eng
Выпуск #6/2016
М.Кузнецов, Е.Земляков, К.Бабкин
Обзор лазерных технологических головок для реализации промышленных лазерных технологий обработки металлических материалов
Обзор лазерных технологических головок для реализации промышленных лазерных технологий обработки металлических материалов
Просмотры: 11217
Рассмотрены технологические головки ведущих мировых производителей, предназначенные для реализации технологий лазерной и лазерно-дуговой сварки, лазерной резки, термообработки и наплавки.
DOI:10.22184/1993-7296.2016.60.6.14.33
DOI:10.22184/1993-7296.2016.60.6.14.33
Теги: ведущие мировые производители лазерная наплавка лазерная резка лазерная сварка лазерное термоупрочнение лазерные головки лазерный источник
ВВЕДЕНИЕ
С момента изобретения первого лазера прошло более 55 лет [1]. За это время были созданы лазерные источники различных типов: газовые, твердотельные, полупроводниковые, диодные, волоконные, химические и т. д. На сегодняшний день лазерная индустрия является одной из быстро растущих отраслей мировой экономики. Ее прирост с 1970 по 2015 год составил около 12,5% [2]. Объем мирового рынка лазерных источников в 2015 году исчислялся примерно 10 млрд. долл. США при доле рынка промышленных лазеров около 4 млрд. долл. [3] (рис.1).
Наиболее крупный сегмент рынка лазерной индустрии включает лазерные источники, применяемые для лазерного раскроя металла, лазерной (лазерно-дуговой) сварки, лазерного термоупрочнения, лазерной наплавки, маркировки и гравировки. Анализ рынка лазерных источников показал, что на 2015 год СО2-лазеры и волоконные лазеры занимали примерно 40 и 39% рынка соответственно. По сравнению с 2014 годом при снижении доли рынка СО2-лазеров отмечен рост продаж волоконных лазеров по всем видам технологических применений: маркировка на 6%, лазеры средней мощности, используемые в микрообработке на 10%, лазеры высокой мощности на 22%. Доля твердотельных лазеров по сравнению с 2014 годом не изменилась, но внутри сегмента отмечен рост продаж дисковых лазеров. Также отмечено повышение спроса на диодные лазеры, применяемые сегодня не только для поверхностного термоупрочнения, наплавки и сварки, но и для резки металлов. Расширение технологических возможностей диодных лазеров, ведущим производителем которых является компания LaserLine, стало возможным благодаря увеличению максимальной выходной мощности и качества лазерного излучения с 20 кВт при диаметре пятна в фокальной плоскости 3 мм (2013 год) до 25–40–100 кВт при диаметре пятна 0,6–2 мм (2015 год) [2, 3].
Показателен также темп роста рынка технологических лазерных систем, который за период с 1993 по 2013 годы в среднем был равен 10%. Для сравнения следует указать, что средний темп роста рынка металлообрабатывающих станков за тот же период составил около 1,3% (рис.2).
В зависимости от решаемых задач лазерные технологические комплексы оснащаются тем или иным рабочим инструментом – лазерной технологической головкой, оптическая система которой обеспечивает требуемые пространственные характеристики лазерного излучения в рабочей зоне (рис.3).
Кроме фокусировки лазерного излучения технологические головки обеспечивают подачу сопутствующих газов и материалов в зону обработки: защитных газов при сварке, рабочих газов при резке, порошков при наплавке, электродной проволоки при лазерно-дуговой сварке или лазерной сварке с присадкой. Также технологические головки могут быть оснащены системами видеонаблюдения и мониторинга технологического процесса, в том числе системами контроля положения технологической головки относительно обрабатываемого изделия.
Рассмотрим технологические головки ведущих мировых производителей, предназначенные для реализации технологий лазерной и лазерно-дуговой сварки, лазерной резки, термообработки и наплавки.
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ЛАЗЕРНЫЕ ГОЛОВКИ ДЛЯ ЛАЗЕРНОЙ (ЛАЗЕРНО-ДУГОВОЙ) СВАРКИ
Узкий и глубокий сварной шов, характерный для лазерной сварки, получаемый за счет высокой плотности мощности лазерного излучения (106–107 Вт/см 2) на поверхности свариваемых изделий, наряду с высокой скоростью сварки (до 20 м/мин), обеспечивают значительное снижение сварочных деформаций, повышение технологической прочности сварных соединений и производительности сварочного процесса. Преимущества лазерной сварки делают данную технологию практически незаменимой при серийном выпуске ответственных сварных конструкций. Дальнейшее развитие технологий лазерной сварки связано с увеличением максимальной мощности излучения (рис.4) используемых лазеров. Появление мощных волоконных и диодных лазеров сделало возможным реализацию целого ряда новых технологий лазерной и гибридной лазерно-дуговой сварки. Наиболее интересной из них является сварка металлов больших толщин, в частности современных сложнолегированных двух- и трехфазных сталей, применяемых для строительства трубопроводов, корпусов судов, сосудов высокого давления и других ответственных конструкций [4, 5].
Использование мощных лазерных источников в составе сварочных технологических комплексов накладывает ряд требований к оптической системе лазерных головок. В первую очередь – это обеспечение термической стойкости зеркал и фокусирующих линз. Во-вторых, обеспечение надежной защиты оптической системы от конденсированных частиц и паров, вылетающих из парогазового канала с околозвуковыми скоростями. Также малый диаметр пятна нагрева (≤ 600 мкм) определяет требования к точности наведения лазерного луча на стык и ограничивает допустимый зазор между изделиями.
