eng
С самого начала CO2-лазеры проявили себя как "рабочие лошадки" в промышленных лазерных макро областях применения благодаря своей надежности, рентабельности и безопасности. С возникновением технологии диффузионного охлаждения удалось увеличить мощность CO2–slab-лазеров до 8 кВт, и CO2-лазеры стали охватывать весь основной диапазон промышленного применения лазеров. Во второй части обзора рассмотрены рабочие параметры лазерной резки и сварки.
Теги: laser beam quality slab laser slab-лазер качество лазерного луча со2-laser technology технология со2-лазера
ЛАЗЕР CO2:
гибкое, надежное и испытанное средство*
Р. Шаймарданов, ООО "ДЕГ-РУС", www.degrus.ru
С самого начала CO2-лазеры проявили себя как "рабочие лошадки" в промышленных лазерных макро областях применения благодаря своей надежности, рентабельности и безопасности. С возникновением технологии диффузионного охлаждения удалось увеличить мощность CO2-slab-лазеров до 8 кВт, и CO2-лазеры стали охватывать весь основной диапазон промышленного применения лазеров. Во второй части обзора рассмотрены рабочие параметры лазерной резки и сварки.
В производственных системах, оснащенных лазерами CO2, лазерное излучение передается через атмосферу окружающей среды с помощью медных отклоняющих луч зеркал. Эта система зеркал на техническом сленге сварщиков называется "летающая оптика". В конструкции лазерных станков либо перемещается заготовка, либо – зеркал. В последнем случае смещается фокусирующая головка. Лазеры с высоким качеством излучения генерируют луч низкой расходимости. Этот луч может подводиться на координатный стол без дополнительного расширительного телескопа. Кроме того, высокое по сравнению с традиционными газовыми лазерами качество излучения дает большую стабильность параметров фокуса в рабочей зоне.
Помимо основных направлений резки и сварки CO2-лазеры находят применение во многих других областях: рафинирование с помощью высокоскоростных сканирующих систем магнитного домена, удаление краски, очистка компонентов зубчатых механизмов перед лазерной сваркой, резка и сварка кварца, перфорация бумаги для сигарет, резка и маркировка текстиля.
Лазерная резка
Системы резки с использованием CO2-лазеров находят широкое применение в различных областях и опираются на разные концепции. Системы с пятью осями для 3D-применения, комбинации пуансон – лазер, столы с линейными приводами для резки плоских листов, системы сканирования для дистанционной резки текстиля, абразивной бумаги и дерева, системы резки труб, рулонов и т.д.
Резка лазером – наиболее распространенное применение лазеров. Дерево и пластик режутся CO2-лазером в основном благодаря тому, что этими материалы очень эффективно поглощают излучение с длиной волны 10,6 мкм. В то же время обработка этих материалов излучением твердотельного лазера с длинной волны 1 мкм практически невозможна. Использование лазеров с лучом высокого качества предпочтительно для материалов небольшой толщины – примерно не более 6 мм. Меньшее фокусное пятно лазеров с высоким качеством излучения дает более узкий рез. Это позволяет производить резку при большей скорости при заданной мощности или с меньшей мощностью при заданной скорости. Также высокое качество излучения предпочтительно для применения в сканирующих устройствах при резке, например, бумаги или текстиля.
Для резки стали применяются два метода: лазерная газопламенная резка с помощью кислорода низколегированной стали и лазерная резка плавлением с использованием азота высокого давления. В обоих методах излучение лазера не поглощается у поверхности материалов, но поглощается на расплавленном фронте резки. Угол падения лазерного луча можно рассчитать по соотношению величины фокусного пятна и толщины материала. Данный расчет представлен на рис.1. В зависимости от величины фокусного пятна угол падения становится больше 86° при толщине материала, приближающейся к 3–5 мм. Исходя из поглощательной способности стали очевидно, что для усредненной поляризации длина волны 1 мкм поглощается лучше для углов падения примерно до 86°. При больших значениях угла падения поглощательная способность CO2-лазера увеличивается (рис.2).
Лазерная газопламенная резка
Максимальная скорость кислородной лазерной газопламенной резки определяется не только мощностью лазера, но и ограничениями экзотермической химической реакции между кислородом и железом. Как следствие – зависимость скорости резки от мощности лазерного излучения не является линейной. Удвоение мощности не приводит к удвоению скорости резки. Высокое качество луча (рис.3) CO2-slab-лазеров позволяет достичь при обработке мягкой стали той же глубины реза, что и на традиционных лазерах, но при более низкой мощности.
