Liczba wyświetleń:429 Autor:Edytuj tę stronę Wysłany: 2019-01-18 Źródło:Ta strona
Pojawienie się niezawodnych diod laserowych zrewolucjonizowało technologię laserów na ciele stałym dużej mocy na kilka sposobów.Oryginalny pomysł, który jest prawie tak stary jak lasery diodowe i lasery na ciele stałym pompowanym optycznie, a który m.in inne przyczyniły się do rozwoju diod laserowych dużej mocy, a mianowicie wykorzystania ich jako źródła pomp dla laserów na ciele stałym13, stało się rzeczywistością pod koniec stulecia: na rynku dostępne są lasery prętowe pompowane diodowo w zakresie kW miejsce jako produkty przemysłowe.Jednakże w międzyczasie pojawiły się nowe lasery na ciele stałym pompowane diodowo, które nie mają konwencjonalnego, tj. pompowanego lampowo odpowiednika.Takie typy laserów, które są wyłącznie (lub przynajmniej najlepiej i wydajniej) możliwe przy zastosowaniu diod laserowych jako źródła pompy, to np. laser dyskowy i laser światłowodowy, które obecnie wkraczają na rynek obróbki materiałów.Co więcej, sama technologia lasera diodowego ma opracowane do tak dużej mocy i jakości, że nawet bezpośrednie lasery diodowe mogą być stosowane do obróbki materiałów.
Działanie lasera na diody laserowe GaAs lub GaAsP w temperaturach kriogenicznych wykazano już w 1962 r. 14. To, co zaczęło się jako ciekawostka fizyczna, będąca podstawą niezwykle drogich laserów o bardzo krótkiej żywotności, jest obecnie baza bardzo trwałych i tanich źródeł laserowych obejmująca największy rynek źródeł laserowych, o wolumenie 3,10 Mio.USD w 2006 r. 15: Lwia część dzisiejszego rynku laserów diodowych jest związana z zastosowaniami o raczej małej mocy w telekomunikacja i magazynowanie optyczne, ale technologia ta ma również bardzo duży wpływ na obróbkę materiałów za pomocą laserów dużej mocy.Dokładne badanie struktur krystalicznych, szczegółowe zrozumienie mechanizmów uszkodzeń i do tego sukcesu doprowadziła znaczna poprawa procesów produkcyjnych.Niemniej jednak, nawet jeśli wyrafinowane koncepcje chłodzenia pozwalają na wzrost mocy znacznie przekraczający wymagania telekomunikacyjne, emisja pojedynczego emitera pozostaje niezmieniona ograniczone do kilku watów (przy rozsądnym czasie życia).Dlatego kilka emiterów łączy się w jeden monolityczny element zwany listwą laserową, który następnie montuje się na mikrokanałowym radiatorze w celu wydajnego chłodzenia16;do 120 W to a typowa moc komercyjnego baru, ale ostatnio w eksperymentach laboratoryjnych odnotowano ponad 500 W17.Do kolimacji wiązki silnie rozbieżnej stosowane są asferyczne, cylindryczne mikrosoczewki.Jednak blask jest ograniczony ze względu na ograniczenia jakości wiązki poszczególnych emiterów, a zwłaszcza ze względu na ich niespójne sprzężenie18.
