eng
В сфере металлообработки опробовано и внедрено большое число различных видов высокопроизводительных лазеров. Теперь все чаще возникает ситуация, когда реализация производственного проекта сопряжена с проблемой выбора лазера для технического решения. В статье предложена методика выбора типа лазера для конкретных производственных целей. В качестве критерия выбора использованы наиболее важные аспекты: спецификация, результат и затраты.
Область использования лазерной техники в последние годы значительно расширилась, выйдя за рамки одной лишь классической резки и сварки. Да и в проектируемое оборудование стали закладывать гораздо больше степеней свободы, чем раньше. Какой технологии отдать предпочтение? Какая из них окажется оптимальной? Какие параметры могут и должны быть положены в основу сравнительного анализа характеристик различных типов лазеров для их выбора? На сегодняшний день основными типами источников лазерного излучения являются CO2, волоконные, дисковые и диодные лазеры. Если классифицировать их по основному отличительному признаку, а именно длине волны, то можно выделить три группы:
CO2-лазеры с длиной волны 10,6 мкм,
твердотельные лазеры с длиной волны около 1 мкм,
диодные лазеры с длиной волны от 880 нм до 1040 нм.
Поскольку рамки статьи не позволяют подробно рассмотреть все три технологии, сконцентрируемся на лазерах с длиной волны в пределах 10 мкм и 1 мкм. Применительно к продукции компании РОФИН-СИНАР (Rofin-Sinar Laser GmbH) – это диффузионно охлаждаемые CO2-SLAB лазеры с мощностью 1–8 кВт и длиной волны 10,6 мкм, а также волоконные лазеры с мощностью 0,5–4 кВт и длиной волны от 1070 нм до 1080 нм. На рис.1 показаны примерный круг вопросов, с которыми придется столкнуться потребителю в процессе разработки проекта и выбора для него необходимого лазерного оборудования. Но сначала один важный совет тем, кто хочет воспользоваться лазером для операций металлообработки: ни в коем случае не следует руководствоваться лишь тем, что написано в спецификациях.
Длина волны – качество луча – поглощение
Длина волны λ излучения напрямую влияет на наиболее важные параметры прикладного применения лазера. Так, у различных типов лазеров, оснащенных идентичными по характеристикам оптическими системами, отчетливо заметны различия по диаметру пятна фокусирования и интенсивности мощности в фокусном сечении лазерного пучка (рис.2). Если говорить о волоконных лазерах, то уменьшение длины волны на один порядок позволяет получить существенно меньшее пятно луча на обрабатываемой детали.
Сказанное выше полностью справедливо для типичных фокусных расстояний, составляющих около 127 мм для резки и до 300 мм для классической сварки. Однако, ориентироваться при выборе конкретного лазерного изделия на присвоенный ему унифицированный показатель качества лазерного излучения, например параметр K или M2, не стоит, потому что в данном случае он малоинформативен. Гораздо важнее обратить внимание на показатель качества пучка, теоретический предел которого для SLAB лазера составляет ~3,4 мм/рад, а для волоконного – ~0,34 мм/рад. Решать же вопрос, насколько критично малое фокусное расстояние, следует, исходя из конкретных целей применения. Для классической сварки основополагающими критериями являются ширина сварного шва, а также его способность выдерживать воздействующие крутящие моменты и силы. Высокая скорость резки тонкого листового материала менее 3 мм достижима при малых фокусных расстояниях. Резка же толстого материала сопряжена, как правило, с трудностью удаления расплава из зоны резки, поэтому для данного применения эффективнее использовать лазер с увеличенным размером пятна луча.
Кроме этого, длина волны оказывает существенное влияние на поглощение лазерного излучения обрабатываемым материалом. С этой точки зрения идеальным вариантом для резки дерева, синтетики (в том числе стеклопластика), стекла, тканей и бумаги, является CO2-лазер, генерирующий длинноволновое излучение в инфракрасном диапазоне. Для волоконных лазеров с их малой длиной волны поглощение излучения не играет какой-либо значимой роли применительно к этим материалам.
Металлические материалы, наоборот, лучше поглощают коротковолновое излучение. На рис.3 показана степень поглощения различных материалов в зависимости от длины волны. Железо и сталь вполне успешно можно обрабатывать с помощью SLAB- лазеров. Неплохой результат, к тому же при меньшей мощности, показывают волоконные лазеры. Они же являются практически единственным вариантом для обработки меди. Лазеры с длиной волны около 1 мкм намного эффективнее длинноволновых при обработке цветных и благородных металлов. Это же относится к алюминию, входящему в состав многих сплавов и обладающему высокой способностью к поглощению коротковолнового лазерного излучения.