На рынке лазерной техники компаниями IPG [6], HighYAG [7], ScanSonic [8] и Precitec [9] представлены головки, предназначенные для сварки с мощностью излучения от 0,25 кВт (головка µ (HighYAG)) до 50 кВт (FLW-D50HP (IPG)) с длиной волны 900–1 080 нм. Лазерные сварочные головки, состоящие из коллиматора, фокусирующей линзы, защитного стекла и системы подачи сжатого воздуха, опционально могут быть оснащены CCD-камерой, для точного наведения на стык и слежения за процессом сварки в режиме реального времени, системой подачи сварочной проволоки (головки PDT и PDT-B (HighYAG); ALO1 и ALO3 (ScanSonic)), контактным (ALO1 и ALO3) или оптическим (FSO (ScanSonic)) датчиком, прижимным устройством в виде "пальцев" или дисков (FSO и RSK (HighYAG)), обеспечивающим не только плотное прилегание свариваемых образцов, но и контроль расстояния от лазерной головки до поверхности изделий. Интересен вариант исполнения сварочной системы FormWelder Plus (Precitec) [10], изготовленной на базе лазерной головки YW30 или YW52, предназначенной для сварки излучением микронной длины волны с мощностью до 6 кВт и до 20 кВт соответственно и перемещаемых вдоль осей X и Y на 50 мм (рис.5).
В линейке продукции ScanSonic также представлен наиболее простой вариант исполнения лазерной головки (BO), состоящей из коллиматора и фокусирующей линзы, рассчитанных на мощность излучения до 6 кВт. Головка опционально может быть укомплектована CCD-камерой, картриджем с защитным стеклом, модулем шторной газодинамической защиты, системой автоматического изменения фокусного расстояния, а также противоударным датчиком и иметь как прямое, так и Г-образное исполнение. Интересен вариант исполнения лазерной головки BO-SF, предназначенной для сварки с мощностью лазерного излучения до 30 кВт и изготовленной на базе головки BO. Лазерное излучение микронной длины волны формируется практически с равномерным распределением в поперечном сечении при КПД более 98%. Головка, опционально оснащенная фокусирующим зеркалом и коллиматором с различными фокусными расстояниями, предназначена для лазерной сварки металлоконструкций больших толщин в трубостроении, судостроении и других отраслях промышленности (рис.6) [11].
Компания IPG выпускает лазерные головки FLW-D30 (до 6 кВт) и FLW-D50 в модификациях L (до 10 кВт), S (до 30 кВт) и HP (до 50кВт) в Г-образном, прямом и стандартном (без CCD-камеры) исполнении. Кроме защитного сопла, модуля cross-jet, датчика температуры и загрязнения фокусирующей линзы, оптического датчика слежения за стыком и устройства для подачи проволоки, головки опционально могут быть оснащены модулями сканирования лазерного излучения по траекториям в виде линии, круга и "восьмерки" (Wobble), делителем излучения на два луча с одинаковой мощностью (Dual Spot Module) и модулем, обеспечивающим равномерное распределение лазерного излучения (Beam Shaper Module), предназначенными для передачи излучения мощностью до 10 кВт [6].
Лазерные сварочные головки, выпускаемые компанией LaserLine для использования с диодным лазером, отличаются равномерным распределением мощности лазерного излучения в поперечном сечении в форме круга или прямоугольника [12]. Дополнительно головки компании LaserLine оснащаются схожими с головками ScanSonic и HighYAG компонентами.
Компания Kugler изготавливает сварочные головки LK190W, LK390F и LK390W, последняя из которых предназначена для работы с излучением мощностью более 40 кВт. Головки могут быть укомплектованы фокусирующими зеркалами с фокусным расстоянием от 150 мм до 600 мм, системой изменения фокусного расстояния в автоматизированном режиме, а также зеркалом-делителем излучения на два луча. На базе лазерной головки LK390W изготовлена головка для лазерно-дуговой сварки LK390H. Также компания изготавливает лазерные головки для микросварки с диаметром пятна лазерного излучения в фокальной плоскости менее 10 мкм [13].
Лазерные сварочные головки АР44 и АР54 (рис.7), изготавливаемые компанией Reis и обладающие быстросъемным креплением для фиксации к роботу-манипулятору, предназначены для работы с мощностью лазерного излучения до 6 кВт и до 12 кВт соответственно.
Основные отличия данных головок от представленных выше – наличие диодной подсветки и быстросъемных магнитных креплений некоторых из модулей: контактно-измерительного модуля, оптического датчика слежения за стыком и модуля диодного освещения. Опционально головки также могут быть оснащены системой подачи проволоки, соплами для некоаксиальной и коаксиальной защиты шва. Компанией Reis представлена головка для лазерно-дуговой сварки [14], выполненная на базе лазерной головки АР54.
При изготовлении изделий машиностроения (теплообменных аппаратов, герметичных узлов насосов и пр.) возникают задачи по проведению обработки в труднодоступных местах. Для этого рядом компаний (Nutech, GTV, IWS, RPM и др.) разрабатывается специальный технологический инструмент [15].
Примером такого технологического инструмента может служить лазерная головка с допустимой лучевой нагрузкой до 3 кВт с глубиной досягаемости в базовой комплектации до 1 000 мм, разработанная в Институте лазерных и сварочных технологий [16]. Головка имеет крепления для установки на линейные манипуляторы, промышленные роботы и другие средства доставки.
На рис.8 представлены схемы головок для сварки поворотных и неповоротных стыков (и поверхностной термообработки) и примеры ее использования при приварке тонкостенной обечайки к корпусу насоса.
На рис.9 приведен общий вид головки с вращающимся поворотным зеркалом для сварки внутренних неповоротных стыков, установленной на роботизированном модуле доставки. Такая концепция практически не имеет ограничений по глубине досягаемости.
Одним из малочисленных отечественных производителей лазерных головок является НТЦ "Электроресурс", сотрудники которого изготавливают лазерную головку VF001MA для работы с волоконными лазерами мощностью до 3 кВт. Головка обладает возможностью изменения фокусного расстояния в автоматизированном режиме и может быть оснащена модулями на магнитном креплении с датчиком контроля расстояния до обрабатываемого изделия [17].