Oryginalnym i wciąż najczęściej stosowanym kształtem ośrodka aktywnego w laserze na ciele stałym dużej mocy (Nd:YAG) jest pręt cylindryczny;w laserze dużej mocy zazwyczaj ten pręt ma średnicę od 4 do 8 mm, długość od 150 do 200 mm i wzbudzenie odbywa się za pomocą lamp łukowych kryptonowych.Nawet jeśli ten typ lasera na ciele stałym był najpopularniejszym laserem na ciele stałym w ciągu ostatnich lat, ma on dwie nieodłączne wady systemu: Po pierwsze, czas życia łuku kryptonowego lampy są dość krótkie – tylko kilkaset godzin – dlatego wymagają częstej wymiany.Po drugie, co jest nawet poważniejsze, tylko niewielka część światła dostarczanego przez lampy łukowe kryptonowe jest w rzeczywistości wykorzystywana do pompowania proces laserowy;reszta generuje ciepło, marnując energię i powodując problemy, zwłaszcza tworząc efekt soczewki termicznej.Pompowanie diodowe pozwala pozbyć się tych problemów: diody laserowe zapewniają długą żywotność ponad 10000 godzin, a długość fali ich emisji można dokładnie dopasować do piku absorpcji materiału aktywnego, 808 nm w przypadku kryształu Nd:YAG.Zmniejszone obciążenie cieplne kryształu pozwala również na wyższą moc wyjściową jednego pręta zapewnia lepsze jakość wiązki: zazwyczaj lasery prętowe pompowane diodowo w zakresie (wielo) kilowatów mają parametr wiązki produktuc) wynoszący 飞12 mm mrad, podczas gdy lasery prętowe pompowane lampą wykazują około 25 mm mrad.Dlatego mniejsze średnice włókien (zwykle 300 µm).Ponadto dla tych laserów charakterystyczna jest wydajność wtyczki ściennej wynosząca 10%, w porównaniu do około 3% w przypadku urządzeń pompowanych lampą.Typowy laser prętowy pompowany diodowo o dużej mocy pokazano na ryc. 15. Ten laser jest najwyższy model w serii o mocy od 500 W do 4 kW i wyposażony w osiem komór laserowych.
Oprócz tego, że już istniejące zastosowania, takie jak cięcie i spawanie stali miękkiej i stali nierdzewnej, można rozszerzyć na materiał o większej grubości lub większą prędkość, wzrost gęstości mocy, który można osiągnąć za pomocą Laser Nd:YAG z pompowanym diodą umożliwił także cięcie i spawanie materiałów, które wcześniej były trudno dostępne, jak np. zwłaszcza stopy na bazie aluminium.Pokazano to na rys. 16, gdzie krzywe spawania dla AlMg3 (5457) z laserem ROFIN DP 040 (patrz rys. 15).
Rys. 15: ROFIN DP040HP – pompowany diodowo laser prętowy o mocy wyjściowej 4 kW Rys. 16: Krzywe spawania dla spawania AlMg3 o grubości 8 mm z laserem Nd:YAG pompowanym diodą o mocy 4 kW
Jako prototyp laboratoryjny oparty na opisanej powyżej serii ROFIN DP, laser Nd:YAG pompowany diodowo typu prętowego o mocy wyjściowej max.8 kW zrealizowano we współpracy z Instytutem Technologii Laserowej Fraunhofera w Aachen, Niemcy.Celem projektu jest lepsze zrozumienie procesów przetwarzania materiałów o dużej mocy w zakresie długości fali 1 µm.Promieniowanie lasera o mocy 8 kW dostarczane było do stanowisk pracy za pomocą włókien o średnicy rdzenia 600 µm i długości do 50 m.
Cięcie stali nierdzewnej wykonano dla materiałów o grubości od 4 do 10 mm.Maksymalna prędkość, jaką można było osiągnąć przy cięciu beztlenkowym, wynosiła 2,5 m/min;aby osiągnąć tę prędkość za pomocą lasera CO2 o około 20% wyższą wymagana jest moc pomimo doskonałej jakości wiązki19.Eksperymenty spawalnicze mają przeprowadzono na stali nierdzewnej i stali miękkiej w zakresie grubości od 6 do 10 mm.W doświadczeniach tych stwierdzono nieoczekiwanie silny słup pary podczas spawania.Wystarczające stłumienie pióropusza mogłoby nieosiągalne dla konwencjonalnych dysz standardowych bez zakłócania jeziorka spawalniczego.Dlatego ważnym wyzwaniem było opracowanie specjalnej dyszy, która mogłaby skutecznie stłumić chmurę z jednej strony, ale pozostawić jeziorko spawalnicze z drugiej niezakłócony.Udowodniono, że nowy projekt dyszy rozwiązuje problem: rys. 17 przedstawia rzeczywiste wyniki spawania stali miękkiej i stali nierdzewnej.Dalsze badania smugi pary, zwłaszcza interakcjipomiędzy pióropuszem powinno znajdować się promieniowanie laserowe i przepływ gazu procesowego dalsze badania i dalsze odkrywanie potencjału laserów na ciele stałym o dużej mocy.