Сравнение газопламенной резки CO2-лазером и волоконным лазером показывает наличие небольшого преимущества твердотельной технологии при толщине материала до 2 мм. Материал, обладающий более высокой толщиной, режется одинаково на обеих длинах волн лазерами аналогичной мощности и скорости резки.
Лазерная резка плавлением с помощью азота
Мощность лазера, необходимая для лазерной резки плавлением, выше, чем для лазерной газопламенной резки из-за отсутствия экзотермической реакции. Опыт показал, что скорость резки пропорциональна мощности лазера для данной толщины материала. Процесс достигает предела, когда испарение металла превышает определенный порог или когда выход расплавленного материала ограничивается потоком газа. Лазер с лучом повышенного качества может соперничать с более мощными лазерами, поскольку обладает мелкой шириной реза. То есть объем расплавленного материала, который подлежит нагреву, плавлению и выводу, – меньше. Это преимущество наиболее ярко выражено для материалов толщиной до 6 мм (рис.4). Преимущество скорости резки уменьшается для материалов с большей толщиной, при лучшем качестве реза CO2-Slab.
Сравнение резки CO2-лазером и волоконным лазером показывает небольшое преимущество твердотельной технологии при толщине материала до 3 мм. Более высокая толщина режется при аналогичной мощности и скорости реза для обеих длин волн одинаково. С качеством резки наблюдается обратная ситуация. Качество резки CO2-лазерами ощутимо выше, поэтому и сегодня невозможно сделать однозначный вывод о преимуществе той или иной длины волны.
Сварка
Лазерная сварка обеспечивает высокоэффективный механизм переноса энергии в подлежащий соединению материал. При высоких плотностях мощности материал у поверхности испаряется, ванна расплавленного металла погружается в материал и заполняется паром металла. Это способствует эффективному поглощению лазерного излучения отверстием, образованным жидким металлом. Механизм ведет к образованию узких сварных швов, получаемых при высоких скоростях сварки с минимальной тепловой нагрузкой на детали. Отличный контроль мощности лазера во времени и пространстве совмещается с возможностью оперативного управления процессом,– все это создает привлекательность лазерной сварке для промышленности. Можно представить следующие общие технологические правила сварки.
Поперечное сечение сварного шва пропорционально энергии, приходящейся на единицу длины. Это отношение вычисляется как отношение мощности лазера к скорости сварки.
Различаются две области скорости сварки: при низких скоростях сварки (сталь: v < 2 м/мин) глубина шва почти не зависит от размера фокусного пятна; при высоких скоростях сварки глубина шва соотносится с мощностью лазера, поделенной на размер фокусного пятна. Лазеры с лучом повышенного качества создают более глубокие швы.
Глубина фокуса и положение фокуса относительно поверхности материала являются важными факторами при прогнозировании формы поперечного сечения сварного шва. Следовательно, лазеры с повышенным качеством луча способны создавать сварные швы, более узкие, более глубокие, и при более высоких скоростях сварки.
На практике сварной узкий шов не всегда является лучшим решением. Часто приходится искать компромисс между тепловой нагрузкой на обрабатываемое изделие и требованием к пределам геометрических допусков на деталь, оснастку или систему. Иногда в геометрии соединения используется ширина, а не глубина. В этих случаях уменьшение ширины шва приведет к уменьшению прочности шва. Изменяя форму шва, можно воздействовать и на структуру сварного шва.
Форма шва
Известны различные методы для формирования сварного шва, отвечающего требованиям соответствующего технологического процесса (рис.5). В небольших пределах форма сварного шва может изменяться через варьирование фокусного расстояния и положения фокуса. Следующий этап – это понижение качества луча за счет применения донатовой (кольцевой) моды, увеличивающей ширину шва. Последний этап – еще большее увеличение ширины шва – получается за счет использования двухфокусной оптики, образующей два фокусных пятна с гауссовой или донатовой модой. Увеличить ширину шва можно также за счет колебания луча сканирующим устройством.
Системы сварки
Огромное число всевозможных деталей сваривается разнообразными лазерными CO2-сварочными системами:
простые ротационные симметричные радиальные или аксиальные стыковые или угловые сварные швы (например, зубчатые механизмы или валы, корпуса фильтров, нагнетательные насосы воздушных подушек, гидравлические цилиндры);
линейные сварные швы труб и профилей со сплошными швами, образующимися при сварке системами типа PWS, включая автоматическое отслеживание шва с помощью камеры;
двумерные сварные швы (например, сварные соединения внахлест пластинчатого теплообменника);
трехмерные пятиосевые системы для сложных профилированных формованных листов (например, сварки алюминиевого фюзеляжа самолета с использованием сварочной проволоки).
