CO2
Długość fali	1,064 µm	10,6 µm
Prowadzenie wiązki	Elastyczny światłowód	Sztywny układ luster
Kolimator	Wymagany (wiązka rozbieżna)	Niepotrzebny (wiązka już równoległa)
Absorpcja w stali	~ 95 %	~ 50 %
Efektowność elektryczna	~ 30 – 40%	~ 8 – 12 %
Konserwacja	Minimalna	Regularna regulacja luster
Zastosowanie	Cięcie stali oraz innych metali	Cięcie materiałów niemetalowych

O nazwie laser światłowodowy (fiber)

Nazwa laser światłowodowy to poprawna nazwa w polskiej nomenktaturze technicznej, zastępująca łamaniec językowy - laser fiber. Nazwa fiber pochodzi bezpośrednio z języka angielskiego, w którym słowo fiber (lub brytyjskie fibre) oznacza włókno. W kontekście technologicznym odnosi się to do światłowodu (ang. optical fiber). Dlatego laser tego typu tak się nazywa, ponieważ całe serce tego urządzenia, czyli miejsce, w którym powstaje i jest wzmacniana wiązka lasera – bazuje na elastycznym włóknie szklanym. Oto dlaczego ta konstrukcja otrzymało slangową nazwę - laser Fiber. W tradycyjnych laserach (CO₂) wiązka powstaje w szklanej rurze wypełnionej gazem. W laserze światłowodowym, medium czynnym jest specjalnie przygotowane, cienkie jak włos włókno krzemionkowe, domieszkowane pierwiastkami ziem rzadkich (np. erbem, ytterbem). W takim laserze nie ma potrzeby stosować luster, światło nie musi być odbijane za pomocą skomplikowanego układu luster, lecz jest prowadzone wewnątrz elastycznego przewodu światłowodowego bezpośrednio do głowicy tnącej.

#Budowagłowicylaserowej

---

Uwaga - wszelkie treści na blogu jarecki.pl powinny być traktowane jako subiektywna ocena tematu dokonana przez autora tekstu, Może to stanowić punkt wyjścia do zainteresowania się i zrozumienia zagadnienia, jednak nie zastąpi własnej pogłębionej analizy i oceny. 

Grafika tytułowa wygenerowana przez model AI OpenAI (ChatGPT / DALL·E).

---