Vývoj vysoce výkonných laserových zdrojů pro průmysl

Abstraktní

  Navzdory vynálezu a dostupnosti širokého spektra laserových zdrojů se do průmyslových aplikací dostalo jen velmi málo typů, což velmi často vyžaduje spolehlivý chod s třemi směnami, vysokou provozní dobu a nízké provozní náklady. Po dlouhou dobu dominoval plynový laser CO2 v oblasti zpracování vysoce výkonných materiálů a stále drží 41,1% největšího podílu na trhu v této oblasti. Nejmodernějším, nejspolehlivějším a nejefektivnějším typem CO2 laseru je difúzně chlazená desková konfigurace, která poskytuje téměř difrakční limitovanou kvalitu paprsku a dnes je k dispozici v rozsahu výkonu až 8 kW. Výhodou lasery v pevné fázi je to, že jejich záření může být vedeno optickými vlákny, ale trpí vysokými náklady a nízkou účinností. Vzhled diodových laserů jako velmi účinného a spolehlivého zdroje čerpání však posílil technologii pevných laserů. Nejen, že kvalita paprsku a účinnost konstrukce klasické tyče mohou být vylepšeny nahrazením širokopásmových žárovek monochromatickými diodovými lasery, ale navíc kvůli vysoké brilantnosti diodových laserů mohou být realizovány nové koncepty jako tenký disk a vláknitý laser. Zvláště vyšší účinnost, snižující provozní náklady ve spojení s vylepšenou kvalitou paprsku, činí lasery v pevném stavu nástrojem budoucnosti, kdykoli jsou zvažovány 3D aplikace.

  Úvod

Protože více než 30 let jsou lasery úspěšně zaměstnány v různých aplikacích. Jak je prokázáno tržními studiemi 1, 2, řezání je nejvýznamnější aplikací (obr. 1); nejen kovy jsou řezány laserem, ale také dřevem (např. pro desky), sklem (např. pro lehké trubky), textiliemi (například pro airbagy), plasty, pryží a kompozity.

  Laserové svařování, druhá nejdůležitější aplikace, zajišťuje rychlou spojovací technologii s minimálním tepelným zatížením obrobku na základě hlubokého svodového efektu; laserové svařování je spojeno hlavně s kovy, např. součásti převodovek, polotovary na míru, tělo v bílém provedení, senzorová tělesa, vstřikovací trysky atd., ale i svařování polymerů lze provádět s lasery, zejména s diodovými lasery.

  Aplikace při řezání a (hlubokém pronikání) svařováním těží z vysoké zaostřitelnosti laserových paprsků, tj. Skutečnosti, že výkon laseru může být koncentrován ve velmi malém místě. Podle teorie, čím lepší je kvalita paprsku, tím menší je bod, který může být generován určitou ohniskovou vzdáleností, nebo větší pracovní vzdálenost (ohnisková vzdálenost) pro určitý bod průměru. Vývoj laseru je tedy

Obr. 1: Světový trh pro systémy zpracování laserových materiálů v roce 2005 žádostí (4,8 mld. EUR) 1, 2

mimo jiné s cílem zlepšit kvalitu paprsku. Klasické lasery jako plynové lasery CO2 a lasery v tuhém stavu s tyčovým typem, ale ještě více nové lasery z pevného stavu v konfiguraci disků nebo vláken jsou v centru zájmu.

  Existují však další aplikace pro lasery jako pájení, tepelné vedení a povrchovou úpravu (kalení, přetavování nebo opláštění), které nevyžadují tak vysokou koncentraci energie, jak jsou prováděny s poměrně velkou ohniskovou velikostí a se středními hustotami výkonu . Vysoce výkonné diodové lasery, které poskytují vysoký výkon s vysokou účinností na úkor kvality paprsku, jsou vhodnější pro takové typy aplikací.