Rys. 17: Spawanie półprzewodnikiem o mocy 8 kW
Ze względu na specjalne zastosowanie, a mianowicie usuwanie zanieczyszczeń liści z torów kolejowych20, opracowano laser Nd:YAG z przełączaniem Q o dużej mocy (ROFIN DQx80S).Zanieczyszczenie liści stwarza głównie dwa problemy, które mają wpływ bezpieczeństwo systemu pociągu: niska przyczepność kół powodująca problemy z hamowaniem i przyspieszaniem oraz zakłócenia w obwodach elektrycznych torów istotnych dla bezpieczeństwa.Stwierdzono, że ablacja laserowa jest metodą z wyboru w przypadku skuteczne usunięcie tej warstwy.Jak powszechnie wiadomo, ablacja laserowa wymaga krótkich impulsów w zakresie kilkudziesięciu nanosekund.Dlatego dotychczas stosowano głównie lasery ekscymerowe;jednak takie, jakie muszą być systemy laserowe do tego zastosowania stosowane w pociągach, lasery ekscymerowe zostały wykluczone m.in. ze względów bezpieczeństwa.Zażądano średniej mocy wynoszącej około 1 kW, ponieważ średnia moc określa szybkość usuwania zanieczyszczeń i minimalny średni pociąg Aby metoda była ekonomiczna, należy osiągnąć prędkość około 70 km/h.W oparciu o opisaną powyżej konstrukcję lasera prętowego pompowanego diodowo, zbudowano jednostkę Nd:YAG z przełączaniem Q, która zapewnia średnią moc 800 W w trybie Q-switch w impulsy o długości około 38 ns i częstotliwości powtarzania od 6 do aż do 15 kHz.Energia dostarczana jest poprzez włókno o średnicy 800 µm do specjalnej głowicy roboczej, która tworzy ognisko liniowe o szerokości i długości ścieżki,Proc.SPIE Vol.6735 67350T-7 co zapewnia nakładanie się impulsów nawet przy najwyższej prędkości pociągu w celu pełnego oczyszczenia torów;głowice robocze zamontowane są pod wagonem „pociągu czyszczącego”.System został pomyślnie przetestowany i spełnia wymogi techniczne i wymagania ekonomiczne.Opisany tutaj laser jest według naszej najlepszej wiedzy najsilniejszym dostępnym na rynku laserem z przełączaniem Q.Zastosowania mogą pojawić się w dziedzinie usuwania farby, czyszczenia powierzchni, nadawania struktury z dużą szybkością, zwłaszcza w przypadku ogniw słonecznych i innych.
W laserach na ciele stałym pompowanych wzdłużnie (lub końcach) promieniowanie pompy jest dostarczane wzdłuż rezonatora optycznego przez zwierciadło końcowe lasera.Oczywiście pompowanie w tej geometrii jest możliwe tylko pod warunkiem odpowiedniej jakości belki pompy źródło jest na tyle dobre, że światło pompy może być skutecznie sprzężone z prętem lasera.Zatem koncepcja jest możliwa do zrealizowania jedynie w przypadku pompowania laserem (diodowym);należy przestawić prostokątną, wysoce astygmatyczną emisję pasków diodowych pasują do okrągłego kształtu pręta.W przeciwieństwie do koncepcji pompowania bocznego, w takiej konfiguracji pompowany obszar można dopasować do objętości modowej rezonatora, dzięki czemu można uzyskać bardzo wydajne źródło lasera o wysokiej jakości wiązki urzeczywistniać się.Pompowanie diodowe kwalifikuje do laserów także inne materiały aktywne laserowo niż dobrze znany kryształ Nd:YAG: lasery pompowane na końcu często wykorzystują Nd:YVO4 (itr-wanadan), który ma między innymi szersze pasmo absorpcji dla 808 nm promieniowania diod, dzięki czemu jest mniej wrażliwy na zmiany temperatury lub starzenie się diod.Jakość wiązki światła drogowego (tryb podstawowy) i krótka konfiguracja rezonatora w koncepcji pompowania końcowego, a także krótka czas życia fluorescencji Nd:YVO4 czyni tę konfigurację preferowaną kombinacją do generowania krótkich impulsów Q-switch, a także do konwersji częstotliwości.