Также необходимо отметить сканирующие системы, использование которых позволяет повысить производительность сварки примерно на 25%. Из представленных на рынке сканирующих систем можно выделить IntelliWeld PR и IntelliWeld II FT (c F-theta линзой) (ScanLab), предназначенные для работы с лазерным излучением мощностью до 8 кВт. Компания ScanLab также производит сканирующие системы IntelliScan III 10 и IntelliScan III 20, предназначенные для работы с различными типами лазеров (диодный, волоконный, твердотельный и СО2-) с мощностью 150 Вт и 1000 Вт и рабочими зонами 120 Ч 120 мм 2 (f = 163 мм, d = 32 мкм) и 60 Ч 60 мм 2 (f = 160 мм и d = 16 мкм) соответственно. Компания Trumpf изготавливает сканирующие системы PFO, предназначенные для лазерной сварки, резки и микрообработки. Системы PFO модификации 14, 20 и 33 используют для 2D обработки изделий лазерным излучением мощностью от 2 до 8 кВт (диодный, волоконный, твердотельный лазеры) со скоростью от 22 до 78 м/с при рабочей зоне 286 Ч 230 мм (f = 420 мм; PFO 14, PFO 20) и 320 Ч 190 мм (f = 450 мм, PFO 33). В линейке PFO также представлена сканирующая система для 3D обработки (PFO 3D), которую можно использовать в составе комплекса на базе диодного лазера с максимальной выходной мощностью 8 кВт. В процессе обработки PFO 3D перемещает лазерный луч в фокальной плоскости (f = 1 200 мм) со скоростью до 22 м/с с размерами рабочей зоны 780 Ч 530 мм при возможности изменения положения фокальной плоскости по вертикальной оси на расстояние ±475 мм [18].
Сканирующая система, изготавливаемая компанией Reis, предназначена для сварки с максимальной мощностью лазерного излучения до 15 кВт и выпускается с фокусным расстоянием от 300 мм до 1000 мм в зависимости от комплектации.
Для лазерного излучения с мощностью 8 кВт и длиной волны 1 020–1 080 нм предназначена сканирующая система RLSK (HighYAG), оснащенная быстросменными стеклами для защиты зеркал и коллиматора, системой cross-jet, системой контроля целостности стекла и сканирующей системой головки RLSK, CCD-камерой и системой отверстий для фиксации. Сканирующая система используется для 3D сварки с рабочей зоной 200 Ч 300 Ч 200 мм (Ш Ч Д Ч В). Перемещение лазерного излучения в рабочей зоне реализуется при скорости и точности позиционирования: до 5 м/с (1 м/с в процессе обработки) и ±0,2 мм (вдоль осей X и Y) и ±0,5 мм (вдоль оси Z) соответственно.
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ЛАЗЕРНЫЕ ГОЛОВКИ ДЛЯ ЛАЗЕРНОЙ РЕЗКИ
Технология лазерного раскроя благодаря высокой плотности мощности лазерного излучения, превышающей 107 Вт/см 2, имеет ряд преимуществ перед другими термическими способами резки. Это высокая производительность, низкая погонная энергия, узкая ширина реза и узкая зона термического влияния, высокое качество обработанной поверхности и наряду с этим возможность автоматизации процесса. Технология используется в заготовительном производстве при изготовлении элементов из металлического листового и профильного сортамента (СО2-, волоконные, твердотельные лазеры), а также из пластиков (СО2-лазеры) в различных отраслях промышленности.
Использование в составе технологических комплексов современных лазерных источников накладывает определенные требования к лазерным головкам: обеспечение высокой термической стойкости компонентов оптической системы, возможность фокусировки лазерного излучения с минимальным диаметром пятна, контроль давления рабочих газов, целостности элементов оптической системы и расстояния до обрабатываемой поверхности.
Для реализации лазерной резки компания Precitec изготавливает головки, предназначенные для работы в составе комплексов на базе СО2-, диодных, твердотельных и волоконных лазеров [19].
Лазерные головки, работающие в составе комплексов на базе СО2-лазеров с максимальной мощностью от 3 до 8 кВт в зависимости от комплектации могут быть оснащены датчиками контроля давления рабочих газов, температуры, загрязнения или повреждения фокусирующей линзы (модели HP1,5" и HP2"), а также поставляются в стандартном исполнении без датчиков (CM2" и M1,5"). Все головки обладают возможностью регулировки фокусного расстояния. Головки, предназначенные для лазерной резки диодными, твердотельными и волоконными лазерами с максимальной мощностью от 500 Вт до 8 кВт, оснащены картриджем с быстросменным защитным стеклом и возможностью регулировки фокусного расстояния. В зависимости от комплектации головки могут иметь датчик контроля температуры фокусирующей линзы (MiniCutter, SpeedCutter и LightCutter) и CCD-камеру для слежения за процессом резки (FineCutter). Отдельно стоит отметить универсальную лазерную головку FineCutter, предназначенную для передачи лазерного излучения с длиной волны 255, 355, 515 нм; 1,064, 1,552 и 10,6 мкм.
Интересен вариант системы лазерной резки FormCutter Plus, оснащенной направляющими с рабочим полем вдоль осей X и Y 50 Ч 50 мм 2 и обеспечивающей высокую точность резки даже при использовании в составе роботизированного комплекса. Система лазерной резки выполнена на базе головки SolidCutter, используемой при максимальной мощности излучения с длиной волны 900–1 080 нм до 4 кВт, и может быть изготовлена с фокусным расстоянием коллиматора 75 мм и 100 мм и фокусирующей линзы 75 мм, 100 мм и 125 мм (рис.10).
Наибольшего внимания достойна головка ProCutter, предназначенная для лазерной резки металлов и сплавов при мощности лазерного излучения до 8 кВт и длиной волны 1 030–1 090 нм. Головка обладает функцией автоматической или ручной (в зависимости от исполнения, рис.11) регулировки фокусного расстояния, LED-дисплеем для визуального контроля давления, температуры, загрязнения оптической системы и движения в процессе работы, а также возможностью передачи данных с датчиков контроля на сотовый телефон или планшет через Bluetooth [20].
Интересна лазерная головка Bimo FSC (HighYAG), предназначенная для резки с мощностью лазерного излучения до 8 кВт (волоконный, твердотельный лазер) при КПД передачи излучения более 97% (1 064 нм). Головка обладает возможностью изменения фокусного расстояния и диаметра лазерного излучения (рис.12).