  Plynové lasery

  Vysoce spolehlivé CO2 lasery s výkonem do 20 kW byly komerčně dostupné a v laboratoři nebo v obranných prostředích bylo dosaženo dokonce nad 100 kW5. Bylo prozkoumáno a realizováno několik různých koncepcí průtoku a průtoku plynu. Nejčastěji používanou konfigurací je rychlé nastavení axiálního průtoku, ve kterém plyn proudívysokou rychlostí rovnoběžnou s optickou osou a přes výměník tepla, poháněný kořenovým dmychadlem nebo turbínou; Tímto způsobem je odstraněno přebytečné teplo a současně je plyn částečně nahrazen čerstvým plynem, protože plynná směs se během laserové činnosti trvale degraduje. Tento koncept zajišťuje vysoký výkon a dobrou kvalitu paprsku. Navzdory těmto výhodám plynulý tok plynu způsobuje určité inherentní nevýhody, např. nestabilita turbulencí, vysoká cena, velká velikost, vysoká hmotnost a častá obsluha koreňového dmychadla nebo turbíny a značné náklady plynoucí z spotřeby plynu. Výzvou tedy bylo vyvinout koncept, který umožňuje výstupní výkon v rozsahu kW bez aktivní cirkulace plynu.

Technologie CO2-SLAB

  Řešení bylo nalezeno v koncepci difúzně chlazené desky, téměř náhodně vyvinuté a patentované H. Opower6 v Německu a J. Tulip7 v Kanadě. Princip je znázorněn na obr. 2: mezi elektrodami je vytvořena jednosměrná vlnová vodička se zrcátky optického rezonátoru. Zvláštní optika tvořící paprsekkulových a válcových zrcadel, stejně jako prostorový filtr, lze vygenerovat vysoce kvalitní laserový paprsek s M²1,1. Vzdálenost mezi dvěma elektrodami je asi milimetr a samozřejmě přesnost a vyrovnání jsou náročné.

  Teplo však může být odstraněno přímo přes vodou chlazené elektrody a není nutný žádný proud plynu. Proto nejsou nutné žádné pohyblivé části a žádné výkyvy plynu nemohou rušit trám. Dále může být plyn udržován v čistotě po dlouhou dobu, což vede k podstatně nižší spotřebě plynu. Plynový systém je konfigurovatelný v polo-uzavřené poloze; tj. příjemce je evakuován jednoduchým rotačním čerpadlem a potom naplněn předběžným plynem a uzavřen. Jeden plynový výplň může být používán po dobu asi týdne nebo déle, v závislosti na provozních podmínkách, než bude nutné jej vyměnit. Lahvička s předběžnou směsí instalovanou v laserové hlavě (obr. 3) o objemu 10 litrů a náplnitlak 150 atm (tedy obsahující 1500 Nl) trvá déle než jeden rok, což vede k výraznému sníženíprovozní náklady!

Obrázek 3: Plazmový laser CO2 série ROFIN DC s integrovaným přívodem plynu

  První prototyp s výkonem 1,5 kW byl zaveden v roce 1993. Od té doby mohl být výstupní výkon plynule zvyšován (obr. 4) dalším vývojem vypouštěcích modulů a generátorů HF, které umožnily zvýšení elektrody při zachování homogenního výboje. Vzhledem k tomu, že laser nevyžaduje ani plynové chladiče, ani čerpadla nebo turbíny, může být kompaktní velikost systému udržována navzdory zvýšené ploše elektrody a objemu plynu. Maximální výkon komerčně dostupný v této technologii je dnes 8 kW;faktor kvality paprsku zůstal konstantní na M 21,1,faktor kvality paprsku z��stal konstantn�� na M 21,1,odpovídající produktu parametru paprsku přibližně 3,5 mm rad! Distribuce výkonu je tak téměř ideálně tvarovaným gaussovským paprskem (obr. 5, vlevo). Některé svařovací aplikace však vyžadují širší švy a vyšší energetické linie, což zvětšuje ohniskový průměr, stejně jako změnu profilu nosníku. Zvláštní uspořádání rezonátoru vlnovodného laseru neobsahuje možnost režimu TEM01 * - ("donut"), který byl prokázán jako nejvhodnější distribuce energie pro takové aplikace v dlouhém časovém úseku rychlých axiálních průtokových laserů s " ; konvenční " rezonátory; proto je režim šišky (obr. 5, vpravo) generován zvláštním optickým nastavením v dráze laserového paprsku.