Typowe zastosowania takich laserów to bardzo precyzyjne znakowanie i obróbka skrawaniem.Typowym i bardzo reprezentatywnym przykładem zastosowania znakującego tego lasera jest generacja kart inteligentnych, pokazana w Rys. 18: Wysoka moc szczytowa impulsu i duża częstotliwość powtarzania lasera skracają czas drukowania w wielu zastosowaniach.Lasery ROFIN do tego zastosowania wykorzystują innowacyjne oprogramowanie w skali szarości, umożliwiające różne intensywności indywidualne impulsy laserowe.Obrazowanie w skali szarości pozwala na zmniejszenie liczby bitów w danym obrazie, zauważalnie skracając czas znakowania w porównaniu do konwencjonalnych obrazów czarno-białych, zapewniających fotografię wysokiej jakości druk.
Przykładem usuwania cienkich warstw jest strukturowanie materiału ogniw słonecznych: Przezroczysta elektroda, zwykle wykonana z tlenku indu i cyny, musi być ułożona w paski z możliwie wąskimi liniami oddzielającymi, jak powierzchnia tych elektrod linie są tracone w celu konwersji energii, a tym samym wpływają na wydajność ogniwa słonecznego.Linie o szerokości zaledwie 10 µm można zapisywać z prędkością do 1000 mm/s.W przypadku innego zastosowania całkowite usunięcie cienkiej warstwy wymagana jest folia na ogniwach słonecznych.Laser może wykonać to zadanie z szybkością 5 cm²/s.
Jednym z czynników ograniczających jakość wiązki laserów prętowych, nawet jeśli stosowane jest pompowanie diodowe, jest „efekt soczewki termicznej”.Jeden z pomysłów na obejście tego problemu został opublikowany w 1994 roku przez A.Giesen i in.al.21, który zaproponował zastosowanie cienkiego dysk (o grubości około 150 do 300 µm i średnicy około 7 mm) jako ośrodek laserowy.Ten cienki dysk montowany jest na radiatorze tylną stroną, dzięki czemu jest chłodzony w kierunku osiowym, unikając promieniowego gradientu temperatury.Jak wykorzystuje się w tym przypadku materiał aktywny Yb:YAG, gdyż m.in. materiał ten pozwala na znacznie wyższe poziomy domieszkowania (aż do 30%) niż domieszkowanie Nd;Wysokie poziomy domieszkowania są ważne w tej technologii, ponieważ objętość, z której wydobywa się światło lasera jest znacznie mniejszy niż w przypadku typu prętowego.Pompowanie odbywa się oczywiście za pomocą diod, których długość fali jest dostosowana do głównej absorpcji kryształu Yb:YAG (940 nm);ponieważ nie całe światło pompy może zostać pochłonięte jedną ścieżką a realizowana jest konfiguracja wieloprzebiegowa.Ponadto defekt kwantowy w układzie Yb:YAG jest znacznie mniejszy niż w przypadku Nd:YAG, co prowadzi do dalszej redukcji obciążenia cieplnego.Z tych powodów dalsza poprawa w porównaniu do laserów prętowych pompowanych diodowo, a w rzeczywistości 7 mm mrad można osiągnąć w typowym ustawieniu lasera dyskowego.Na tym samym osiągana jest wyższa sprawność, która sięga aż 50% w stosunku optycznym do optycznego, co skutkuje wydajnością wtyczki ściennej na poziomie około 20%!
Obecnie lasery dyskowe dużej mocy dostarczane są od 750 W (ROFIN DSx75HQ) z jednego dysku z włóknem 150 µm do mocy 3 kW (ROFIN DS030HQ) z dwóch dysków i włókna 200 µm (stosowane NA=0,12).Krzywe spawania dla lasera o mocy 1,5 kW i dla dwie różne średnice ogniska (100 µm i 300 µm) przedstawiono na rys. 19 dla spawania stali nierdzewnej w porównaniu z laserem CO2 (ROFIN DC015, patrz rozdział 2.1).Zaleta lasera dyskowego w przypadku cienkich materiałów jest wyraźna widoczny.
Przykładem zastosowania przemysłowego jest spawanie obudowy akumulatora wykonanej ze stali nierdzewnej 1.4301 (rys. 20);przy mocy 700 W i średnicy plamki 100 µm, część można doskonale zespawać z prędkością 5 m/min w atmosferze He.