Поляризация – лазерная резка – скорость
Наряду с вышеупомянутым поглощением, связанным с длиной волны излучения, не менее важную роль в передаче энергии электромагнитного излучения в толщу материала играет закон Френеля. Согласно закону, отражение и преломление для диэлектриков зависит от угла падения света и относительного коэффициента преломления на границе двух сред. При этом отражение поверхности зависит как от свойств обрабатываемого материала (магнитной проницаемости μ) и угла падения луча, так и от направления плоскости его поляризации (перпендикулярного – s-поляризация или параллельного – p-поляризация). Это открывает фундаментальную возможность для оптимизации передачи энергии материалу применительно к конкретным производственным целям. Однако реализовать ее технологически крайне непросто. Ведь тогда фокусирующая головка должна находиться в непрерывном вращении для синхронизации направления поляризации с направлением подачи обрабатываемого материала. И оптимального решения этой проблемы пока не найдено.
Чтобы как-то обойти данную техническую проблему и преобразовать линейно поляризованные пучки света в пучки света с круговой поляризацией, в конструкцию СО2-лазеров с их технологически обусловленной линейной поляризацией излучения было введено фазосдвигающее зеркало λ/4 для сдвига фазы колебаний s- и p-составляющих линейно-поляризованного пучка света относительно друг друга.* Не менее сложным выглядит вопрос с поляризацией для волоконных лазеров, поскольку луч, пройдя по пассивному транспортному волноводу, меняет свое первоначальное направление поляризации на случайное. На рис.4 а и б представлены зависимости коэффициента поглощения, вычисленные по формулам Френеля для лазерного излучения с длиной волны 10 мкм и 1 мкм. Красная и синяя кривые относятся к лучу с круговой поляризацией или случайной поляризацией.
Что касается лазерной резки плавлением с использованием азота, то здесь важно учитывать величину угла наклона луча к фронту резки, причем угол должен быть тем ближе к 90о, чем толще обрабатываемый материал. Это наглядно демонстрируют диаграммы, приведенные на рис.4 и 5. Как следует из приведенных графиков, оптимальное поглощение достигается при обработке волоконным лазером тонколистового материала, CO2-лазером, наоборот, – материала со значительной толщиной. Это подтверждают также тесты, выполненные в производственных условиях. На рис.5 показана сравнительная диаграмма скорости резки для обоих типов лазеров мощностью около 2 кВт. Начиная с толщины обрабатываемого материала, равной 4 мм, влияние наклона луча негативно сказывается на передаче энергии излучения с длиной волны 1 мкм, при этом результаты по скорости резки становятся практически идентичными.
Что касается газопламенной резки с использованием кислорода, то ни одному из названных типов лазеров невозможно отдать предпочтение, поскольку достижимая скорость определяется главным образом процессом горения кислорода. Демонстрировать это на графиках мы не будем. Упомянем лишь, что скорость газопламенной резки листового металла толщиной более 5 мм превосходит скорость резки плавлением и соответственно ниже нее при резке более тонкого материала.
Говоря о поглощении и скоростных показателях, нельзя не сказать, что резка некоторых материалов (например, меди и цветных металлов, а также в большинстве случаев – алюминия) предпочтительна либо вообще возможна, как уже говорилось в предыдущем разделе, только с использованием волоконных лазеров.
Следует обратить внимание и на другой аспект резки – ее качество, которое не менее важно, чем скорость. Здесь результаты, демонстрируемые CO2- и волоконными лазерами, существенно разняться (рис.6). Дать детальное объяснение этому – задача современной науки. Укажем лишь, что качество кромок, получаемое в процессе газопламенной резки, для обоих типов лазеров практически одинаковое. При резке плавлением волоконными лазерами шероховатость резко возрастает с увеличением толщины обрабатываемого материла, что, естественно, не приветствуется производителями. В заключение обобщим сказанное выше. Волоконные лазеры имеют неоспоримое преимущество при резке плавлением тонколистового материала. Учитывая достаточно хорошее качество кромок при обработке материалов толщиной до 3 мм, эта область может стать в ближайшем будущем их вотчиной. CO2-лазеры демонстрируют высокое качество резки плавлением материалов значительной толщины. В области газопламенной резки показатели обоих типов лазеров примерно одинаковы. Так что производителю следует руководствоваться здесь скорее соображениями стоимости. Но подробнее об этом поговорим в следующем разделе.
Лазерная сварка – качество – брызгообразование
В процессе сварки лазерным лучом, как и при резке, также образуется расплав металла – с той лишь разницей, что в данном случае отсутствует его удаление под воздействием давления газа. В полной мере применимо к сварке и все то, что говорилось ранее относительно поглощения, поляризации и величины наклона лазерного луча (здесь – относительно фронта парового капилляра). Нетрудно сделать вывод, что при глубине шва в пределах нескольких миллиметров волоконный лазер обеспечивает в большинстве случаев более высокую рабочую скорость. Но не следует забывать и о качестве, чтобы более полно понять различие между обоими типами лазеров применительно к сварке (рис.7). Волоконные лазеры, обладающие лучшей фокусируемостью при идентичном качестве пучка, позволяют обеспечить более высокую интенсивность луча за счет использования более короткого фокусного расстояния. Качество сварки во многом зависит от геометрии шва, формы стыка и характеристик материала. Часто именно они обусловливают существенную неровность верхнего валика шва и усиленное брызгообразование. К сожалению, пока не удалось вывести какую-либо четкую закономерность: когда и с какой интенсивностью будет наблюдаться брызгообразование, однако чаще (но не обязательно) оно проявляется при длине волны около 1 мкм.
