Rozwój źródeł laserowych dużej mocy dla przemysłu

Abstrakcyjny

  Pomimo wynalezienia i dostępności szerokiej gamy źródeł laserowych, tylko nieliczne typy znalazły zastosowanie w zastosowaniach przemysłowych, które bardzo często wymagają niezawodnej pracy trzyzmianowej, wysokiej dyspozycyjności i niskich kosztów eksploatacji. Przez długi czas laser gazowy CO2 zdominował obszar przetwarzania materiałów wysokiej mocy i nadal posiada 41,1% największego udziału w rynku w tej dziedzinie. Najnowocześniejszy, najbardziej niezawodny i najtańszy typ lasera CO2 to konstrukcja płyty chłodzonej dyfuzyjnie, która zapewnia prawie ograniczoną dyfrakcję ograniczoną jakość wiązki i jest obecnie dostępna w zakresie mocy do 8 kW. Zaletą laserów półprzewodnikowych jest to, że ich promieniowanie może być kierowane przez światłowody, ale cierpią one z powodu wysokich kosztów i niskiej wydajności. Pojawienie się laserów diodowych jako bardzo wydajnego i niezawodnego źródła pompowania wzmocniło jednak technologię laserową w stanie stałym. Nie tylko jakość belki i wydajność klasycznego projektu pręta można poprawić, zastępując lampy szerokopasmowe monochromatycznymi laserami diodowymi, ale ponadto, ze względu na wysoki blask laserów diodowych, można było zrealizować nowe koncepcje, takie jak cienki dysk i laser światłowodowy. Zwłaszcza wyższa sprawność, obniżenie kosztów eksploatacji w połączeniu z poprawioną jakością wiązki sprawia, że ​​lasery półprzewodnikowe stają się narzędziem przyszłości, gdy rozważane są zastosowania 3D.

  Wprowadzenie

  Od ponad 30 lat lasery są z powodzeniem stosowane w różnych aplikacjach. Jak wykazały badania rynku1, 2, najbardziej znaczącym zastosowaniem jest cięcie (ryc. 1); nie tylko metale są cięte za pomocą laserów, ale także drewno (na przykład do desek), szkło (np. do lekkich rur), tekstylia (np. do poduszek powietrznych), tworzywa sztuczne, guma i kompozyty.

  Spawanie laserowe, drugie co do ważności zastosowanie zapewnia szybką technologię łączenia z minimalnym obciążeniem cieplnym obrabianego przedmiotu w oparciu o efekt spawania w głębokiej penetracji; Spawanie laserowe jest głównie związane z metalami, np. części przekładni, dopasowane blanki, korpus w kolorze białym, obudowy czujników, dysze wtryskowe i tym podobne, ale również spawanie polimerowe może być wykonywane za pomocą laserów, w szczególności laserów diodowych.

Zastosowania cięcia i zgrzewania (głębokiej penetracji) korzystają z dużej zdolności wiązek laserowych, to jest z faktu, że moc lasera może być skoncentrowana w bardzo małym punkcie. Zgodnie z teorią, im lepsza jest jakość wiązki, tym mniejsze jest miejsce, które może być generowane przez pewną długość ogniskowej lub większą odległość roboczą (długość ogniskowej) odpowiednio dla określonej średnicy plamki. Tak więc rozwój laserowy jest

Ryc. 1: Światowy rynek systemów przetwarzania materiałów laserowych w 2005 r. Według wniosku (4,8 mld EUR) 1, 2

między innymi mając na celu poprawę jakości wiązki. Klasyczne lasery jako lasery gazowe CO2 i lasery półprzewodnikowe typu prętowego, ale jeszcze bardziej nowe lasery typu półprzewodnikowego w konfiguracji dysku lub włókna znajdują się w centrum zainteresowania.

  Istnieją jednak inne zastosowania dla laserów, takie jak lutowanie, spawanie z przewodzeniem ciepła i obróbka powierzchniowa (hartowanie, przetapianie lub powlekanie), które nie wymagają tak dużego stężenia energii, jak są wykonywane przy dość dużym ogniskowym i przy umiarkowanych gęstościach mocy . Lasery diodowe wysokiej mocy, które zapewniają wysoką moc i wysoką wydajność kosztem jakości wiązki, są lepsze w tego rodzaju zastosowaniach.