Laser dyskowy oczywiście doskonale nadaje się również do cięcia: folie ze stali nierdzewnej o grubości 0,5 mm (4 mm) zostały wycięte z mocą 1,5 kW przy prędkości 40 m/min (2 m/min);Cięcie stali miękkiej wspomagane tlenem przeprowadzono przy grubościach 1 mm i 10 mm grubości odpowiednio 10 m/min i 1 m/min.
Rys. 19: Krzywe spawania stali nierdzewnej laserem dyskowym o mocy 1,5 kW (DS015) w porównaniu z laserem płytowym CO2 (ROFIN DC015): wyraźnie widoczna jest zaleta lasera dyskowego w przypadku cienkich materiałów.Dzięki efektom plazmowym CO2 Laser jest korzystny w przypadku grubszych materiałów.
Rys. 20: Obudowa akumulatora (1.4301) spawana laserem cienkodyskowym o mocy 750 W (ROFIN DSx75HQ) wielkość plamki 100 µm, prędkość spawania 5 m/min
Wysoka jakość wiązki lasera dyskowego, wywodząca się z dobrze ugruntowanej konfiguracji do zastosowań znakujących, umożliwia pozycjonowanie wiązki z dużą prędkością za pomocą systemu dwóch zwierciadeł napędzanych galwanicznie (ryc. 21, po lewej).Specjalne tzw. „płaskie pole”. soczewka” zapewnia ogniskowanie w płaskiej płaszczyźnie roboczej, niezależnie od położenia. Dostarczanie wiązki światłowodem o typowej średnicy rdzenia od 150 do 200 µm ułatwia połączenie takiego urządzenia odchylającego wiązkę z robotem, jak pokazano na rysunku Ryc. 21 (po prawej).
Taka konfiguracja prowadzi do bardzo elastycznego narzędzia: podczas gdy robot wykonuje płynny ruch głowicy skanującej zgodnie z głównym kierunkiem szwu, zwierciadła galwaniczne odchylają wiązkę do dokładnego położenia, wykonując proste ściegi, koła, fale lub inny pożądany kształt.Jeżeli na przykład do spawania wymagane są tylko proste ściegi o długości zgrzewania wynoszącej 50% i odstępach wynoszących 50%, ruch belki ze stałą prędkością doprowadziłby do 50% wykorzystanie lasera;dzięki zastosowaniu systemu spawania ze skanerem robotycznym, prędkość (ruchu robota) może zostać niemal podwojona, ponieważ skaner może bardzo szybko (tj. w zakresie milisekund) prowadzić punkt w odstępach czasu.
Tym samym układ ten stanowi bardzo interesującą możliwość spawania np. karoserii w kolorze białym, zastępując elektryczne zgrzewanie punktowe.
Ryc. 21: Po lewej: szkic układu zwierciadeł galwanicznych z soczewką o płaskim polu do szybkiego pozycjonowania wiązki22.Po prawej: połączenie z robotem Laser światłowodowy
Inną możliwością uniknięcia efektu soczewki termicznej jest zmniejszenie średnicy i zwiększenie długości pręta, tak aby ostatecznie ośrodek aktywny uległ degeneracji do światłowodu i nawet chłodzenie promieniowe nie spowodowało gradient temperatury na przekroju poprzecznym włókna.W rzeczywistości średnica aktywnego rdzenia może być tak cienka, że wzmacniany jest tylko jeden pojedynczy mod, a tym samym może być generowane promieniowanie jednomodowe o wysokiej jakości wiązki.Pompowanie jest zwykle realizowane przy użyciu tak zwanego światłowodu podwójnie platerowanego: światło pompy jest wprowadzane do wewnętrznego płaszcza otaczającego aktywny rdzeń światłowodu i sukcesywnie absorbowane z aktywnego rdzenia światłowodu na całej długości błonnik.Są dwa ogólne Proc.SPIE Vol.6735 67350T-9 możliwości podłączenia światła pompy do rdzenia pompy: (a) koncepcja pompowania końcowego, która wymaga stosu diod o dość wysokiej jakości wiązki, aby pasował do płaszcza pompy ze światłowodu oraz (b) „ Złącze Y\ konfiguracja wymagająca dużej liczby diod sprzężonych włóknem, które należy wprowadzić do rdzenia pompy dość skomplikowanymi metodami,np. łączenie włókien lub siatki Bragga.
