Коллиматорные и фокусирующие линзы в пистолетах для лазерной сварки и очистки

• Принцип работы и значение коллиматорной линзы
• Роль фокусирующей линзы в формировании сварочной зоны
• Влияние фокусировки на плотность энергии
• Защитное стекло - первый рубеж оптики
• Типичные неисправности и способы устранения
• Тепловые и эксплуатационные факторы
• Подбор оптической конфигурации под задачу
• Практические советы по эксплуатации

Две ключевые составляющие оптической схемы - коллиматорная и фокусирующая линза. Первая выравнивает пучок, превращая его из расходящегося в параллельный, а вторая собирает этот поток в точку нужного диаметра. При правильной настройке они обеспечивают баланс между мощностью, глубиной проникновения и стабильностью луча.

1. Принцип работы и значение коллиматорной линзы

Коллиматорная линза расположена в начале оптической системы пистолета и служит для преобразования расходящегося пучка, поступающего из волокна, в параллельный луч. От качества её изготовления зависит, насколько равномерным будет распределение энергии по сечению пучка и насколько эффективно последующая фокусировка.

Главные требования к коллиматору - высокая прозрачность в рабочем диапазоне длин волн, минимальные аберрации и точное совпадение оптической оси с выходом волокна. Небольшое смещение линзы может привести к несимметрии пятна, увеличению диффузии и потере плотности энергии.

Коллиматор также задаёт диаметр луча, с которым работает фокусирующая линза. При увеличении этого диаметра повышается глубина фокуса, но возрастает чувствительность к загрязнениям и отклонениям в выравнивании.

2. Роль фокусирующей линзы в формировании сварочной зоны

Фокусирующая линза собирает параллельный пучок в точку, создавая требуемую концентрацию энергии. От фокусного расстояния зависит диаметр пятна и, соответственно, плотность мощности, глубина проникновения и характер теплового воздействия на материал.

2.1. Сравнение коротких и длинных фокусных расстояний

Параметр	Короткое фокусное расстояние	Длинное фокусное расстояние
Диаметр пятна	Меньше	Больше
Плотность энергии	Выше	Ниже
Глубина сварки	Глубже	Мелее
Зона термического влияния	Узкая	Шире
Требования к точности позиционирования	Высокие	Умеренные

Для сварки тонких металлических листов предпочтительно использовать линзы с длинным фокусом, чтобы избежать прожогов и деформации. А при работе с массивными заготовками лучше подходит короткий фокус — он обеспечивает глубокое проплавление и минимальную потерю мощности.

3. Влияние фокусировки на плотность энергии

Связь между мощностью лазера, диаметром пятна и плотностью энергии выражается просто: чем меньше диаметр фокусного пятна, тем выше концентрация энергии на единице площади.

Пример: при мощности 500 Вт и диаметре пятна 0,5 мм плотность энергии составит около 2500 Вт/мм². Если тот же луч сфокусировать в точку диаметром 0,3 мм, показатель вырастет почти в три раза. Это увеличивает глубину сварки, но требует более точного контроля, чтобы избежать прожога и перегрева.

Фокусное расстояние также определяет «глубину фокуса» - диапазон, в котором луч остаётся эффективным. Длиннофокусные системы прощают небольшие ошибки по высоте, что удобно в ручной сварке. В автоматизированных установках с точным позиционированием можно использовать короткие фокусы для максимальной плотности энергии.

4. Защитное стекло - первый рубеж оптики

Фокусирующая линза в пистолете защищена тонким оптическим стеклом - "защитной линзой". Она принимает на себя всё, что может повредить оптику: брызги расплавленного металла, пыль, дым, продукты горения и микрочастицы.

Со временем на защитном стекле появляется налёт, микротрещины, потускнение или разрушение антибликового покрытия. Всё это снижает пропускание лазерного излучения и нарушает равномерность пятна. Поэтому защитное стекло требует регулярной замены или бережной очистки.

4.1. Признаки необходимости замены

• Потеря мощности на выходе пистолета.
• Расширение фокусного пятна.
• Появление размытых или неоднородных швов.
• Повышенное разбрызгивание при сварке.

4.2. Этапы замены защитного стекла

1. Полностью отключить оборудование.

2. Снять защитный кожух пистолета.

3. Аккуратно извлечь картридж или держатель стекла.

4. Очистить посадочное место от пыли и частиц.

5. Установить новое стекло без перекосов, не касаясь поверхности пальцами.

6. Собрать пистолет и провести тестовую сварку.

4.3. Рекомендации по уходу

• Не использовать абразивные салфетки или агрессивные жидкости.
• Протирать линзу только безворсовыми материалами, смоченными изопропиловым спиртом.
• Хранить запасные стекла/линзы в герметичных контейнерах с мягкими вставками.
• После каждой смены проверять чистоту оптики.

5. Типичные неисправности и способы устранения

Симптом	Возможная причина	Решение
Потеря мощности	Загрязнение защитного стекла	Очистить или заменить стекло
Размытый луч	Смещение фокуса, перегрев линзы	Проверить крепления, отрегулировать фокус
Неравномерный шов	Нарушение коллимации	Проверить выравнивание коллиматорной линзы
Прожоги и разбрызгивание	Слишком короткий фокус или высокая мощность	Увеличить фокусное расстояние, скорректировать параметры
Искривление шва	Дефект оптического покрытия	Заменить линзу или оптический блок

6. Тепловые и эксплуатационные факторы

Во время работы оптические элементы подвергаются значительным тепловым нагрузкам. Перегрев может вызвать деформацию линз и смещение фокуса. Чтобы избежать этого, пистолеты оснащают воздушным или водяным охлаждением.

Чрезмерное загрязнение приводит к локальному нагреву и растрескиванию стекла. Даже небольшое пятно сажи способно поглотить часть лазерного потока и вызвать микровзрыв на поверхности линзы. Поэтому чистота оптики - не просто вопрос эстетики, а фактор безопасности и ресурса оборудования.

7. Подбор оптической конфигурации под задачу

Выбор линз зависит от конкретного применения — сварка, очистка, резка или наплавка. Ниже приведены типовые рекомендации.

Тип задачи	Рекомендуемое фокусное расстояние	Особенности
Ручная сварка	100–150 мм	Больше глубина фокуса, меньше риск прожога
Автоматизированная сварка	60–100 мм	Высокая плотность энергии, стабильное проплавление
Лазерная очистка	400–800 мм	Контроль плотности потока, равномерное распределение энергии

8. Практические советы по эксплуатации

1. Проверяйте фокусную настройку после каждой замены линз или стекла.

2. Не допускайте работы пистолета без защитного стекла - оптика быстро выйдет из строя.

3. Храните запасные линзы в сухом месте, вдали от источников вибраций.

4. Раз в неделю выполняйте тест мощности - снижение более чем на 10% говорит о необходимости обслуживания.

5. Проводите профилактическую чистку, даже если визуально линзы и стекла кажутся чистыми: микроскопическая пыль не видна, но снижает прозрачность.

---

Коллиматорные и фокусирующие линзы — это не просто детали внутри пистолета, а элементы, от которых напрямую зависит эффективность и стабильность лазерного процесса. Их правильный выбор, установка и регулярное обслуживание позволяют обеспечить стабильную сварку, равномерное проплавление и долгий срок службы оборудования.

Только при сочетании качественной оптики, чистоты, точной настройки и своевременной замены защитного стекла лазерный пистолет способен работать с максимальной отдачей и без потерь мощности. Забота о линзах — это забота о качестве всей технологии.