К обоим типам лазеров можно применить следующее технологическое правило: поперечное сечение сварного шва пропорционально энергии на единицу длины, вычисленную как мощность лазера, поделенная на скорость сварки. Как правило, поперечное сечение рассчитывается заранее, исходя из заданных величин сил и вращающих моментов, которые будут воздействовать на деталь. Скорость сварки определяется временем рабочего такта проектируемой производственной установки. Увеличение скорости при неизменной мощности ведет к уменьшению площади поперечного сечения шва, и наоборот – уменьшение скорости обусловливает формирование шва с большей площадью поперечного сечения. При низких скоростях сварки глубина шва почти не зависит от размера фокусного пятна. При высоких скоростях сварки глубина шва соотносится с мощностью лазера, поделенной на размер фокусного пятна.
Волоконные лазеры, характеризующиеся лучшей абсорбцией излучения при выполнении различных сварочных операций, обеспечивают большую глубину шва при меньшей мощности, чем CO2-лазеры. Адаптация под геометрию шва выполняется обычно путем использования оптических волокон соответствующего диаметра и/или применения двухлучевой оптики. Чтобы адаптировать излучение CO2-SLAB лазеров для целей сварки, в частности, для получения поляризационно-неоднородной моды*, используют спиралевидные зеркала.
Кажется, что сравнение обоих лазерных технологий однозначно говорит в пользу волоконных лазеров, однако недостаточно полно изученное брызгообразование может свести это преимущество практически на нет. Например, CO2-лазер показал в одном из практических применений в два раза меньшее образование мелкого и в три с половиной раза крупного сварочного грата, вследствие чего от использования волоконного лазера пришлось отказаться из-за недостаточно высокого качества получаемой поверхности. Выбор той или иной технологии зависит в первую очередь от конкретного применения. Создать более глубокий сварной шов (начиная с ~ 8 мм) проще с помощью CO2-лазера, чем волоконного лазера, который для этой цели должен обладать существенно большей мощностью, что значительно повышает риск брызгообрзования и получения крайне неровной поверхности верхнего валика шва.
Для защиты образующейся в процессе сварки ванны расплавленного металла от окисления и формирования ровной поверхности верхнего валика шва применяют защитный инертный газ. При сварке с помощью CO2-лазера его использование считается обязательным для предотвращения возникновения эффекта экранирования образующимся облаком плазмы. Ранее в качестве защитного газа в основном использовали гелий. В настоящее время по соображениям стоимости чаще применяют аргон, CO2 или азот. Понятно, что расходы на газ не могут не сказываться на суммарном увеличении производственных расходов.
Первоначально при сварке лазерами с длиной волны 1 мкм защитный газ не использовался, поскольку считалось, что в этом случае эффект экранирования облаком плазмы возникнуть не может. Однако, качество поверхности сварного шва получалось настолько низким (наличие пор, отверстий), что удовлетворительным можно было признать лишь около 80% его длины. Для водо- или газонепроницаемых швов качество поверхности не играет значимой роли, другое дело при сварке деталей автомобильных кузовов, предназначенных для последующей покраски погружением и установки герметизирующих уплотнений.
Кроме этого, возможно возникновение так называемого эффекта рассеяния Ми, т. е. рассеяния электромагнитных волн на сферических частицах, имеющих размер, сравнимый с длиной волны*. Частицы, взвешенные в сварочном дыме, как правило, отвечают данному критерию, что затрудняет поглощение материалом мощности лазерного излучения. Для подавления эффекта рассеяния сварку лазерами с длиной волны 1 мкм часто выполняют в перекрестном сверхзвуковом воздушном потоке, удаляющем частицы и обеспечивающим защиту оптических поверхностей от появления царапин и оседания загрязнений. Разумеется, это опять ведет к увеличению эксплуатационных расходов, в данном случае связанным со снабжением сжатым воздухом высокой степени очистки.
Инвестиции – производственные затраты – эксплуатация
Подходя к вопросу об инвестициях и учитывая более высокую производительность волоконных лазеров при сварке с формированием шва большой глубины, о чем было сказано в предыдущем разделе, следует обратить внимание сразу на несколько аспектов. Если брать только стоимость лазерного источника, то цена волоконного лазера составляет приблизительно 130% цены CO2-лазера сравнимой мощности. При этом при одной и той же мощности волоконный лазер демонстрирует более высокую скорость при обработке тонколистовых материалов, а значит, от него можно ожидать и более высокой технологической эффективности.
Следует также учитывать стоимость самой производственной установки, в которую предполагается интегрировать лазер, и, разумеется, стоимость периферийного оборудования. Последнее замечание включает обычно вопросы системы обеспечения лазерным газом, системы продувки воздухом, системы охлаждения и электропитания, а также системы подачи защитного газа и/или сжатого воздуха.