Maksymalna gęstość mocy w rdzeniu aktywnym światłowodu powoduje, że moc, jaką można wydobyć z pojedynczego włókna (niekoniecznie jednomodowego!) jest ograniczona.W systemach komercyjnych limit ten wynosi na razie około 800 W Jakość wiązki ograniczona dyfrakcją około 1 do 2 razy, podczas gdy w laboratorium wykazano 3 kW23, przy wiązce „prawie ograniczonej dyfrakcją”.Skalowanie mocy odbywa się poprzez połączenie kilku włókien „obok siebie”. i tym samym wiąże się z utratą jakości wiązki.
Lasery światłowodowe o dużej mocy znajdują się obecnie w fazie testów pod kątem zastosowań przemysłowych.Zapewniają technologię o dużym potencjale, jeśli można je wyprodukować po rozsądnych kosztach i mogą je zapewnić wydajnością jak laser dyskowy, szczególnie w dużym zakresie mocy.Znaczącym zastosowaniem tych laserów ze względu na ich doskonałą jakość wiązki w niskim zakresie mocy jest znakowanie;Ryc. 22 przedstawia system znakowania laserem światłowodowym za pomocą galvo skaner przed laserem światłowodowym.
Zamiast używać lasera diodowego do pompowania laserów na ciele stałym dużej mocy, można je również zastosować do bezpośredniej obróbki.Jednostki takie imponują wyjątkowo małymi rozmiarami nawet przy dużej mocy: głowica laserowa o mocy 3 kW pokazana na ryc. 23 jest tak mała jak 555 (łącznie z tubusem optycznym) x 260 x 200 [mm], a waga to zaledwie 25 kg.Aby skompletować cały system laserowy, należy dodać jednostkę sterującą i chiller o wymiarach około 600 x 800 x 1000 [mm] każdy.Lasery diodowe dużej mocy, jednakże nie jest w stanie zapewnić tak wysokiej jakości wiązki, jak opisane powyżej lasery pompowane diodowo.Jest to konsekwencja niespójnego sprzężenia poszczególnych emiterów prętów lasera diodowego18.Wraz ze wzrostem mocy P poprawia się jakość wiązki zmniejsza się o współczynnik ,/P tak długo, jak jasność poszczególnych emiterów pozostaje niezmieniona.Stosowane jest sprzężenie polaryzacyjne i sprzężenie długości fali poprawić sytuację16, 18: Zwykle stosuje się lasery diodowe dużej mocy
Rys. 23: Głowica lasera diodowego dużej mocy,3,1 kW (ROFIN DL031Q) niespolaryzowane i emitują na dwóch lub trzech długościach fal.Plamka ma kształt prostokąta (1,3 x 0,8 [mm] przy ogniskowej 66 mm dla układu o mocy 3 kW pokazanego na rys. 23, z profilem cylindrycznym w jednym kierunku i Gaussem w drugim.
W konsekwencji raczej słabej jakości wiązki w zakresie dużej mocy, tradycyjne zastosowania lasera, takie jak cięcie i spawanie z głęboką penetracją z dużą prędkością, nie są tak naprawdę otwartym rynkiem dla laserów diodowych dużej mocy (patrz rozdz. 4, Ryc. 27).Jednakże rysunek pokazuje również, że istnieją zastosowania o dużym potencjale dla laserów diodowych dużej mocy: Niektóre zastosowania odpowiednie dla laserów diodowych dużej mocy zostały zademonstrowane wiele lat temu z użyciem Nd:YAG lub CO2 laserów, ale nie mogły one przedostać się do produkcji przemysłowej za pomocą tych laserów ze względów technologicznych lub – głównie – kosztowych.Koszty inwestycyjne współczesnych systemów laserów diodowych dużej mocy są znacznie niższe niż w przypadku Nd:YAG, lasery dyskowe lub światłowodowe, emitujące prawie tę samą lub nieco krótszą długość fali;koszty eksploatacji są znacznie niższe niż w przypadku innych laserów ze względu na ich wysoką wydajność (zwykle wydajność wtyczki ściennej mieści się w zakresie lub nawet powyżej 30%) i ponieważ są one prawie bezobsługowe przez cały długi okres użytkowania diod.Oczekuje się dalszej redukcji kosztów eksploatacji wraz ze wzrostem żywotności listew lasera diodowego, ponieważ wynika to z prostych obliczeń kosztów pokazują, że oprócz amortyzacji, wymiana diod generuje lwią część kosztów eksploatacji.Wreszcie, mały rozmiar nie tylko głowicy lasera diodowego, ale - oparty na wysokich parametrach elektrycznych do optycznych wydajność - także zasilacza i agregatu chłodniczego, czynią je bardzo atrakcyjnym narzędziem do wielu zastosowań, gdzie jakość wiązki konwencjonalnego lasera po prostu nie jest konieczna.
