Влияние температуры охлаждающей жидкости на параметры работы лазерной трубки станка с ЧПУ

Лазерные станки с ЧПУ обеспечивают отличное качество резки и гравировки заготовок из самых разных материалов. Однако при очень низкой удельной стоимости обработки для газовых лазеров (именно такие лазерные трубки используются в недорогих моделях станков) их существенным недостатком является повышенное тепловыделение.
Температура лазерной трубки напрямую влияет на стабильность генерируемого ею излучения и общую продолжительность работы (ресурс). Чем выше рабочая температура трубки, тем меньше её ресурс. Поскольку лазерные трубки относятся к категории «расходных материалов», их замена требует финансовых затрат. Следовательно, значительное падение ресурса приведёт к необходимости более частой замены лазерной трубки, что обязательно скажется на уменьшении общей прибыли предприятия.
Практикой доказано, что мероприятия по снижению температуры лазерной трубки благоприятно сказываются на продлении её рабочего ресурса. Нормальной рабочей температурой считается 20-23 °С. Хотя в любом случае температура трубки не должна превышать 30 °С, иначе её ресурс сократиться почти вдвое!
Принудительное охлаждение лазерной трубки
Любая модель лазерного станка с ЧПУ оснащена системой охлаждения. Стеклянная колба лазерной трубки имеет двойные стенки («колба в колбе»), полость между которыми используется для прокачки охлаждающей жидкости. Подачу жидкости осуществляет водяной насос. Система имеет бак для хранения жидкости (и одновременно её охлаждения – путём смешения с основной массой холодной воды в баке) и соединительные магистрали (подающую – от насоса к лазерной трубке, и сливную – от лазерной трубки обратно в бак).
В целом, такая несложная система обеспечивает приемлемое рассеивание тепла и позволяет поддерживать стабильную температуру лазерной трубки в рамках рабочего диапазона. Однако проблемы могут возникнуть тогда, когда повышается загрузка лазерного станка. К примеру, гравировка небольшой заготовки может протекать без перегрева трубки. А вот сквозная резка толстых плит, да ещё в течение всей смены без остановки станка, уже потребует значительной интенсивности рассеивания избыточного тепла охлаждающей системой!
Следует отметить, что способность рассеивать тепло для различных систем охлаждения сильно разниться. Так называемая «пассивная система охлаждения» удаляет избытки тепла простым смешением жидкости из лазерной трубки с основной массой запаса воды в ёмкости (и/или её естественным остыванием на воздухе). При перегреве жидкости от оператора станка требуется либо остановка процесса обработки и выжидание пока вся жидкость охладиться, либо долив в бак холодной воды (с визуальным контролем температуры).
Этот процесс достаточно трудоёмкий и неудобный. Более продуктивным является использование чиллера – специального радиатора с активным охлаждением (и автоматическим контролем и поддержанием рабочей температуры жидкости). В принципе чиллер позволяет устанавливать и с высокой точностью поддерживать любую температуру (из диапазона его рабочих значений) – независимо от нагрузки на лазерный станок и, следовательно, нагрева жидкости на выходе из лазерной трубки.
А если «уйти в минус»?
Возможность поддержания (безразлично каким способом) заданной температуры жидкости в системе охлаждения лазерного станка открывает заманчивые перспективы. Что если работать со «сверхнизкими» температурами (ближе к нулю), или даже отрицательными? (к примеру, использование раствора этиленгликоля вместе воды поможет избежать его замерзания и/или появления кристаллов при низких температурах)
Идея понижения рабочей температуры лазерной трубки хорошо известна. Доказано значительное повышение мощности и стабильности излучения газового лазера при его значительном охлаждении. Опыты с лазерными трубками советского производства позволяли увеличить мощность излучения с 20 Вт (для отслуживший срок трубки) до более чем 100 Вт (!) при понижении рабочей температуры с +20 °С до -15 °С.