Также компанией HighYAG изготовлена головка для лазерной резки при максимальной мощности до 0,25 кВт с длиной волны 900–1 080 нм. Головка оснащена CCD-камерой и возможностью изменения положения фокальной плоскости относительно сопла по оси Z на величину ±5 мм. Головки для лазерного раскроя при мощности излучения до 1 кВт (D30 Compact) и до 12 кВт (FLC-D30) выпускает компания IPG. Лазерная головка FLC-D30 оснащена защитным стеклом с системой контроля, соплом с датчиком контроля высоты, возможностью ручного и автоматизированного перемещения фокусной линзы вдоль вертикальной оси, Ethernet соединением и коллиматором с диафрагмой и системой охлаждения и предназначена для лазерного раскроя стали, алюминиевых, медных сплавов и латуни. Опционально лазерная головка может быть оснащена коаксиальной камерой.
Компанией LaserLine на рынке представлена лазерная головка для раскроя нержавеющей стали и гальванически обработанных листов толщиной до 3 мм с диаметром пятна излучения, генерируемого диодным лазером, равным 150 мкм. Головка оснащена защитным стеклом, емкостным или контактным датчиком и датчиком контроля разрушения фокусирующей линзы.
Также интересны технологические лазерные головки LK190C и LK390C, представленные компанией Kugler, работающие с мощностью излучения до 8 кВт. Головки оснащены емкостным датчиком контроля расстояния до обрабатываемого изделия и имеют возможность юстировки сопла вдоль осей X, Y и Z в ручном или автоматизированном режиме.
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ЛАЗЕРНЫЕ ГОЛОВКИ ДЛЯ НАПЛАВКИ
Высококонцентрированное лазерное излучение, генерируемое современными лазерными источниками, при лазерной наплавке обладает следующими преимуществами перед иными источниками нагрева: высокой производительностью, низким коэффициентом перемешивания основного металла с наплавляемым, минимальной зоной термического влияния, низкой погоннойэнергией, низким уровнем остаточных деформаций и локальностью обработки изделия.
Лазерные головки, изготавливаемые для реализации технологии лазерной наплавки должны обладать оптической системой с высокой термической стойкостью, системой точной подачи наплавляемого материала в зону воздействия лазерного излучения, обеспечивающей высокий коэффициент использования материала, а также возможностью варьирования диаметров пятна нагрева и струи порошка в фокальной плоскости в широком диапазоне для обеспечения как прецизионной, так и производительной наплавки.
Компанией Precitec представлены варианты исполнения головок для лазерной наплавки с коаксиальной подачей порошка через четыре сопла и кольцевое сопло (YC30 и YC52) (рис.13) и некоаксиальной (рис.14) подачей порошка. Головки отличаются максимальной мощностью транспортируемого лазерного излучения: 2 кВт и 6 кВт соответственно длине волны.
Минимальный диаметр струи порошка в области перетяжки в случае его подачи через четыре сопла и при некоаксиальной подаче (головки YC30 и YC52) равен 2 мм, при струйной кольцевой подаче порошка – 0,7 мм.
Лазерные головки с коаксиальной подачей порошка, представленные компанией LaserLine, предназначены для работы с диодными лазерами и имеют равномерное распределение лазерного излучения в поперечном сечении в форме круга или прямоугольника.
Лазерные наплавочные головки, производимые компанией Reis, в зависимости от комплектации могут быть оснащены соплами с коаксиальной кольцевой или струйной (через три сопла) подачей, изготавливаемыми компанией ILT (Fraunhofer). Головки предназначены для интеграции в лазерные комплексы на базе диодных, волоконных и твердотельных лазеров с максимальной выходной мощностью 5 кВт, обеспечивая ширину наплавленного слоя от 0,2 мм до 4 мм в зависимости от схемы подачи и используемого лазерного источника (рис.15).
Сотрудниками IWS (Fraunhofer) изготовлены сопла серии Coax для коаксиальной кольцевой подачи порошка при наплавке с мощностью лазерного излучения 3–8 кВт и производительностью 10–150 г/мин в зависимости от исполнения. Также IWS производит сопла для некоаксиальной подачи и для щелевой симметричной подачи порошка Coax 11 с возможностью изменения ширины щели (рис.16). Сопло обеспечивает наплавку валика с шириной 8–22 мм. Головки предназначены для использования в составе технологических комплексов, изготовленных на базе СО2, диодного, волоконного, твердотельного лазеров мощностью до 10кВт.
Также интересен вариант исполнения лазерной головки для лазерной наплавки с коаксиальной подачей проволоки CoaxBrazer (Precitec) [21] и CoaxWire (IWS, Fraunhofer). В случае использования головки CoaxBrazer наплавка осуществляется при кольцевом распределении мощности лазерного излучения, обеспечивающем предварительный подогрев подложки с целью улучшения ее сцепления с наплавляемым материалом. Головка CoaxWire оснащена делителем лазерного луча на три сходящихся в зоне обработки пучка и при использовании проволоки диаметром 0,4–1,6 мм и максимальной мощности излучения 4 кВт обладает производительностью 3 кг/ч. Опционально головка может быть оснащена CCD-камерой и пирометром. Технология лазерной наплавки с использованием проволоки обладает рядом преимуществ перед технологией лазерной наплавки металлическим порошком из-за доступности сварочной проволоки на отечественном рынке и приближающегося к 100% коэффициента использования проволоки. Головка предназначена для использования с волоконными, твердотельными и диодными лазерными источниками (рис.17). На рис.18. представлена лазерная головка для восстановления внутренних, труднодоступных поверхностей от компании Nutech.
Сотрудниками CLA и IWS (Fraunhofer) изготовлены головки ID, ID-2 и Coaxid для наплавки внутренних цилиндрических поверхностей с минимальным диаметром 127 мм, 88,9 мм и 100 мм соответственно и рабочим ходом в стандартном исполнении 1 м при использовании мощности лазерного излучения до 6 кВт (диодный лазер; головка ID) и до 3 кВт (дисковый, волоконный, твердотельный лазер; головки ID-2 и Coaxid). Головки обеспечивают наплавку с производительностью 75 г/мин, 60 г/мин и 50 г/мин при ширине наплавленного слоя до 8 мм, 6 мм и 4 мм соответственно.