Możliwość wytwarzania optycznie doskonałych szwów spawalniczych w procesie zgrzewania z przewodzeniem ciepła doprowadziła do pierwszego przemysłowego zastosowania laserów diodowych dużej mocy, czyli spawania zlewozmywaków kuchennych.Przekrój przez spoinę to pokazano na rys. 24. Zastosowanie lasera diodowego zamiast konwencjonalnego spawania TIG pozwoliło na znaczną redukcję prac wykończeniowych: konieczne jest jedynie polerowanie, ale prawie bez szlifowania i naprawy!Fakt ten doprowadził do korzyści kosztowych, nawet jeśli inwestycja w laser diodowy o mocy 2,5 kW jest większa niż w przypadku spawarki TIG24.
Lutowanie staje się coraz bardziej atrakcyjną technologią łączenia w produkcji nadwozi samochodowych, a także w uszczelnianiu szczelnych obudów ekranowanych RF do elementów elektronicznych.Badania przeprowadzone w laboratoriach aplikacyjnych firmy ROFIN-SINAR wykazały udane lutowanie stali pokrytej Zn (0,9 mm) twardym lutem CuSi podawanym w postaci drutu o średnicy 1 mm.Eksperymenty doprowadziły do uzyskania bardzo gładkich szwów (ryc. 25).Prędkość lutowania wynosiła 2-4 m/min przy mocy 2,5 kW, ale to zależy w dużym stopniu od indywidualne wymagania dotyczące wypełniania szczelin lutem twardym.Co najmniej takie same wyniki jak w przypadku lasera Nd:YAG można uzyskać za pomocą lasera diodowego dużej mocy, ale przy znacznie niższych kosztach!
Ze względu na swój prostokątny kształt, z profilem cylindrycznym w jednym kierunku i Gaussa w drugim, wiązka lasera diodowego o dużej mocy szczególnie dobrze nadaje się do zastosowań związanych z hartowaniem powierzchniowym.Dodatkowo w porównaniu do CO2 lasera długość fali emisji tych laserów jest krótka, co prowadzi do wyższej absorpcji, a tym samym wyklucza konieczność stosowania jakichkolwiek powłok w celu zwiększenia absorpcji.Wyższa wydajność laserów diodowych w połączeniu z wymienione powyżej zalety sprawiają, że laser diodowy dużej mocy jest bardzo wydajnym, niezawodnym i ekonomicznym narzędziem do hartowania.Bardzo znaczącym przykładem zastosowania produkcyjnego laserów diodowych dużej mocy jest hartowanie sprężyny skrętowe, które stosuje się przy zawiasach drzwi samochodowych (ryc. 26).Laser diodowy dużej mocy zapewnia nie tylko idealną geometrię wiązki i rozkład intensywności, ale jest także najbardziej opłacalnym sposobem transformacji hartowanie.Sprężyna skrętowa o średnicy 8 mm pokazana na rys. 26 należy hartować pod kątem >170°, na długości ok.10 mm i na głębokość od 0,2 do 0,4 mm w zaznaczonym miejscu, aby ograniczyć zużycie sprężyny przez rolki dociskowe, które utrzymują drzwi w określonej pozycji.W konfiguracji, która wykorzystuje dwa lasery pod kątem około Wkładka: przekrój sprężyny: strefa hartowana 120°, geometrię tę można utwardzać jednorodnie, jeśli lasery skanują na długości 10 mm.Aktywna kontrola procesu, wykorzystująca dwa pirometry do rejestracji temperatury, zapewnia jakość procesu dla każdej pojedynczej części25.
Trwają badania nad napawaniem laserami diodowymi dużej mocy, ponieważ w tym zastosowaniu lasera, które jest obecnie również wykonywane za pomocą laserów CO2 lub Nd:YAG, nie są konieczne duże gęstości mocy;jednak karmienie proszkiem wymaga pewnych rozwiązań odległość roboczą, a co za tym idzie, pewną jakość wiązki, ale którą mogą spełnić najnowocześniejsze lasery diodowe.