Что касается обеспечения электроэнергией и охлаждения, то волоконные лазеры с присущим им типичным КПД порядка свыше 25% (отношение мощность излучения к эффективной электрической мощности) требуют гораздо менее габаритных инсталляций, например, меньших по размеру систем охлаждения, что в конечном итоге выражается и в меньшем энергопотреблении. Максимальный же КПД CO2-лазера составляет не более 13%, а типичный и того меньше – 8–10%. Волоконные лазеры не требуют лазерного газа и продувочного воздуха. SLAB-лазеры, у которых в лазерную головку интегрирован газовый баллон, также могут обходиться без внешнего источника снабжения лазерным газом.
Применительно к самой производственной установке следует упомянуть о двух важных проблемах. Волоконные лазеры в большинстве применений демонстрируют более высокие скорости обработки тонколистовых материалов. Для того чтобы трансформировать эту особенность в конечном итоге в более высокую производительность (например, выход готовых деталей), производственная установка должна обладать более высокими динамическими характеристиками, чем если бы в ней использовался CO2-лазер. С другой стороны, если производственная установка имеет стандартное исполнение, не позволяющее в полной мере раскрыть потенциал волоконного лазера, то здесь выбор CO2-лазера вполне очевиден и оправдан его меньшей стоимостью. Кроме этого, управление лазерным лучом посредством “летучей” оптики, используемой в CO2-лазерах, оказалось за многие годы эксплуатации настолько хорошо освоено, что использование волоконных световодов вряд будет выглядеть как более дешевое решение.
Еще один аспект – это экранирование излучения волоконного лазера, который для этой цели должен быть полностью заключен в кожух из листового металла со смотровыми стеклами, которые сами по себе не дешевы. Для CO2-лазера достаточно, как правило, исполнение кожуха из PMMA (полиметилметакрилата). При этом допускается конструкция производственной установки с открытым верхом.
На основании вышесказанного нетрудно убедиться, что использование CO2-лазера в производственной установке, предназначенной для газопламенной резки, выглядит гораздо более выгодным с точки зрения инвестиций, хотя, что касается эффективности и производительности, то о каких-либо преимуществах говорить не приходится.
Затраты на эксплуатацию лазерных установок складываются в зависимости от конкретного применения в основном из расходов на электроэнергию, лазерный и технологический газ, продувочный и сжатый воздух. Что касается самого источника лазерного излучения, то производственные затраты обусловливаются главным образом расходами на уход и техническое обслуживание. Для CO2-лазеров, выпускаемых компанией РОФИН-СИНАР, это, к примеру, расходы на замену оптических деталей резонатора, комплектов стеклянных труб, на наладочные и сервисные работы, включающие периодическую замену лазерных трубок и смену масла в циркуляционных насосах. Эксплуатация SLAB-лазеров требует, в отличие от CO2-лазеров, меньших затрат, которые ограничиваются в основном расходами на контрольные и наладочные работы, а также на замену лазерных трубок. Волоконные лазеры вообще не требуют ухода в его традиционном понимании, связанном с заменой изнашивающихся деталей. Их обслуживание сводится к инспекционным работам и периодической проверке рабочих установок и параметров. Срок службы лазерных диодов, который в прошлом являлся одним из основных факторов, обусловливающих величину затрат на эксплуатацию твердотельных лазеров, составляет сегодня в среднем 50 тыс. рабочих часов и не играет, что касается эксплуатационных расходов, решающей роли. Не следует забывать также, что диодная сборка – это интегрированная часть лазера, которая, естественно, входит в его стоимость. Поэтому какие-либо расчеты затрат в евро/ч применительно к первоначальной комплектации твердотельного лазера лазерной сборкой вообще не имеют смысла.
Другой аспект затрат – уход за оптикой и ее замена. Здесь CO2-лазеры с их легко чистящейся зеркальной оптикой имеют неоспоримое преимущество перед волоконными лазерами, конструкция которых базируется на кварцевой оптике, чувствительной к внешним воздействиям и требующей бережного обращения. Что касается затрат на технологические газы и их расхода, то здесь цифры, как правило, сопоставимы. Однако следует учитывать, что при использовании, к примеру, сопла большого диаметра для резки плавлением можно затратить гораздо больше средств на повышенный расход азота, чем сэкономить за счет большей эффективности технологического процесса.
Заключение
Обе лазерные технологии имеют полное право на существование и присутствие на современном рынке, дополняя и частично перекрывая друг друга. Именно поэтому для потребителя и эксплуатанта крайне важен комплексный подход к выбору оптимального решения, в основе которого лежала бы всесторонняя оценка всех факторов, говорящих “за” и “против”. Простое решение вопроса – “либо волоконный, либо CO2-лазер” – представляется явно поверхностным.
Потребитель должен трезво оценить, сможет ли он за счет более низких затрат на эксплуатацию волоконного лазера покрыть в течение соразмерного временного отрезка более высокую стоимость производственной установки. Ему следует спросить себя, насколько достижимое качество будет удовлетворять его потребностям, явятся ли приобретаемая им установка, лазер и периферия тем оптимальным решением, которое ему необходимо. Не следует также упускать из виду еще одну немаловажную величину, которую всегда следует брать в расчет, а именно издержки в расчете на единицу продукции. Она измеряется в евро и определяется, например, что касается сварки, индивидуально применительно к каждому конкретному случаю. Здесь по стоимостным показателям победителем окажется волоконный лазер, но по качеству обработки – CO2-лазер, причем с весомым отрывом. Волоконный лазер – бесспорный лидер в области резки плавлением тонколистовых материалов. Но CO2-лазер, который многие поспешили списать со счетов, не сдается, демонстрируя превосходные результаты в резке материалов большой толщины, а также в газопламенной резке.