Отдельно хотелось бы отметить головку CoaxPowerLine, предназначенную для лазерной наплавки диодным лазером с мощностью излучения до 15 кВт с сопутствующим индукционным подогревом мощностью индуктора от 20 до 50 кВт. Использование индукционного подогрева повышает производительность наплавки до 18 кг/ч. По оценкам производителей, применение индукционного нагрева обрабатываемого изделия позволяет при мощности лазерного излучения 4 кВт получать производительность, сравнимую с производительностью наплавки при мощности лазерного излучения 8–10 кВт (рис.19).
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ЛАЗЕРНЫЕ ГОЛОВКИ ДЛЯ ПОВЕРХНОСТНОГО ТЕРМОУПРОЧНЕНИЯ
Технология лазерного термоупрочнения реализуется за счет нагревания поверхностного слоя изделия при его кратковременном взаимодействии с высококонцентрированным лазерным излучением до температур, незначительно превышающих температуры полиморфного превращения, и последующего охлаждения с высокой скоростью, благодаря отводу тепла внутрь изделия. Высокие скорости охлаждения подавляют диффузию углерода при полиморфном превращении, образуя в поверхностном слое изделия мартенситную фазовую составляющую, обладающую высокими трибологическими характеристиками.
Для реализации технологии лазерного термоупрочнения в большей степени подходят волоконные, твердотельные и диодные лазерные источники, генерирующие лазерное излучение, поглощаемое материалом изделия с повышенным коэффициентом поглощения по сравнению с излучением, генерируемым СО2-лазером [22]. С целью обеспечения высокой производительности процесса, а также создания равномерно закаленного по глубине слоя предпочтительнее использовать лазерные головки с равномерным распределением излучения в поперечном сечении. К таким головкам в первую очередь необходимо отнести лазерные сварочные головки IPG мощностью до 10 кВт FLW-D50L с дополнительно встроенным модулем Beam Shape Module, головки Kugler с зеркалами, обеспечивающими равномерное распределение лазерного излучения, а также лазерные сварочные головки компании LaserLine.
Равномерный нагрев поверхности можно реализовать также при осциллировании лазерным пучком поперечно относительно направлению обработки. Для реализации данной технологии успешно применяются лазерные головки компании IPG FLW-D30 Wobble и FLW-D50 Wobble с максимальной мощностью излучения 6 кВт и 10 кВт. Головка RLH-A (ScanSonic) кроме гальванометрического сканатора, обеспечивающего перемещение лазерного излучения в поперечном направлении, образуя закаленный слой шириной до 30 мм, также оснащена пирометром, расположенным коаксиально лазерному излучению и измеряемым температуру обрабатываемой зоны в диапазоне от 800 до 1 600 °С. Оптическая система лазерной головки способна передавать лазерное излучение, генерируемое волоконным или твердотельным, или диодным лазерами с максимальной мощностью до 6 кВт (рис.20).
Компанией Precitec для реализации, в том числе технологии лазерного термоупрочнения, изготовлена система ScanTracker, способная сканировать излучение с частотой 1 kHz.
Сотрудниками компании CLA изготовлена лазерная головка ID-H для термоупрочнения внутренних цилиндрических поверхностей диаметром не менее 76 мм и рабочим ходом 1 м при мощности лазерного излучения до 3 кВт.
ВЫВОДЫ
Результаты проведенного анализа показали, что подавляющее большинство лазерных головок предназначено для работы в составе технологических комплексов на базе диодных, волоконных и твердотельных лазеров. Головки изготавливают по модульному принципу, обеспечивающему возможность подбора требуемой комплектации в зависимости от поставленных перед ними задач. Основные усилия компаний-производителей лазерных головок направлены на изготовление компонентов оптических систем, обладающих высокой термической стойкостью, и дополнительных систем, поставляемых в составе лазерных головок и обеспечивающих полную автоматизацию технологического процесса.
Авторы выражают благодарность С.В.Смирнову (ООО "ЦК СПА") и С.Шмелеву (НТО "ИРЭ-Полюс") за предоставленную информацию о технических характеристиках лазерных головок, изготавливаемых компаниями Precitec, ScanSonic, Nutech и IPG Photonics.
ЛИТЕРАТУРА
1. Бертолотти М. История лазеров. – Долгопрудный: Издательский Дом "Интеллект", 2011.
2. Игнатов А.Г. Десять лет успеха: рынок фотоники и лазерных технологий (2004–2015 годы). – Фотоника, 2015, № 3,с.10–27.
3. Овертон Г., Белфорте Д.А., Ноге А., Холтон К. Годовой обзор и прогноз мирового рынка лазеров. – Лазер-информ, 2016, № 3–4, с.2–-8.
4. Цибульский И.А., Туричин Г.А., Земляков Е.В., Валдайцева Е.А., Кузнецов М.В., Сомонов В.В. Разработка технологии гибридной лазерно-дуговой сварки сталей для судостроения и строительства трубопроводов. – 7-я Международная конференция "Лучевые технологии и применение лазеров", Россия, Санкт-Петербург, 18–21 сентября, 2012, с.156–171.
5. Казакевич В.С., Яресько С.И. Тенденции развития рынка лазерных технологий для решения задач лазерной обработки материалов. Часть 1. Мировой лазерный рынок. – Известия Самарского научного центра Российской академии наук, 2014, т. 16, № 4, c. 266–275.
6. IPG Photonics’ Welding Heads. Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.ipgphotonics.com/527/Widget/Welding+Head+Brochure.pdf.
7. Laser Processing Heads. Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.highyag.com/Laser-Processing-Heads/laser-processing-heads.html.
8. Optics with Seam Tracking. Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.scansonic.de/en/produkte-menue/optics-with-seam-tracking.
9. Laser welding – a reliable connection. Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.precitec.de/en/products/joining-technology/a-reliable-connection/.
10. Welding System FormWelder Plus. Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.precitec.de/en/products/joining-technology/processing-heads/formwelder-plus/.
11. Processing optics with stable focal position up to 30 kW. Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.scansonic.de/files/downloads/scansonic_bosf_datasheet_v2.0_en. pdf.
12. Welding Optics. Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.laserline.de/welding-optics.html.
13. Fiber Laser Heads for Welding and Cutting. Электронный ресурс. Режим доступа: https://www.kugler-precision.com/index.php? Fiber-laser-heads-for-welding-and-cutting#.