Часто для увеличения полезного времени работы лазера с целью оптимизации производственных затрат используют скоростное переключение луча между различными сварочными станциями. Системы могут быть оснащены индукционным предварительным или последующим нагревом или сварочной проволокой, питающей оборудование в соответствии с требованиями материала.
Дистанционная сварка
За последние годы появилась новая технология, именуемая дистанционной лазерной сваркой. Во многих случаях бывает необходимо соединять крупные заготовки путем сваривания лазерным лучом ряда швов или точек. В этих случаях время полезной работы лазера составляет всего 20%. Значительно сократить время позиционирования лазерной сварочной головки позволяет технология сканирования, при этом позиционирование осуществляется всего за несколько миллисекунд. Следовательно, полезное время работы лазера увеличивается, а общее время обработки сокращается.
Системы дистанционной сварки базируются на CO2-slab-лазере с высоким качеством луча и номинальной выходной мощностью до 6 кВт. Лазерный луч фокусируется линзами с воздушным охлаждением с фокусным расстоянием до 2 м. Сфокусированный луч отклоняется сканирующей головкой одиночного зеркала, предназначенной для высокоскоростного перемещения лазерных лучей высокой мощности. Поворотное движение сканирующего зеркала создает отклонение луча в плоскости XY. Фокусирующий элемент, смонтированный на направляющей с линейным приводом, создает движение точки фокуса в направлении Z, перпендикулярном плоскости. Для увеличения рабочей зоны сканирующая головка также закрепляется на направляющей и способна перемещаться параллельно лучу лазера. Диапазон мощности от 1 кВт до 6 кВт и отличное качество луча M2 = 1,1 делают CO2-slab-лазер идеальным инструментом для дистанционной сварки.
Типичными областями применения является сварка подвесных деталей, дверей, капотов, опор, сидений и прочих элементов корпусов автомобилей. В недавнем времени для различных отраслей промышленности были внедрены операции по сварке металлических листов. Широкий диапазон материалов от акрила и алюминия до полистирола, титана и циркония делает CO2-лазер универсальным инструментом резки и сварки для разнообразных систем, отличающихся высокой гибкостью. Современная и признанная технология лазерного источника, присущая ей безопасность и надежные оптические компоненты гарантируют производителю доход уже сегодня и – в будущем.
гибкое, надежное и испытанное средство*
Р. Шаймарданов, ООО "ДЕГ-РУС", www.degrus.ru
С самого начала CO2-лазеры проявили себя как "рабочие лошадки" в промышленных лазерных макро областях применения благодаря своей надежности, рентабельности и безопасности. С возникновением технологии диффузионного охлаждения удалось увеличить мощность CO2-slab-лазеров до 8 кВт, и CO2-лазеры стали охватывать весь основной диапазон промышленного применения лазеров. Во второй части обзора рассмотрены рабочие параметры лазерной резки и сварки.
В производственных системах, оснащенных лазерами CO2, лазерное излучение передается через атмосферу окружающей среды с помощью медных отклоняющих луч зеркал. Эта система зеркал на техническом сленге сварщиков называется "летающая оптика". В конструкции лазерных станков либо перемещается заготовка, либо – зеркал. В последнем случае смещается фокусирующая головка. Лазеры с высоким качеством излучения генерируют луч низкой расходимости. Этот луч может подводиться на координатный стол без дополнительного расширительного телескопа. Кроме того, высокое по сравнению с традиционными газовыми лазерами качество излучения дает большую стабильность параметров фокуса в рабочей зоне.
Помимо основных направлений резки и сварки CO2-лазеры находят применение во многих других областях: рафинирование с помощью высокоскоростных сканирующих систем магнитного домена, удаление краски, очистка компонентов зубчатых механизмов перед лазерной сваркой, резка и сварка кварца, перфорация бумаги для сигарет, резка и маркировка текстиля.
Лазерная резка
Системы резки с использованием CO2-лазеров находят широкое применение в различных областях и опираются на разные концепции. Системы с пятью осями для 3D-применения, комбинации пуансон – лазер, столы с линейными приводами для резки плоских листов, системы сканирования для дистанционной резки текстиля, абразивной бумаги и дерева, системы резки труб, рулонов и т.д.