CO2-лазеры с длиной волны 10,6 мкм,
твердотельные лазеры с длиной волны около 1 мкм,
диодные лазеры с длиной волны от 880 нм до 1040 нм.
Поскольку рамки статьи не позволяют подробно рассмотреть все три технологии, сконцентрируемся на лазерах с длиной волны в пределах 10 мкм и 1 мкм. Применительно к продукции компании РОФИН-СИНАР (Rofin-Sinar Laser GmbH) – это диффузионно охлаждаемые CO2-SLAB лазеры с мощностью 1–8 кВт и длиной волны 10,6 мкм, а также волоконные лазеры с мощностью 0,5–4 кВт и длиной волны от 1070 нм до 1080 нм. На рис.1 показаны примерный круг вопросов, с которыми придется столкнуться потребителю в процессе разработки проекта и выбора для него необходимого лазерного оборудования. Но сначала один важный совет тем, кто хочет воспользоваться лазером для операций металлообработки: ни в коем случае не следует руководствоваться лишь тем, что написано в спецификациях.
Длина волны – качество луча – поглощение
Длина волны λ излучения напрямую влияет на наиболее важные параметры прикладного применения лазера. Так, у различных типов лазеров, оснащенных идентичными по характеристикам оптическими системами, отчетливо заметны различия по диаметру пятна фокусирования и интенсивности мощности в фокусном сечении лазерного пучка (рис.2). Если говорить о волоконных лазерах, то уменьшение длины волны на один порядок позволяет получить существенно меньшее пятно луча на обрабатываемой детали.
Сказанное выше полностью справедливо для типичных фокусных расстояний, составляющих около 127 мм для резки и до 300 мм для классической сварки. Однако, ориентироваться при выборе конкретного лазерного изделия на присвоенный ему унифицированный показатель качества лазерного излучения, например параметр K или M2, не стоит, потому что в данном случае он малоинформативен. Гораздо важнее обратить внимание на показатель качества пучка, теоретический предел которого для SLAB лазера составляет ~3,4 мм/рад, а для волоконного – ~0,34 мм/рад. Решать же вопрос, насколько критично малое фокусное расстояние, следует, исходя из конкретных целей применения. Для классической сварки основополагающими критериями являются ширина сварного шва, а также его способность выдерживать воздействующие крутящие моменты и силы. Высокая скорость резки тонкого листового материала менее 3 мм достижима при малых фокусных расстояниях. Резка же толстого материала сопряжена, как правило, с трудностью удаления расплава из зоны резки, поэтому для данного применения эффективнее использовать лазер с увеличенным размером пятна луча.
Кроме этого, длина волны оказывает существенное влияние на поглощение лазерного излучения обрабатываемым материалом. С этой точки зрения идеальным вариантом для резки дерева, синтетики (в том числе стеклопластика), стекла, тканей и бумаги, является CO2-лазер, генерирующий длинноволновое излучение в инфракрасном диапазоне. Для волоконных лазеров с их малой длиной волны поглощение излучения не играет какой-либо значимой роли применительно к этим материалам.
Металлические материалы, наоборот, лучше поглощают коротковолновое излучение. На рис.3 показана степень поглощения различных материалов в зависимости от длины волны. Железо и сталь вполне успешно можно обрабатывать с помощью SLAB- лазеров. Неплохой результат, к тому же при меньшей мощности, показывают волоконные лазеры. Они же являются практически единственным вариантом для обработки меди. Лазеры с длиной волны около 1 мкм намного эффективнее длинноволновых при обработке цветных и благородных металлов. Это же относится к алюминию, входящему в состав многих сплавов и обладающему высокой способностью к поглощению коротковолнового лазерного излучения.
Поляризация – лазерная резка – скорость
Наряду с вышеупомянутым поглощением, связанным с длиной волны излучения, не менее важную роль в передаче энергии электромагнитного излучения в толщу материала играет закон Френеля. Согласно закону, отражение и преломление для диэлектриков зависит от угла падения света и относительного коэффициента преломления на границе двух сред. При этом отражение поверхности зависит как от свойств обрабатываемого материала (магнитной проницаемости μ) и угла падения луча, так и от направления плоскости его поляризации (перпендикулярного – s-поляризация или параллельного – p-поляризация). Это открывает фундаментальную возможность для оптимизации передачи энергии материалу применительно к конкретным производственным целям. Однако реализовать ее технологически крайне непросто. Ведь тогда фокусирующая головка должна находиться в непрерывном вращении для синхронизации направления поляризации с направлением подачи обрабатываемого материала. И оптимального решения этой проблемы пока не найдено.