  Lasery gazowe

  Jednak wysoce niezawodne lasery CO2 o mocy do 20 kW są dostępne na rynku, a nawet ponad 100 kW zostało osiągnięte w laboratorium lub w celach obronnych5. Opracowano i zrealizowano kilka różnych koncepcji przepływu i przepływu gazu. Najczęściej stosowaną konfiguracją jest szybka konfiguracja przepływu osiowego, w której przepływa gazduża prędkość równoległa do osi optycznej i przez wymiennik ciepła, poruszana przez dmuchawę korzeniową lub turbinę; w ten sposób nadmiar ciepła jest usuwany, a jednocześnie gaz jest częściowo zastępowany przez nowy, ponieważ mieszanka gazowa stale ulega degradacji podczas działania lasera. Ta koncepcja zapewnia wysoką moc i dobrą jakość wiązki. Pomimo tych zalet przepływ gazu powoduje pewne nieodłączne wady, np. niestabilności wskutek turbulencji, wysokich kosztów, dużych rozmiarów, dużej masy i częstej obsługi dmuchawy korzeniowej lub turbiny i znacznych kosztów w wyniku zużycia gazu. Wyzwanie polegało zatem na opracowaniu koncepcji, która pozwala na moc wyjściową w zakresie mocy w kW bez aktywnego obiegu gazu.

Technologia CO2-SLAB

  Rozwiązanie zostało znalezione w koncepcji płyty chłodzonej dyfuzyjnie, prawie przypadkowo opracowanej i opatentowanej przez H. Opower6 w Niemczech i J. Tulip7 w Kanadzie. Zasada jest przedstawiona na Fig. 2: Jednowymiarowy falowód powstaje pomiędzy elektrodami wraz z lusterkami rezonatora optycznego. Przez specjalną optykę tworzącą wiązkę składającą sięluster sferycznych i cylindrycznych, a także filtr przestrzenny, można wygenerować wysokiej jakości wiązkę laserową z M²1,1. Odległość między dwiema elektrodami wynosi około milimetra i oczywiście dokładność i wyrównanie są trudne.

Jednak ciepło można usunąć bezpośrednio przez elektrody chłodzone wodą i nie jest wymagany przepływ gazu. Tak więc żadne ruchome części nie są konieczne i żadne zmiany gazu nie mogą zakłócać wiązki. Ponadto gaz można utrzymywać w czystości przez długi czas, co prowadzi do znacznie zmniejszonego zużycia gazu. Układ gazowy jest konfiguracją półotwartą; to jest odbiornik jest opróżniany przez prostą pompę rotacyjną, a następnie napełniany gazem wstępnym i wyłączany. Jedno napełnienie gazem może być używane przez około tydzień lub dłużej, w zależności od warunków pracy, zanim będzie trzeba go wymienić. Butelka z mieszanką wstępną zainstalowaną w głowicy laserowej (rys. 3) o objętości 10 litrów i wypełnieniuciśnienie 150 atm (czyli zawierające 1500 Nl), utrzymuje się przez ponad rok, co prowadzi do znacznego zmniejszeniakoszty eksploatacji!

Rys. 3: Laser płytowy CO2 serii ROFIN z wbudowanym dopływem gazu

  Pierwszy prototyp o mocy wyjściowej 1,5 kW wprowadzono w 1993 r. Od tego czasu moc wyjściowa może być stale zwiększana (ryc. 4) poprzez dalszy rozwój modułów wyładowczych i generatorów HF, co pozwoliło na zwiększenie elektrody powierzchni przy jednoczesnym utrzymaniu jednorodnego zrzutu. Ponieważ laser nie potrzebuje ani agregatu gazowego, ani pomp ani turbin, kompaktowy rozmiar systemu może być utrzymany pomimo zwiększonej powierzchni elektrody i objętości gazu. Maksymalna moc dostępna obecnie na rynku w tej technologii wynosi 8 kW;współczynnik jakości wiązki pozostaje jednak stały przy M²1,1,odpowiadając produktowi parametrowi wiązki około 3,5 mm rad! Zatem rozkład mocy jest prawie idealnie ukształtowaną wiązką gaussowską (ryc. 5, lewa). Niektóre aplikacje spawalnicze wymagają jednak odpowiednio szerszych pokładów i wyższych energii linii, co powoduje, że preferowane jest powiększenie ogniskowej, a także modyfikacja profilu wiązki. Specjalna konfiguracja rezonatora lasera falowodowego nie zawiera możliwości trybu TEM01 * - ("donut"), który okazał się najlepiej dopasowanym rozkładem energii dla takich zastosowań w długim okresie laserów o szybkim przepływie osiowym z & quot; ; konwencjonalne & quot; rezonatory; dlatego tryb pączka (ryc. 5, po prawej) jest generowany przez specjalny układ optyczny na ścieżce wiązki laserowej.  Koncepcja płyty CO2 jest teraz dobrze ugruntowana w laserach przemysłowych: ponad 3000 urządzeń w terenie dowiodło wysokiej niezawodności i niskich kosztów eksploatacji dla tej technologii. co więcej