Резка лазером – наиболее распространенное применение лазеров. Дерево и пластик режутся CO2-лазером в основном благодаря тому, что этими материалы очень эффективно поглощают излучение с длиной волны 10,6 мкм. В то же время обработка этих материалов излучением твердотельного лазера с длинной волны 1 мкм практически невозможна. Использование лазеров с лучом высокого качества предпочтительно для материалов небольшой толщины – примерно не более 6 мм. Меньшее фокусное пятно лазеров с высоким качеством излучения дает более узкий рез. Это позволяет производить резку при большей скорости при заданной мощности или с меньшей мощностью при заданной скорости. Также высокое качество излучения предпочтительно для применения в сканирующих устройствах при резке, например, бумаги или текстиля.
Для резки стали применяются два метода: лазерная газопламенная резка с помощью кислорода низколегированной стали и лазерная резка плавлением с использованием азота высокого давления. В обоих методах излучение лазера не поглощается у поверхности материалов, но поглощается на расплавленном фронте резки. Угол падения лазерного луча можно рассчитать по соотношению величины фокусного пятна и толщины материала. Данный расчет представлен на рис.1. В зависимости от величины фокусного пятна угол падения становится больше 86° при толщине материала, приближающейся к 3–5 мм. Исходя из поглощательной способности стали очевидно, что для усредненной поляризации длина волны 1 мкм поглощается лучше для углов падения примерно до 86°. При больших значениях угла падения поглощательная способность CO2-лазера увеличивается (рис.2).
Лазерная газопламенная резка
Максимальная скорость кислородной лазерной газопламенной резки определяется не только мощностью лазера, но и ограничениями экзотермической химической реакции между кислородом и железом. Как следствие – зависимость скорости резки от мощности лазерного излучения не является линейной. Удвоение мощности не приводит к удвоению скорости резки. Высокое качество луча (рис.3) CO2-slab-лазеров позволяет достичь при обработке мягкой стали той же глубины реза, что и на традиционных лазерах, но при более низкой мощности.
Сравнение газопламенной резки CO2-лазером и волоконным лазером показывает наличие небольшого преимущества твердотельной технологии при толщине материала до 2 мм. Материал, обладающий более высокой толщиной, режется одинаково на обеих длинах волн лазерами аналогичной мощности и скорости резки.
Лазерная резка плавлением с помощью азота
Мощность лазера, необходимая для лазерной резки плавлением, выше, чем для лазерной газопламенной резки из-за отсутствия экзотермической реакции. Опыт показал, что скорость резки пропорциональна мощности лазера для данной толщины материала. Процесс достигает предела, когда испарение металла превышает определенный порог или когда выход расплавленного материала ограничивается потоком газа. Лазер с лучом повышенного качества может соперничать с более мощными лазерами, поскольку обладает мелкой шириной реза. То есть объем расплавленного материала, который подлежит нагреву, плавлению и выводу, – меньше. Это преимущество наиболее ярко выражено для материалов толщиной до 6 мм (рис.4). Преимущество скорости резки уменьшается для материалов с большей толщиной, при лучшем качестве реза CO2-Slab.
Сравнение резки CO2-лазером и волоконным лазером показывает небольшое преимущество твердотельной технологии при толщине материала до 3 мм. Более высокая толщина режется при аналогичной мощности и скорости реза для обеих длин волн одинаково. С качеством резки наблюдается обратная ситуация. Качество резки CO2-лазерами ощутимо выше, поэтому и сегодня невозможно сделать однозначный вывод о преимуществе той или иной длины волны.
Сварка
Лазерная сварка обеспечивает высокоэффективный механизм переноса энергии в подлежащий соединению материал. При высоких плотностях мощности материал у поверхности испаряется, ванна расплавленного металла погружается в материал и заполняется паром металла. Это способствует эффективному поглощению лазерного излучения отверстием, образованным жидким металлом. Механизм ведет к образованию узких сварных швов, получаемых при высоких скоростях сварки с минимальной тепловой нагрузкой на детали. Отличный контроль мощности лазера во времени и пространстве совмещается с возможностью оперативного управления процессом,– все это создает привлекательность лазерной сварке для промышленности. Можно представить следующие общие технологические правила сварки.
Поперечное сечение сварного шва пропорционально энергии, приходящейся на единицу длины. Это отношение вычисляется как отношение мощности лазера к скорости сварки.