Чтобы как-то обойти данную техническую проблему и преобразовать линейно поляризованные пучки света в пучки света с круговой поляризацией, в конструкцию СО2-лазеров с их технологически обусловленной линейной поляризацией излучения было введено фазосдвигающее зеркало λ/4 для сдвига фазы колебаний s- и p-составляющих линейно-поляризованного пучка света относительно друг друга.* Не менее сложным выглядит вопрос с поляризацией для волоконных лазеров, поскольку луч, пройдя по пассивному транспортному волноводу, меняет свое первоначальное направление поляризации на случайное. На рис.4 а и б представлены зависимости коэффициента поглощения, вычисленные по формулам Френеля для лазерного излучения с длиной волны 10 мкм и 1 мкм. Красная и синяя кривые относятся к лучу с круговой поляризацией или случайной поляризацией.
Что касается лазерной резки плавлением с использованием азота, то здесь важно учитывать величину угла наклона луча к фронту резки, причем угол должен быть тем ближе к 90о, чем толще обрабатываемый материал. Это наглядно демонстрируют диаграммы, приведенные на рис.4 и 5. Как следует из приведенных графиков, оптимальное поглощение достигается при обработке волоконным лазером тонколистового материала, CO2-лазером, наоборот, – материала со значительной толщиной. Это подтверждают также тесты, выполненные в производственных условиях. На рис.5 показана сравнительная диаграмма скорости резки для обоих типов лазеров мощностью около 2 кВт. Начиная с толщины обрабатываемого материала, равной 4 мм, влияние наклона луча негативно сказывается на передаче энергии излучения с длиной волны 1 мкм, при этом результаты по скорости резки становятся практически идентичными.
Что касается газопламенной резки с использованием кислорода, то ни одному из названных типов лазеров невозможно отдать предпочтение, поскольку достижимая скорость определяется главным образом процессом горения кислорода. Демонстрировать это на графиках мы не будем. Упомянем лишь, что скорость газопламенной резки листового металла толщиной более 5 мм превосходит скорость резки плавлением и соответственно ниже нее при резке более тонкого материала.
Говоря о поглощении и скоростных показателях, нельзя не сказать, что резка некоторых материалов (например, меди и цветных металлов, а также в большинстве случаев – алюминия) предпочтительна либо вообще возможна, как уже говорилось в предыдущем разделе, только с использованием волоконных лазеров.
Следует обратить внимание и на другой аспект резки – ее качество, которое не менее важно, чем скорость. Здесь результаты, демонстрируемые CO2- и волоконными лазерами, существенно разняться (рис.6). Дать детальное объяснение этому – задача современной науки. Укажем лишь, что качество кромок, получаемое в процессе газопламенной резки, для обоих типов лазеров практически одинаковое. При резке плавлением волоконными лазерами шероховатость резко возрастает с увеличением толщины обрабатываемого материла, что, естественно, не приветствуется производителями. В заключение обобщим сказанное выше. Волоконные лазеры имеют неоспоримое преимущество при резке плавлением тонколистового материала. Учитывая достаточно хорошее качество кромок при обработке материалов толщиной до 3 мм, эта область может стать в ближайшем будущем их вотчиной. CO2-лазеры демонстрируют высокое качество резки плавлением материалов значительной толщины. В области газопламенной резки показатели обоих типов лазеров примерно одинаковы. Так что производителю следует руководствоваться здесь скорее соображениями стоимости. Но подробнее об этом поговорим в следующем разделе.
Лазерная сварка – качество – брызгообразование
В процессе сварки лазерным лучом, как и при резке, также образуется расплав металла – с той лишь разницей, что в данном случае отсутствует его удаление под воздействием давления газа. В полной мере применимо к сварке и все то, что говорилось ранее относительно поглощения, поляризации и величины наклона лазерного луча (здесь – относительно фронта парового капилляра). Нетрудно сделать вывод, что при глубине шва в пределах нескольких миллиметров волоконный лазер обеспечивает в большинстве случаев более высокую рабочую скорость. Но не следует забывать и о качестве, чтобы более полно понять различие между обоими типами лазеров применительно к сварке (рис.7). Волоконные лазеры, обладающие лучшей фокусируемостью при идентичном качестве пучка, позволяют обеспечить более высокую интенсивность луча за счет использования более короткого фокусного расстояния. Качество сварки во многом зависит от геометрии шва, формы стыка и характеристик материала. Часто именно они обусловливают существенную неровность верхнего валика шва и усиленное брызгообразование. К сожалению, пока не удалось вывести какую-либо четкую закономерность: когда и с какой интенсивностью будет наблюдаться брызгообразование, однако чаще (но не обязательно) оно проявляется при длине волны около 1 мкм.
К обоим типам лазеров можно применить следующее технологическое правило: поперечное сечение сварного шва пропорционально энергии на единицу длины, вычисленную как мощность лазера, поделенная на скорость сварки. Как правило, поперечное сечение рассчитывается заранее, исходя из заданных величин сил и вращающих моментов, которые будут воздействовать на деталь. Скорость сварки определяется временем рабочего такта проектируемой производственной установки. Увеличение скорости при неизменной мощности ведет к уменьшению площади поперечного сечения шва, и наоборот – уменьшение скорости обусловливает формирование шва с большей площадью поперечного сечения. При низких скоростях сварки глубина шва почти не зависит от размера фокусного пятна. При высоких скоростях сварки глубина шва соотносится с мощностью лазера, поделенной на размер фокусного пятна.