może stwierdzić, że technologia laserowej płyty lasero- wej znacząco przyczyniła się do wciąż bardzo silnej pozycji technologii lasera CO2 w przetwarzaniu materiałów i do wzrostu rynku w ostatnich latach8.Wysoka moc (6)

M 2 ~ 2,2 ("Pączek")Rys. 5: Tryb podstawowy i tryb pączka dla lasera płytkowego CO2

Rys. 5: Tryb podstawowy i tryb p��czka dla lasera p��ytkowego CO2

Zastosowania lasera płytowego CO2

  Zasilanie mocy lasera i jakości wiązki do granic jest użyteczne tylko wtedy, gdy te specyfikacje przynoszą korzyść procesowi, w przypadku laserów CO2 oznacza to cięcie i spawanie: prawie wszystkie (> 90%) źródła laserowe o wysokiej mocy CO2 (1 kW) są wykorzystywane w tych dziedzinach, ponad 60% do cięcia, większość w płaskich maszynach.

  Cięcie aplikacji

  Zaleta źródła laserowego o poprawionej jakości wiązki dla zastosowań cięcia jest oczywista, ponieważ mniejsze ognisko pozwala na mniejszą szczelinę, a zatem mniej materiału musi zostać stopione do procesu rozdzielania. To trwa co najmniej tak długo, jakmateriał nie jest zbyt gruby, ponieważ w grubych materiałach wąska szczelina może utrudniać usuwanie stopionego materiału. Lwy mają jednak wspólny udział w cięciu w obróbce stali miękkiej, stali nierdzewnej lub aluminium w zakresie od 1 do 6 mm.

  Wynik wyraźnie pokazuje, że lasery zapewniają znacznie mniejszą moc, co zapewnia lepszą jakość wiązki. Jedynie przy większej grubości, powyżej 6 mm, minimalna zaleta systemu szybkiego przepływu osiowego przy wyższej mocy staje się rozpoznawalna pod względem prędkości cięcia9.

Rys. 6: Porównanie prędkości skrawania w stali miękkiej: płyta 2,5 kW w porównaniu do szybkozasilania 4 kW9

  Efekt poprawionej jakości wiązki jest jeszcze bardziej imponujący 25, jeśli rozważane jest cięcie stapiane aluminium (ryc. 7). Poniżej grubości 2 mm prędkość dla lasera płytkowego o mocy 2,5 kW jest 20 znacznie wyższa niż dla systemu szybkiego przepływu osiowego, podczas gdy jest prawie taka sama pomiędzy grubością 2 i 4 mm. Jednakże przy 15 większej grubości szersza szczelina generowana przez szybki układ osiowy o mocy 4 kW może mieć pewną przewagę.10 Podobne efekty zaobserwowano w przypadku cięcia stali nierdzewnej, ale szersza wiązka może być korzystna nawet przy grubości około 2 mm5. Jednak przy cięciu z dużą prędkością na poziomie lub poniżej 1 mm zaleta jakości światła jest dość znaczna. ZAspecjalny dwuwymiarowy system szybkiego cięcia zGłębokość penetracji [mm]w ten sposób zmniejsza się strefa wpływu ciepła i zniekształcenie części.

Rys. 8: Porównanie prędkości spawania dla różnych jakości belek i laserów, resp.11

  Na przykład przekrój elementów przekładni,został użyty na szwie po prawej stronie 11. Przy prawie takiej samej głębokości spawania laser o niższej jakości wiązki wytwarzał szerszy szew. Z drugiej strony węższa i węższa strefa interakcji pomiędzy wiązką laserową a częściami do spawania wymagają lepszego przygotowania krawędzi w przypadku zgrzewania doczołowego, ponieważ inaczej "przewraca się" belka ". szew. Co więcej, niektóre zastosowania wymagają szerszej wiązki ze względów metalurgicznych, jak wskazano w rozdziale 2.1, co spowodowało zapotrzebowanie na wiązkę trybu pączka.