Ponadto lasery diodowe są doskonałym narzędziem do laserowego spawania polimerów, co opisano szczegółowo w elsevere26, 27.
KRÓTKIE PORÓWNANIE RÓŻNYCH TECHNOLOGII LASEROWYCH
Ostateczna decyzja, jaki laser wybrać do konkretnego zastosowania, zależy od wielu aspektów.Oczywiście przede wszystkim studium wykonalności musi wyjaśnić, jaki laser będzie najlepszy, aby uzyskać pożądany efekt.Jednak typowa klasyfikacja zaproponowana przez P. Loosena28, może dać wskazówkę co do odpowiedniej technologii laserowej (ryc. 27), a także pozwala na porównanie najlepszej możliwej do uzyskania jakości wiązki dla każdego typu lasera.
Ryc. 27: Iloczyn parametrów wiązki w funkcji mocy lasera dla kilku typów laserów i typowych reżimów dla zastosowań przemysłowych28
Tradycyjnie najważniejsze zastosowania, które zapewniają największą część rynku (patrz rozdz. 1), a mianowicie cięcie i spawanie, wymagają również najwyższej jakości belki.Taką jakość wiązki można uzyskać za pomocą lasera CO2 oraz tzw lasery na ciele stałym pompowane diodowo.Spawanie można również wykonać za pomocą lasera YAG z pompowaną lampą, co wykazano w wielu zastosowaniach w przemyśle.Niemniej jednak należy tutaj wspomnieć, że laser CO2, szczególnie w konfiguracji płytowej (patrz rozdz. 2.1) w dalszym ciągu dostarcza najtańsze fotony do zastosowań w obróbce materiałów, a także najlepszą jakość wiązki, tj. najlepszą zdolność ogniskowania w zakresie mocy wielokW.Ekonomiczny „koszt posiadania” – rozważania, uwzględniony zostanie wpływ każdej technologii na koszty części, jeśli eksperymenty wykażą, że różne lasery mogą wykonywać tę pracę równie dobrze.Z ilustracji na rys. 27 wynika również, że pomimo zmniejszonej wiązki wysokiej jakości laser diodowy o dużej mocy może być atrakcyjnym źródłem fotonów w wielu zastosowaniach laserowych ze względu na wysoką wydajność wynoszącą około 30%;laser dyskowy i światłowodowy zbliżają się do tego o około 20%, podczas gdy laser CO2 zużywa około 10% energii zużytej w końcowej mocy wyjściowej wiązki laserowej.
Laser gazowy CO2 od długiego czasu zdominował obszar obróbki materiałów dużej mocy i nadal ma zdecydowanie największy udział w rynku (41,1%) w rynku obróbki materiałów laserowych4 (1,69 miliarda dolarów dla źródeł laserowych).Przez pojawienie się niezawodnych i wydajnych diod laserowych jako źródła pompy dla laserów na ciele stałym, obraz ten nieco się zmienił, a lasery na ciele stałym z roku na rok nadrabiają zaległości;niemniej jednak w 2006 r. nadal najwyższa ilość stanu stałego lasery stanowiły systemy pompowane lampami (20,4%), następnie lasery światłowodowe (8,5%, wzrost z 6% w 2005 r.) i systemy pompowane diodami (pręt/tarcza) (6,4%).Bezpośrednie lasery diodowe stanowią nadal jedynie 1% rynku.Oczekuje się, że wzrośnie liczba laserów dyskowych i światłowodowych, głównie kosztem jednostek pompowanych lampowo;trójwymiarowe i zdalne zastosowania oczywiście skorzystają na lepszej jakości wiązki tych laserów i zapewnią nowe możliwości.Wysoki lasery diodowe mocy zaspokajają obecnie nisze w zakresie obróbki powierzchni i spawania z przewodzeniem ciepła;dlatego też lasery diodowe dużej mocy bardziej niż inne lasery konkurują z technologiami konwencjonalnymi.Laser CO2 jednak tak w nadchodzących latach pozostanie koniem pociągowym w zastosowaniach związanych z obróbką materiałów laserowych, zwłaszcza w przypadku wszystkich zadań dwuwymiarowych.
Polski
Pусский