Волоконные лазеры, характеризующиеся лучшей абсорбцией излучения при выполнении различных сварочных операций, обеспечивают большую глубину шва при меньшей мощности, чем CO2-лазеры. Адаптация под геометрию шва выполняется обычно путем использования оптических волокон соответствующего диаметра и/или применения двухлучевой оптики. Чтобы адаптировать излучение CO2-SLAB лазеров для целей сварки, в частности, для получения поляризационно-неоднородной моды*, используют спиралевидные зеркала.
Кажется, что сравнение обоих лазерных технологий однозначно говорит в пользу волоконных лазеров, однако недостаточно полно изученное брызгообразование может свести это преимущество практически на нет. Например, CO2-лазер показал в одном из практических применений в два раза меньшее образование мелкого и в три с половиной раза крупного сварочного грата, вследствие чего от использования волоконного лазера пришлось отказаться из-за недостаточно высокого качества получаемой поверхности. Выбор той или иной технологии зависит в первую очередь от конкретного применения. Создать более глубокий сварной шов (начиная с ~ 8 мм) проще с помощью CO2-лазера, чем волоконного лазера, который для этой цели должен обладать существенно большей мощностью, что значительно повышает риск брызгообрзования и получения крайне неровной поверхности верхнего валика шва.
Для защиты образующейся в процессе сварки ванны расплавленного металла от окисления и формирования ровной поверхности верхнего валика шва применяют защитный инертный газ. При сварке с помощью CO2-лазера его использование считается обязательным для предотвращения возникновения эффекта экранирования образующимся облаком плазмы. Ранее в качестве защитного газа в основном использовали гелий. В настоящее время по соображениям стоимости чаще применяют аргон, CO2 или азот. Понятно, что расходы на газ не могут не сказываться на суммарном увеличении производственных расходов.
Первоначально при сварке лазерами с длиной волны 1 мкм защитный газ не использовался, поскольку считалось, что в этом случае эффект экранирования облаком плазмы возникнуть не может. Однако, качество поверхности сварного шва получалось настолько низким (наличие пор, отверстий), что удовлетворительным можно было признать лишь около 80% его длины. Для водо- или газонепроницаемых швов качество поверхности не играет значимой роли, другое дело при сварке деталей автомобильных кузовов, предназначенных для последующей покраски погружением и установки герметизирующих уплотнений.
Кроме этого, возможно возникновение так называемого эффекта рассеяния Ми, т. е. рассеяния электромагнитных волн на сферических частицах, имеющих размер, сравнимый с длиной волны*. Частицы, взвешенные в сварочном дыме, как правило, отвечают данному критерию, что затрудняет поглощение материалом мощности лазерного излучения. Для подавления эффекта рассеяния сварку лазерами с длиной волны 1 мкм часто выполняют в перекрестном сверхзвуковом воздушном потоке, удаляющем частицы и обеспечивающим защиту оптических поверхностей от появления царапин и оседания загрязнений. Разумеется, это опять ведет к увеличению эксплуатационных расходов, в данном случае связанным со снабжением сжатым воздухом высокой степени очистки.
Инвестиции – производственные затраты – эксплуатация
Подходя к вопросу об инвестициях и учитывая более высокую производительность волоконных лазеров при сварке с формированием шва большой глубины, о чем было сказано в предыдущем разделе, следует обратить внимание сразу на несколько аспектов. Если брать только стоимость лазерного источника, то цена волоконного лазера составляет приблизительно 130% цены CO2-лазера сравнимой мощности. При этом при одной и той же мощности волоконный лазер демонстрирует более высокую скорость при обработке тонколистовых материалов, а значит, от него можно ожидать и более высокой технологической эффективности.
Следует также учитывать стоимость самой производственной установки, в которую предполагается интегрировать лазер, и, разумеется, стоимость периферийного оборудования. Последнее замечание включает обычно вопросы системы обеспечения лазерным газом, системы продувки воздухом, системы охлаждения и электропитания, а также системы подачи защитного газа и/или сжатого воздуха.
Что касается обеспечения электроэнергией и охлаждения, то волоконные лазеры с присущим им типичным КПД порядка свыше 25% (отношение мощность излучения к эффективной электрической мощности) требуют гораздо менее габаритных инсталляций, например, меньших по размеру систем охлаждения, что в конечном итоге выражается и в меньшем энергопотреблении. Максимальный же КПД CO2-лазера составляет не более 13%, а типичный и того меньше – 8–10%. Волоконные лазеры не требуют лазерного газа и продувочного воздуха. SLAB-лазеры, у которых в лазерную головку интегрирован газовый баллон, также могут обходиться без внешнего источника снабжения лазерным газом.