  Koncept CO2 desky je nyní dobře zaveden v průmyslových laserových aplikacích: Více než 3000 jednotek v oboru prokázalo vysokou spolehlivost a nízké provozní náklady této technologie. navícmůže konstatovat, že laserová desková technologie CO2 značně přispěla k velmi silné pozici laserové technologie CO2 při zpracování materiálů a růstu trhu v posledních letech8.

M2 < 1,1 ("Gauss")M2 ~ 2,2 ("Donut")

Obr. 5: Režim základního a koblihu pro laserové desky s CO2

  Laserové desky s CO2

  Řízení výkonu laseru a kvality paprsku na limity je užitečné pouze tehdy, pokud tyto specifikace přinášejí prospěch procesu, v případě CO2 lasery to znamená pro řezání a svařování: Téměř všechny (> 90%) vysoce výkonné laserové zdroje CO2 (1 kW), více než 60% pro řezání, většina strojů s plochou postelí.

  Řezání aplikací

  Výhoda laserového zdroje s vylepšenou kvalitou paprsku pro řezné aplikace je zřejmá, jelikož menší ohnisko umožňuje menší kerf a tudíž méně materiálu musí být roztaveno pro separační proces. Toto platí minimálně tak dlouho jakomateriál není příliš tlustý, protože v tlustých materiálech může úzká kerf může bránit odstranění roztaveného materiálu. Podíl lvů na řezacích aplikacích se však jedná o měkkou ocel, nerezovou ocel nebo hliník o rozmezí 1 až 6 mm.

  Výsledek jasně dokazuje, že z laseru, který poskytuje lepší kvalitu paprsku, postačuje mnohem méně energie. Pouze při vyšší tloušťce, která přesahuje 6 mm, je minimální výhoda systému rychlého axiálního toku s vyšším výkonem rozeznatelná z hlediska rychlosti řezu9.

Obrázek 6: Porovnání rychlosti řezání v měkké oceli: deska 2,5 kW proti rychlému axiálnímu průtoku 4 kW9

  Účinnost vylepšené kvality paprsku je ještě působivější 25, jestliže se zvažuje fúzní řezání hliníku (obr. 7). Pod tloušťkou 2 mm je rychlost pro deskový laser o výkonu 2,5 kW podstatně vyšší než u rychloposuvu, zatímco je téměř stejná jako tloušťka 2 až 4 mm. Při 15 vyšší tloušťce však může mít větší výhodu širší kerf generovaný systémem rychlého axiálního toku 4 kW.10 Podobné účinky byly pozorovány u řezání z nerezové oceli, ale širší paprsek může být výhodný i při tloušťce asi 2 mm5. Pro vysokorychlostní řezání na 1 mm nebo pod 1 mm je však výhoda vysokého nosníku značná. Aspeciální dvourozměrný vysokorychlostní řezací systém s aHloubka průniku [mm]čímž se sníží tepelná zóna a zkreslení části.

Obrázek 8: Srovnání rychlosti svařování pro různé vlastnosti paprsku a lasery, resp

  Například průřez převodových součástí,byl použit pro šev na pravé straně11. Při téměř stejné hloubce svařování produkoval laser s nižší kvalitou paprsku širší švy. Na druhé straně užší švu a užší vzájemná interakční zóna mezi laserovým paprskem a součástmi, které mají být svařeny, vyžaduje vylepšenou přípravu okrajů v případě tupého svařování, protože jinak paprsek "prochází" švu. Kromě toho některé aplikace vyžadují širší paprsek z metalurgických důvodů, jak je uvedeno v kapitole 2.1, což způsobilo požadavek na paprsek režimu koblihy.