14. Modular welding optics. Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.reislasertec.de/en/produkte/laser-processing-optics/welding-optics.
15. Welding optics. Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.nutech.de/en/services/laser-system-technology/special-optics.
16. Разработка оборудования. Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.ilwt-stu.ru/research/dev_equipment/#lasercomplex.
17. Богданов А.В., Голубенко Ю.В. Волоконные технологические лазеры и их применение: Учебное пособие. – С-Пб.: Лань, 2016.
18. Programmable Focusing Optics in the PFO Series. Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.trumpf-laser.com/en/products/solid-state-lasers/beam-guidance/focusing-optics/pfo.html.
19. Products. Laser cutting. Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.precitec.us/products/laser-cutting/solid-state-laser/finecutter/.
20. ProCutter – the cutting head for every task. Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.precitec.us/products/laser-cutting/solid-state-laser/procutter/.
21. Pajukoski H., Nakki J., Thieme S., Tuominen J., Nowotny S., Vuoristo P. Laser cladding with coaxial wire feeding. – Conference: 31st International Congress on Applications of Lasers & Electro-Optics (ICALEO 2012), At Anaheim, CA, USA.
22. Лопота В.А., Туричин Г.А., Цибульский И.А., Сомонов В.В., Кузнецов М.В. Перспективы внедрения волоконных лазеров для лазерной термообработки черных металлов. – Заготовительные производства в машиностроении, 2013, № 3, c.15–17.
С момента изобретения первого лазера прошло более 55 лет [1]. За это время были созданы лазерные источники различных типов: газовые, твердотельные, полупроводниковые, диодные, волоконные, химические и т. д. На сегодняшний день лазерная индустрия является одной из быстро растущих отраслей мировой экономики. Ее прирост с 1970 по 2015 год составил около 12,5% [2]. Объем мирового рынка лазерных источников в 2015 году исчислялся примерно 10 млрд. долл. США при доле рынка промышленных лазеров около 4 млрд. долл. [3] (рис.1).
Наиболее крупный сегмент рынка лазерной индустрии включает лазерные источники, применяемые для лазерного раскроя металла, лазерной (лазерно-дуговой) сварки, лазерного термоупрочнения, лазерной наплавки, маркировки и гравировки. Анализ рынка лазерных источников показал, что на 2015 год СО2-лазеры и волоконные лазеры занимали примерно 40 и 39% рынка соответственно. По сравнению с 2014 годом при снижении доли рынка СО2-лазеров отмечен рост продаж волоконных лазеров по всем видам технологических применений: маркировка на 6%, лазеры средней мощности, используемые в микрообработке на 10%, лазеры высокой мощности на 22%. Доля твердотельных лазеров по сравнению с 2014 годом не изменилась, но внутри сегмента отмечен рост продаж дисковых лазеров. Также отмечено повышение спроса на диодные лазеры, применяемые сегодня не только для поверхностного термоупрочнения, наплавки и сварки, но и для резки металлов. Расширение технологических возможностей диодных лазеров, ведущим производителем которых является компания LaserLine, стало возможным благодаря увеличению максимальной выходной мощности и качества лазерного излучения с 20 кВт при диаметре пятна в фокальной плоскости 3 мм (2013 год) до 25–40–100 кВт при диаметре пятна 0,6–2 мм (2015 год) [2, 3].
Показателен также темп роста рынка технологических лазерных систем, который за период с 1993 по 2013 годы в среднем был равен 10%. Для сравнения следует указать, что средний темп роста рынка металлообрабатывающих станков за тот же период составил около 1,3% (рис.2).
В зависимости от решаемых задач лазерные технологические комплексы оснащаются тем или иным рабочим инструментом – лазерной технологической головкой, оптическая система которой обеспечивает требуемые пространственные характеристики лазерного излучения в рабочей зоне (рис.3).
Кроме фокусировки лазерного излучения технологические головки обеспечивают подачу сопутствующих газов и материалов в зону обработки: защитных газов при сварке, рабочих газов при резке, порошков при наплавке, электродной проволоки при лазерно-дуговой сварке или лазерной сварке с присадкой. Также технологические головки могут быть оснащены системами видеонаблюдения и мониторинга технологического процесса, в том числе системами контроля положения технологической головки относительно обрабатываемого изделия.
Рассмотрим технологические головки ведущих мировых производителей, предназначенные для реализации технологий лазерной и лазерно-дуговой сварки, лазерной резки, термообработки и наплавки.
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ЛАЗЕРНЫЕ ГОЛОВКИ ДЛЯ ЛАЗЕРНОЙ (ЛАЗЕРНО-ДУГОВОЙ) СВАРКИ
Узкий и глубокий сварной шов, характерный для лазерной сварки, получаемый за счет высокой плотности мощности лазерного излучения (106–107 Вт/см 2) на поверхности свариваемых изделий, наряду с высокой скоростью сварки (до 20 м/мин), обеспечивают значительное снижение сварочных деформаций, повышение технологической прочности сварных соединений и производительности сварочного процесса. Преимущества лазерной сварки делают данную технологию практически незаменимой при серийном выпуске ответственных сварных конструкций. Дальнейшее развитие технологий лазерной сварки связано с увеличением максимальной мощности излучения (рис.4) используемых лазеров. Появление мощных волоконных и диодных лазеров сделало возможным реализацию целого ряда новых технологий лазерной и гибридной лазерно-дуговой сварки. Наиболее интересной из них является сварка металлов больших толщин, в частности современных сложнолегированных двух- и трехфазных сталей, применяемых для строительства трубопроводов, корпусов судов, сосудов высокого давления и других ответственных конструкций [4, 5].
Использование мощных лазерных источников в составе сварочных технологических комплексов накладывает ряд требований к оптической системе лазерных головок. В первую очередь – это обеспечение термической стойкости зеркал и фокусирующих линз. Во-вторых, обеспечение надежной защиты оптической системы от конденсированных частиц и паров, вылетающих из парогазового канала с околозвуковыми скоростями. Также малый диаметр пятна нагрева (≤ 600 мкм) определяет требования к точности наведения лазерного луча на стык и ограничивает допустимый зазор между изделиями.