Применительно к самой производственной установке следует упомянуть о двух важных проблемах. Волоконные лазеры в большинстве применений демонстрируют более высокие скорости обработки тонколистовых материалов. Для того чтобы трансформировать эту особенность в конечном итоге в более высокую производительность (например, выход готовых деталей), производственная установка должна обладать более высокими динамическими характеристиками, чем если бы в ней использовался CO2-лазер. С другой стороны, если производственная установка имеет стандартное исполнение, не позволяющее в полной мере раскрыть потенциал волоконного лазера, то здесь выбор CO2-лазера вполне очевиден и оправдан его меньшей стоимостью. Кроме этого, управление лазерным лучом посредством “летучей” оптики, используемой в CO2-лазерах, оказалось за многие годы эксплуатации настолько хорошо освоено, что использование волоконных световодов вряд будет выглядеть как более дешевое решение.
Еще один аспект – это экранирование излучения волоконного лазера, который для этой цели должен быть полностью заключен в кожух из листового металла со смотровыми стеклами, которые сами по себе не дешевы. Для CO2-лазера достаточно, как правило, исполнение кожуха из PMMA (полиметилметакрилата). При этом допускается конструкция производственной установки с открытым верхом.
На основании вышесказанного нетрудно убедиться, что использование CO2-лазера в производственной установке, предназначенной для газопламенной резки, выглядит гораздо более выгодным с точки зрения инвестиций, хотя, что касается эффективности и производительности, то о каких-либо преимуществах говорить не приходится.
Затраты на эксплуатацию лазерных установок складываются в зависимости от конкретного применения в основном из расходов на электроэнергию, лазерный и технологический газ, продувочный и сжатый воздух. Что касается самого источника лазерного излучения, то производственные затраты обусловливаются главным образом расходами на уход и техническое обслуживание. Для CO2-лазеров, выпускаемых компанией РОФИН-СИНАР, это, к примеру, расходы на замену оптических деталей резонатора, комплектов стеклянных труб, на наладочные и сервисные работы, включающие периодическую замену лазерных трубок и смену масла в циркуляционных насосах. Эксплуатация SLAB-лазеров требует, в отличие от CO2-лазеров, меньших затрат, которые ограничиваются в основном расходами на контрольные и наладочные работы, а также на замену лазерных трубок. Волоконные лазеры вообще не требуют ухода в его традиционном понимании, связанном с заменой изнашивающихся деталей. Их обслуживание сводится к инспекционным работам и периодической проверке рабочих установок и параметров. Срок службы лазерных диодов, который в прошлом являлся одним из основных факторов, обусловливающих величину затрат на эксплуатацию твердотельных лазеров, составляет сегодня в среднем 50 тыс. рабочих часов и не играет, что касается эксплуатационных расходов, решающей роли. Не следует забывать также, что диодная сборка – это интегрированная часть лазера, которая, естественно, входит в его стоимость. Поэтому какие-либо расчеты затрат в евро/ч применительно к первоначальной комплектации твердотельного лазера лазерной сборкой вообще не имеют смысла.
Другой аспект затрат – уход за оптикой и ее замена. Здесь CO2-лазеры с их легко чистящейся зеркальной оптикой имеют неоспоримое преимущество перед волоконными лазерами, конструкция которых базируется на кварцевой оптике, чувствительной к внешним воздействиям и требующей бережного обращения. Что касается затрат на технологические газы и их расхода, то здесь цифры, как правило, сопоставимы. Однако следует учитывать, что при использовании, к примеру, сопла большого диаметра для резки плавлением можно затратить гораздо больше средств на повышенный расход азота, чем сэкономить за счет большей эффективности технологического процесса.
Заключение
Обе лазерные технологии имеют полное право на существование и присутствие на современном рынке, дополняя и частично перекрывая друг друга. Именно поэтому для потребителя и эксплуатанта крайне важен комплексный подход к выбору оптимального решения, в основе которого лежала бы всесторонняя оценка всех факторов, говорящих “за” и “против”. Простое решение вопроса – “либо волоконный, либо CO2-лазер” – представляется явно поверхностным.
Потребитель должен трезво оценить, сможет ли он за счет более низких затрат на эксплуатацию волоконного лазера покрыть в течение соразмерного временного отрезка более высокую стоимость производственной установки. Ему следует спросить себя, насколько достижимое качество будет удовлетворять его потребностям, явятся ли приобретаемая им установка, лазер и периферия тем оптимальным решением, которое ему необходимо. Не следует также упускать из виду еще одну немаловажную величину, которую всегда следует брать в расчет, а именно издержки в расчете на единицу продукции. Она измеряется в евро и определяется, например, что касается сварки, индивидуально применительно к каждому конкретному случаю. Здесь по стоимостным показателям победителем окажется волоконный лазер, но по качеству обработки – CO2-лазер, причем с весомым отрывом. Волоконный лазер – бесспорный лидер в области резки плавлением тонколистовых материалов. Но CO2-лазер, который многие поспешили списать со счетов, не сдается, демонстрируя превосходные результаты в резке материалов большой толщины, а также в газопламенной резке.
Отзывы читателей