Svařování profilů a trubek pomocí laseru CO2-slab

Obr. 9: porovnání svarových svarů s lasery různé kvality paprsku při stejné rychlosti11

  Výrazné zlepšení rychlosti ve srovnání s konvenčním svařovacím procesem TIG by mohlo být dosaženo použitím laserového deskového laseru o výkonu 4,5 kW(ROFIN DC045) pro svařování trubek vyrobených z nerezavějící oceli: Trubky o průměru 18 x 1 mm jsou vyráběny v trubicovém mlýnu o rychlosti 16 m / min ve srovnání s 5,5 m / min, který byl dosažen TIG - proces svařování před12. A tato vysoká rychlost je omezena spíše procesem, než procesem samotného svařování laserem. K tomuto úkolu je použit kompletní vodicí systém s integrovanými procesními senzory, rozpoznáním mezery a sledováním švu pomocí vlnovodného laseru CO2 (ROFIN PWS, profilový svařovací systém, obr. 10 a obr. 11). Bezkontaktní senzorový systém, lineární pohony motoru, řadič na bázi PC a integrovaný PLC zajišťují přesné umístění laserového bodu s přesností 20 μm i při nejvyšší výrobní rychlosti 60 m / min! Svařovací hlava, upevněná na systému x-y-z-c, zajišťuje vysokou flexibilitu při různých ohniskových vzdálenostech, různých tryskách a dodávce plynu. Příklady svařování jsou znázorněny na obr. 12.

Obr. 10: systém ROFIN PWS (náčrtek)

Obrázek 11: Systém svařovacího profilu ROFIN PWS s deskovým laserem o výkonu 6 kW

Obrázek 12: průřezy trubek z nerezavějící oceli (1.4301) svařovaných laserem

Dálkový svařovací systém (RWS)

Doposud byla zlepšená kvalita paprsku poskytovaná koncepcí CO2 desky použita pro generování vyšší hustoty výkonu v menším ohniskovém místě. Nicméně nejvyšší hustota výkonu není vždy nutná. Přiměřená hustota výkonu je dostatečná pro tenké svařování. V takové situaci může být vylepšená kvalita paprsku překládána do velké pracovní vzdálenosti v rozsahu jednoho metru nebo více! Taková myšlenka vedla k koncepci, která aplikuje podobnou technologii snímání paprsků, jak se používá při označování aplikací při vysoko výkonném svařovacím procesu v tzv. Vzdáleném laserovém svařovacím systému. Obecný princip je vysvětlen v náčrtu na obr. 13: Kardanové zrcadlo může velmi rychle posunout zaostření na sférický povrch; k vyrovnání toho, tj. k přemístění zaostření na ploché pole v pracovní rovině může být zaostřovací čočka posunuta (z). Nakonec zrcadlo může být posunuto také lineárně, aby se prodloužilo pracovní pole ve směru z. Tímto způsobem lze zaostření umístit velmi rychle na plochu 1500 mm x 2400 mm as výškovým rozsahem 650 mm. Celý systém (bez pracovní komory) je znázorněn na obr. 14. Výhoda takového systému je zřejmá: díky rychlému pohybu technologii dálkového svařovacího systému je možné v daném cyklu zvýšit počet bodových nebo liniových svarů časem až o deset. Neobmedzená škála svarových obrysů v pracovním obalu otevírá nové a vzrušující možnosti v konstrukci a konstrukci. Nejvýznamnějšími částmi jsou dveře do automobilů, kryt kapuce nebo kufru a sloupy. Doba zpracování závisí samozřejmě od jednotlivých částí a od délky, tvaru a počtu svarů, ale za zhruba 40 sekund může být provedeno zhruba zhruba 100 typických svarů. Zvláštní upínací systémy jsou nutné pro upevnění součástí a pro případné zajištění ochranného plynu.

                                                   Obrázek 13: Nákres nastavení systému vzdáleného laserového svařování (RWS)Obrázek 14: Výrobní systém RWS