Глубокая гравировка металла волоконным лазером: проходы, частота, энергия импульса и очистка

Как лазер «съедает» металл

Металл плохо поддаётся гравировке: он быстро отводит тепло. Поэтому для этого нужны импульсные лазеры, а не непрерывные. По описанию в Википедии, лазеры с высокой пиковой мощностью и короткими импульсами удаляют материал с поверхности, не расплавляя её на всю глубину. Излучение CO2 с длиной волны 10,6 мкм металл в основном отражает, а иттербиевые волоконные лазеры на 1064 нм поглощаются лучше, поэтому гравируют металл именно они.

Каждый импульс выбивает микроскопическую порцию материала. Весь процесс складывается из трёх чисел: сколько энергии в импульсе, сколько импульсов приходится на квадратный миллиметр и сколько проходов вы делаете.

Энергия импульса и частота

Энергию импульса не нужно искать в паспорте: её считают.

E (мДж) = P (Вт) / f (кГц)

Проверим на паспортных данных. Например, в карточке маркера Wattsan FL TT с Q-switch источником указаны мощность до 100 Вт, частота 80–120 кГц и энергия импульса 1,25 мДж. Считаем: 100 Вт / 80 кГц = 1,25 мДж. Для 20 Вт на 30 кГц получается 0,67 мДж, в карточке 0,66. Для 50 Вт на 50 кГц получаем 1 мДж, и это тоже в списке. Цифры сходятся, значит формулой можно пользоваться.

В таблице видно главное различие. У Q-switch источника частота привязана к узкому диапазону, значит энергию импульса сильно не поменять. У MOPA диапазон частот огромный: 100 Вт при 50 кГц дают те же 2 мДж, а при 200 кГц уже 0,5 мДж. Для глубины нужны сильные импульсы, и у MOPA есть запас, но на Q-switch он тоже работает.

Что даёт частота на практике, описывает документация LightBurn: при низкой частоте импульсов меньше и каждый мощнее, при высокой их больше, но слабее. Самые ровные метки чаще получаются на средних значениях диапазона источника. Точная зависимость зависит от станка, материала, скорости и интервала.

Число проходов и время

За один проход лазер снимает очень мало. Глубину вашего режима нужно измерить, а не искать в таблицах. Сделайте тест: квадрат 10×10 мм, режим на 20 проходов, затем замерьте дно глубиномером или индикатором. Поделите глубину на число проходов и получите скорость съёма в микронах за проход.

Дальше арифметика. Допустим, тест показал 4 мкм за проход. Для канавки 0,2 мм нужно 50 проходов. Если одна заливка поля занимает 30 секунд, работа займёт 25 минут. Если интервал линий увеличить с 0,02 до 0,04 мм, время одного прохода падает вдвое, но поверхность дна станет рельефнее. Это пример расчёта, а не паспортное значение: свои 4 мкм вы определяете тестом.

Режимы на разных станках отличаются сильно, поэтому записывайте в карточку материала: источник, мощность, частоту, скорость, интервал, число проходов, глубину.

Интервал, скорость и угол штриховки

В EZCAD и LightBurn параметры для заливки такие:

• Скорость. Чем ниже скорость, тем больше импульсов на миллиметр линии. Для глубокой гравировки скорость обычно ниже, чем для маркировки: сотни миллиметров в секунду, а не тысячи.
• Интервал. Расстояние между соседними линиями штриховки. Слишком большой оставляет гребни между линиями, слишком малый перегревает дно.
• Угол штриховки. Если все проходы идут в одном направлении, на дне остаются борозды. По документации LightBurn, параметр Angle Increment поворачивает направление между проходами: например, при начальном 0° и шаге 30° проходы идут под углами 0°, 30°, 60°, 90° и так далее. Шаг 90° даёт перекрёстную штриховку.
• Число проходов. Задаёт глубину.

Если ваша программа умеет, включите автоповорот угла между запусками, чтобы изнашивание не шло по одним и тем же линиям.

Очистка канавки

По мере углубления расплав и конденсат оседают на дне и стенках. Они экранируют луч, и съём падает. Приёмы, которые работают:

• Поворот штриховки между проходами выравнивает дно и выбивает наплывы.
• Очищающие проходы. LightBurn предлагает для 3D-гравировки очищающий подслой: он идёт через заданное число основных проходов, с более плотным интервалом, высокой частотой и меньшей мощностью. Это же работает и для обычной глубокой заливки.
• Обдув. Блогер «Левша» в одном из роликов разбирает, почему металл «запекается обратно» при резке на лазерном маркере и что делать, когда воздуха из компрессора не хватает. Вывод для гравировки тот же: расплав нужно уносить потоком воздуха, а не дожигать.
• Перерывы. Глубокая гравировка греет деталь. Для тонкой заготовки между проходами делают паузы.

Мощность и класс станка

Мощность определяет скорость съёма, а не возможность. Станок на 20 Вт углубится в сталь, но за очень много проходов. По паспортам: у моделей Wattsan FL TT и FL ST источники 20–100 Вт, у FL Compact 20–60 Вт, у конвейерного FL FM — до 300 Вт, а у Zerder Lite и Zerder Ray — 20–50 Вт. Если регулярная работа — штампы, матрицы и глубокие шильдики, имеет смысл смотреть на 50–100 Вт. Для мелкой персонализации хватает 20–30 Вт.

В классе настольных маркеров с полем 200×200 мм это Wattsan FL TT, FL ST и Zerder Ray. Если нужна и цветная маркировка, смотрят на MOPA-версии, например FL TT JPT M7. Подробнее о сравнении моделей — в рейтинге маркеров.

Что гравируют на глубину

На закалённых сталях не гоните тепло: перегрев меняет твёрдость вокруг метки. Для ножей и инструмента ограничивайте число проходов подряд и делайте паузы.