Различаются две области скорости сварки: при низких скоростях сварки (сталь: v < 2 м/мин) глубина шва почти не зависит от размера фокусного пятна; при высоких скоростях сварки глубина шва соотносится с мощностью лазера, поделенной на размер фокусного пятна. Лазеры с лучом повышенного качества создают более глубокие швы.
Глубина фокуса и положение фокуса относительно поверхности материала являются важными факторами при прогнозировании формы поперечного сечения сварного шва. Следовательно, лазеры с повышенным качеством луча способны создавать сварные швы, более узкие, более глубокие, и при более высоких скоростях сварки.
На практике сварной узкий шов не всегда является лучшим решением. Часто приходится искать компромисс между тепловой нагрузкой на обрабатываемое изделие и требованием к пределам геометрических допусков на деталь, оснастку или систему. Иногда в геометрии соединения используется ширина, а не глубина. В этих случаях уменьшение ширины шва приведет к уменьшению прочности шва. Изменяя форму шва, можно воздействовать и на структуру сварного шва.
Форма шва
Известны различные методы для формирования сварного шва, отвечающего требованиям соответствующего технологического процесса (рис.5). В небольших пределах форма сварного шва может изменяться через варьирование фокусного расстояния и положения фокуса. Следующий этап – это понижение качества луча за счет применения донатовой (кольцевой) моды, увеличивающей ширину шва. Последний этап – еще большее увеличение ширины шва – получается за счет использования двухфокусной оптики, образующей два фокусных пятна с гауссовой или донатовой модой. Увеличить ширину шва можно также за счет колебания луча сканирующим устройством.
Системы сварки
Огромное число всевозможных деталей сваривается разнообразными лазерными CO2-сварочными системами:
простые ротационные симметричные радиальные или аксиальные стыковые или угловые сварные швы (например, зубчатые механизмы или валы, корпуса фильтров, нагнетательные насосы воздушных подушек, гидравлические цилиндры);
линейные сварные швы труб и профилей со сплошными швами, образующимися при сварке системами типа PWS, включая автоматическое отслеживание шва с помощью камеры;
двумерные сварные швы (например, сварные соединения внахлест пластинчатого теплообменника);
трехмерные пятиосевые системы для сложных профилированных формованных листов (например, сварки алюминиевого фюзеляжа самолета с использованием сварочной проволоки).
Часто для увеличения полезного времени работы лазера с целью оптимизации производственных затрат используют скоростное переключение луча между различными сварочными станциями. Системы могут быть оснащены индукционным предварительным или последующим нагревом или сварочной проволокой, питающей оборудование в соответствии с требованиями материала.
Дистанционная сварка
За последние годы появилась новая технология, именуемая дистанционной лазерной сваркой. Во многих случаях бывает необходимо соединять крупные заготовки путем сваривания лазерным лучом ряда швов или точек. В этих случаях время полезной работы лазера составляет всего 20%. Значительно сократить время позиционирования лазерной сварочной головки позволяет технология сканирования, при этом позиционирование осуществляется всего за несколько миллисекунд. Следовательно, полезное время работы лазера увеличивается, а общее время обработки сокращается.
Системы дистанционной сварки базируются на CO2-slab-лазере с высоким качеством луча и номинальной выходной мощностью до 6 кВт. Лазерный луч фокусируется линзами с воздушным охлаждением с фокусным расстоянием до 2 м. Сфокусированный луч отклоняется сканирующей головкой одиночного зеркала, предназначенной для высокоскоростного перемещения лазерных лучей высокой мощности. Поворотное движение сканирующего зеркала создает отклонение луча в плоскости XY. Фокусирующий элемент, смонтированный на направляющей с линейным приводом, создает движение точки фокуса в направлении Z, перпендикулярном плоскости. Для увеличения рабочей зоны сканирующая головка также закрепляется на направляющей и способна перемещаться параллельно лучу лазера. Диапазон мощности от 1 кВт до 6 кВт и отличное качество луча M2 = 1,1 делают CO2-slab-лазер идеальным инструментом для дистанционной сварки.
Типичными областями применения является сварка подвесных деталей, дверей, капотов, опор, сидений и прочих элементов корпусов автомобилей. В недавнем времени для различных отраслей промышленности были внедрены операции по сварке металлических листов. Широкий диапазон материалов от акрила и алюминия до полистирола, титана и циркония делает CO2-лазер универсальным инструментом резки и сварки для разнообразных систем, отличающихся высокой гибкостью. Современная и признанная технология лазерного источника, присущая ей безопасность и надежные оптические компоненты гарантируют производителю доход уже сегодня и – в будущем.
Отзывы читателей