На рынке лазерной техники компаниями IPG [6], HighYAG [7], ScanSonic [8] и Precitec [9] представлены головки, предназначенные для сварки с мощностью излучения от 0,25 кВт (головка µ (HighYAG)) до 50 кВт (FLW-D50HP (IPG)) с длиной волны 900–1 080 нм. Лазерные сварочные головки, состоящие из коллиматора, фокусирующей линзы, защитного стекла и системы подачи сжатого воздуха, опционально могут быть оснащены CCD-камерой, для точного наведения на стык и слежения за процессом сварки в режиме реального времени, системой подачи сварочной проволоки (головки PDT и PDT-B (HighYAG); ALO1 и ALO3 (ScanSonic)), контактным (ALO1 и ALO3) или оптическим (FSO (ScanSonic)) датчиком, прижимным устройством в виде "пальцев" или дисков (FSO и RSK (HighYAG)), обеспечивающим не только плотное прилегание свариваемых образцов, но и контроль расстояния от лазерной головки до поверхности изделий. Интересен вариант исполнения сварочной системы FormWelder Plus (Precitec) [10], изготовленной на базе лазерной головки YW30 или YW52, предназначенной для сварки излучением микронной длины волны с мощностью до 6 кВт и до 20 кВт соответственно и перемещаемых вдоль осей X и Y на 50 мм (рис.5).
В линейке продукции ScanSonic также представлен наиболее простой вариант исполнения лазерной головки (BO), состоящей из коллиматора и фокусирующей линзы, рассчитанных на мощность излучения до 6 кВт. Головка опционально может быть укомплектована CCD-камерой, картриджем с защитным стеклом, модулем шторной газодинамической защиты, системой автоматического изменения фокусного расстояния, а также противоударным датчиком и иметь как прямое, так и Г-образное исполнение. Интересен вариант исполнения лазерной головки BO-SF, предназначенной для сварки с мощностью лазерного излучения до 30 кВт и изготовленной на базе головки BO. Лазерное излучение микронной длины волны формируется практически с равномерным распределением в поперечном сечении при КПД более 98%. Головка, опционально оснащенная фокусирующим зеркалом и коллиматором с различными фокусными расстояниями, предназначена для лазерной сварки металлоконструкций больших толщин в трубостроении, судостроении и других отраслях промышленности (рис.6) [11].
Компания IPG выпускает лазерные головки FLW-D30 (до 6 кВт) и FLW-D50 в модификациях L (до 10 кВт), S (до 30 кВт) и HP (до 50кВт) в Г-образном, прямом и стандартном (без CCD-камеры) исполнении. Кроме защитного сопла, модуля cross-jet, датчика температуры и загрязнения фокусирующей линзы, оптического датчика слежения за стыком и устройства для подачи проволоки, головки опционально могут быть оснащены модулями сканирования лазерного излучения по траекториям в виде линии, круга и "восьмерки" (Wobble), делителем излучения на два луча с одинаковой мощностью (Dual Spot Module) и модулем, обеспечивающим равномерное распределение лазерного излучения (Beam Shaper Module), предназначенными для передачи излучения мощностью до 10 кВт [6].
Лазерные сварочные головки, выпускаемые компанией LaserLine для использования с диодным лазером, отличаются равномерным распределением мощности лазерного излучения в поперечном сечении в форме круга или прямоугольника [12]. Дополнительно головки компании LaserLine оснащаются схожими с головками ScanSonic и HighYAG компонентами.
Компания Kugler изготавливает сварочные головки LK190W, LK390F и LK390W, последняя из которых предназначена для работы с излучением мощностью более 40 кВт. Головки могут быть укомплектованы фокусирующими зеркалами с фокусным расстоянием от 150 мм до 600 мм, системой изменения фокусного расстояния в автоматизированном режиме, а также зеркалом-делителем излучения на два луча. На базе лазерной головки LK390W изготовлена головка для лазерно-дуговой сварки LK390H. Также компания изготавливает лазерные головки для микросварки с диаметром пятна лазерного излучения в фокальной плоскости менее 10 мкм [13].
Лазерные сварочные головки АР44 и АР54 (рис.7), изготавливаемые компанией Reis и обладающие быстросъемным креплением для фиксации к роботу-манипулятору, предназначены для работы с мощностью лазерного излучения до 6 кВт и до 12 кВт соответственно.
Основные отличия данных головок от представленных выше – наличие диодной подсветки и быстросъемных магнитных креплений некоторых из модулей: контактно-измерительного модуля, оптического датчика слежения за стыком и модуля диодного освещения. Опционально головки также могут быть оснащены системой подачи проволоки, соплами для некоаксиальной и коаксиальной защиты шва. Компанией Reis представлена головка для лазерно-дуговой сварки [14], выполненная на базе лазерной головки АР54.
При изготовлении изделий машиностроения (теплообменных аппаратов, герметичных узлов насосов и пр.) возникают задачи по проведению обработки в труднодоступных местах. Для этого рядом компаний (Nutech, GTV, IWS, RPM и др.) разрабатывается специальный технологический инструмент [15].
Примером такого технологического инструмента может служить лазерная головка с допустимой лучевой нагрузкой до 3 кВт с глубиной досягаемости в базовой комплектации до 1 000 мм, разработанная в Институте лазерных и сварочных технологий [16]. Головка имеет крепления для установки на линейные манипуляторы, промышленные роботы и другие средства доставки.
На рис.8 представлены схемы головок для сварки поворотных и неповоротных стыков (и поверхностной термообработки) и примеры ее использования при приварке тонкостенной обечайки к корпусу насоса.
На рис.9 приведен общий вид головки с вращающимся поворотным зеркалом для сварки внутренних неповоротных стыков, установленной на роботизированном модуле доставки. Такая концепция практически не имеет ограничений по глубине досягаемости.
Одним из малочисленных отечественных производителей лазерных головок является НТЦ "Электроресурс", сотрудники которого изготавливают лазерную головку VF001MA для работы с волоконными лазерами мощностью до 3 кВт. Головка обладает возможностью изменения фокусного расстояния в автоматизированном режиме и может быть оснащена модулями на магнитном креплении с датчиком контроля расстояния до обрабатываемого изделия [17].