Spawanie profili i rur za pomocą lasera CO2

Rys. 9: porównanie spawów spawalniczych z laserami o różnej jakości wiązki przy tej samej prędkości11

Znaczną poprawę prędkości w porównaniu do tradycyjnej metody spawania TIG można uzyskać za pomocą lasera na płycie CO2 o mocy 4,5 kW(ROFIN DC045) do spawania rur, wykonanych ze stali nierdzewnej: 18 x 1 [mm] są produkowane w młynie rurowym o 16 m / min, w porównaniu do 5,5 m / min, które zostały osiągnięte przez TIG - proces spawania przed12. Ta duża prędkość jest ograniczona przez następujący proces, a nie przez sam proces spawania laserowego. Do tego zadania służy kompletny system prowadzenia wiązki ze zintegrowanymi czujnikami procesowymi, rozpoznaniem szczeliny i śledzeniem za pomocą lasera falowodowego CO2 (ROFIN PWS, system spawania profilowego, rys. 10 i rys. 11). Bezdotykowy system czujników, liniowe napędy silnikowe, sterownik na PC i zintegrowany sterownik PLC, zapewniający dokładne pozycjonowanie plamki laserowej z dokładnością do 20 μm, nawet przy najwyższej prędkości produkcyjnej 60 m / min! Głowica spawalnicza, zamontowana na systemie x-y-z-c, zapewnia dużą elastyczność dzięki różnym długościom ogniskowych, różnym dyszom oraz zasilaniu gazem. Przykłady spawania przedstawiono na rys. 12.

Rys. 10: System ROFIN PWS (szkic)

Rys. 11: System spawania profilowego ROFIN PWS z laserem stropowym o mocy 6 kW CO2

Ryc. 12: Przekroje rur spawane laserowo ze stali nierdzewnej (1.4301)

Zdalny system spawania (RWS)

Jak dotąd poprawiona jakość wiązki zapewniona przez koncepcję płyty CO2 została wykorzystana do generowania wyższej gęstości mocy w mniejszym ogniskowym miejscu. Jednak najwyższa gęstość mocy nie zawsze jest konieczna. Rozsądna gęstość mocy wystarcza do spawania cienkich blach. W takiej sytuacji poprawiona jakość wiązki może zostać przełożona na dużą odległość roboczą w zakresie co najmniej jednego metra! Taki pomysł doprowadził do koncepcji, która stosuje podobną technologię skanowania belek, ponieważ jest stosowana do znakowania aplikacji do procesu spawania o dużej mocy w tak zwanym systemie zdalnego spawania laserowego. Ogólna zasada została wyjaśniona na szkicu na Rys. 13: Lustro zawieszone na przegubie kardanowym może bardzo szybko poruszać ogniskiem na kulistej powierzchni; aby to zrekompensować, tj. doprowadzić skupienie do płaskiego pola na płaszczyźnie roboczej, soczewka skupiająca może zostać przesunięta (z). Na koniec lustro można również przesuwać liniowo, aby rozciągnąć pole robocze w kierunku Z. W ten sposób ostrość może być ustawiona bardzo szybko na powierzchni 1500 mm x 2400 mm i w zakresie wysokości 650 mm. Cały system (bez komory roboczej) przedstawiono na rys. 14. Zaleta takiego układu jest oczywista: z powodu szybkiego ruchu technologia zdalnego spawania jest w stanie zwiększyć liczbę spawów punktowych lub liniowych w danym cyklu czas o czynnik do dziesięciu. Nieograniczona różnorodność konturów spawów w obszarze roboczym otwiera nowe i fascynujące możliwości w zakresie projektowania i budowy. Najważniejsze części to drzwi samochodowe, osłona kabiny lub bagażnika i kolumny. Oczywiście czas przetwarzania zależy od pojedynczej części oraz od długości, kształtu i liczby spawów, ale jak szacuje się w przybliżeniu, około 100 typowych szwów spawalniczych można wykonać w ciągu około 40 sekund. Specjalne systemy mocowania są niezbędne do zamocowania części i zapewnienia w razie potrzeby gazu ochronnego.

                                                   Rys. 13: Szkic instalacji zdalnego spawania laserowego (RWS)Ryc. 14: System produkcji RWS