Однако в конструкции таких трубок присутствовала механическая отвязка оптического резонатора. Этого нет у стеклянных СО2-трубок китайского производства (основного источника лазерного излучения для большинства моделей станков с ЧПУ). Но принципиально суть остаётся прежней – физическая закономерность увеличения мощности при понижении рабочей температуры лазерной трубки является доказанной. К тому же отрицательные температуры замедляют дегенерацию активной газовой среды, запаянной в трубке, что значительно повышает общий ресурс агрегата в целом.
Эксперименты с лазерным станком
Повышение ресурса лазерной трубки для обычного станка, используемого в коммерческих целях (к примеру, для производства рекламных материалов), безусловно, является желательным эффектом. Но достижимо ли оно за счёт понижения температуры охлаждающей жидкости ниже нуля?
На практике существенное снижение температуры жидкости достигалось при использовании самодельных систем, в которых активным охладителем служит холодильник, в который помещён теплообменник. Сквозь этот теплообменник пропускается жидкость из системы охлаждения лазерного станка (для этого в стенке холодильника предусмотрены специальные отверстия под отводящий и подающий шланги). За счёт интенсивного охлаждения температуру жидкости можно опустить до +5-10 °С.
Работа лазерного станка с такой системой охлаждения наблюдалась в течение длительного периода (от полугода). Было отмечено повышение качества гравировки изделий, увеличение мощности уже не новой лазерной трубки (по косвенным признакам – приходилось снижать мощность обработки для многократно опробованных условий и материалов). Скорость процесса обработки заготовок также увеличивалась. И не менялась на протяжении длительного времени – что свидетельствует о повышении общей стабильности излучения, генерируемого лазерной трубкой.
Проблемы дальнейшего охлаждения
Однако работа с отрицательными температурами для большинства моделей лазерных станков с ЧПУ всё же оказывается невозможной.
Во-первых, не каждый источник охлаждения сможет обеспечить понижение рабочей температуры охлаждающей жидкости ниже нуля. Если даже такое охлаждение будет возможно, затраты энергии наверняка перекроют возможный положительный эффект.
Во-вторых, сама конструкция стеклянных лазерных трубок китайского производства не допускает значительного охлаждения без отрицательного влияния температуры на оптический резонатор.
В-третьих, повышение мощности трубки при её охлаждении требует больших расходов энергии от питающего трубку «блока розжига». А повышение нагрузки на него вполне может вызвать пробой электрических компонентов – с риском ощутимого взрыва блока!
И в-четвертых, понижение температуры трубки при определённом давлении и влажности в рабочем помещении может вызвать образование конденсата (при достижении точки росы для данных условий), что негативно скажется на отражающей способности зеркал лазерного станка и нарушит его юстировку. Конечно, для удаления конденсата можно сконструировать автономную систему подогрева зеркал оптической системы. Но будет ли оправдана столь серьёзная модификация компактного и в целом недорогого лазерного станка с ЧПУ?..
Таким образом, эксперименты с охлаждением лазерной трубки нельзя доводить до крайностей. Если речь идёт о коммерческом использовании, гораздо важнее позаботиться о стабильном температурном режиме системы охлаждения (нагрев воды не выше 17-23 °С при любых режимах и продолжительности эксплуатации лазерного станка с ЧПУ в течение смены).


Оцените информацию
Средняя оценка : 4.8
Голосов : 4
4.75 4

Большой выбор лазерных станков в нашем интернет-магазине

WATTSAN micro 0203
60 000 RUB
WATTSAN 0503
172 000 RUB
WATTSAN 6090 LT
291 000 RUB
RABBIT 6090 SGC
513 000 RUB
RABBIT 1290 SC
404 000 RUB
WATTSAN 1610 ST
424 000 RUB
RABBIT 1690 SG
580 000 RUB
RABBIT FB 1626
1 185 000 RUB
Смотреть все
Яндекс.Метрика