Также необходимо отметить сканирующие системы, использование которых позволяет повысить производительность сварки примерно на 25%. Из представленных на рынке сканирующих систем можно выделить IntelliWeld PR и IntelliWeld II FT (c F-theta линзой) (ScanLab), предназначенные для работы с лазерным излучением мощностью до 8 кВт. Компания ScanLab также производит сканирующие системы IntelliScan III 10 и IntelliScan III 20, предназначенные для работы с различными типами лазеров (диодный, волоконный, твердотельный и СО2-) с мощностью 150 Вт и 1000 Вт и рабочими зонами 120 Ч 120 мм 2 (f = 163 мм, d = 32 мкм) и 60 Ч 60 мм 2 (f = 160 мм и d = 16 мкм) соответственно. Компания Trumpf изготавливает сканирующие системы PFO, предназначенные для лазерной сварки, резки и микрообработки. Системы PFO модификации 14, 20 и 33 используют для 2D обработки изделий лазерным излучением мощностью от 2 до 8 кВт (диодный, волоконный, твердотельный лазеры) со скоростью от 22 до 78 м/с при рабочей зоне 286 Ч 230 мм (f = 420 мм; PFO 14, PFO 20) и 320 Ч 190 мм (f = 450 мм, PFO 33). В линейке PFO также представлена сканирующая система для 3D обработки (PFO 3D), которую можно использовать в составе комплекса на базе диодного лазера с максимальной выходной мощностью 8 кВт. В процессе обработки PFO 3D перемещает лазерный луч в фокальной плоскости (f = 1 200 мм) со скоростью до 22 м/с с размерами рабочей зоны 780 Ч 530 мм при возможности изменения положения фокальной плоскости по вертикальной оси на расстояние ±475 мм [18].
Сканирующая система, изготавливаемая компанией Reis, предназначена для сварки с максимальной мощностью лазерного излучения до 15 кВт и выпускается с фокусным расстоянием от 300 мм до 1000 мм в зависимости от комплектации.
Для лазерного излучения с мощностью 8 кВт и длиной волны 1 020–1 080 нм предназначена сканирующая система RLSK (HighYAG), оснащенная быстросменными стеклами для защиты зеркал и коллиматора, системой cross-jet, системой контроля целостности стекла и сканирующей системой головки RLSK, CCD-камерой и системой отверстий для фиксации. Сканирующая система используется для 3D сварки с рабочей зоной 200 Ч 300 Ч 200 мм (Ш Ч Д Ч В). Перемещение лазерного излучения в рабочей зоне реализуется при скорости и точности позиционирования: до 5 м/с (1 м/с в процессе обработки) и ±0,2 мм (вдоль осей X и Y) и ±0,5 мм (вдоль оси Z) соответственно.
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ЛАЗЕРНЫЕ ГОЛОВКИ ДЛЯ ЛАЗЕРНОЙ РЕЗКИ
Технология лазерного раскроя благодаря высокой плотности мощности лазерного излучения, превышающей 107 Вт/см 2, имеет ряд преимуществ перед другими термическими способами резки. Это высокая производительность, низкая погонная энергия, узкая ширина реза и узкая зона термического влияния, высокое качество обработанной поверхности и наряду с этим возможность автоматизации процесса. Технология используется в заготовительном производстве при изготовлении элементов из металлического листового и профильного сортамента (СО2-, волоконные, твердотельные лазеры), а также из пластиков (СО2-лазеры) в различных отраслях промышленности.
Использование в составе технологических комплексов современных лазерных источников накладывает определенные требования к лазерным головкам: обеспечение высокой термической стойкости компонентов оптической системы, возможность фокусировки лазерного излучения с минимальным диаметром пятна, контроль давления рабочих газов, целостности элементов оптической системы и расстояния до обрабатываемой поверхности.
Для реализации лазерной резки компания Precitec изготавливает головки, предназначенные для работы в составе комплексов на базе СО2-, диодных, твердотельных и волоконных лазеров [19].
Лазерные головки, работающие в составе комплексов на базе СО2-лазеров с максимальной мощностью от 3 до 8 кВт в зависимости от комплектации могут быть оснащены датчиками контроля давления рабочих газов, температуры, загрязнения или повреждения фокусирующей линзы (модели HP1,5" и HP2"), а также поставляются в стандартном исполнении без датчиков (CM2" и M1,5"). Все головки обладают возможностью регулировки фокусного расстояния. Головки, предназначенные для лазерной резки диодными, твердотельными и волоконными лазерами с максимальной мощностью от 500 Вт до 8 кВт, оснащены картриджем с быстросменным защитным стеклом и возможностью регулировки фокусного расстояния. В зависимости от комплектации головки могут иметь датчик контроля температуры фокусирующей линзы (MiniCutter, SpeedCutter и LightCutter) и CCD-камеру для слежения за процессом резки (FineCutter). Отдельно стоит отметить универсальную лазерную головку FineCutter, предназначенную для передачи лазерного излучения с длиной волны 255, 355, 515 нм; 1,064, 1,552 и 10,6 мкм.
Интересен вариант системы лазерной резки FormCutter Plus, оснащенной направляющими с рабочим полем вдоль осей X и Y 50 Ч 50 мм 2 и обеспечивающей высокую точность резки даже при использовании в составе роботизированного комплекса. Система лазерной резки выполнена на базе головки SolidCutter, используемой при максимальной мощности излучения с длиной волны 900–1 080 нм до 4 кВт, и может быть изготовлена с фокусным расстоянием коллиматора 75 мм и 100 мм и фокусирующей линзы 75 мм, 100 мм и 125 мм (рис.10).
Наибольшего внимания достойна головка ProCutter, предназначенная для лазерной резки металлов и сплавов при мощности лазерного излучения до 8 кВт и длиной волны 1 030–1 090 нм. Головка обладает функцией автоматической или ручной (в зависимости от исполнения, рис.11) регулировки фокусного расстояния, LED-дисплеем для визуального контроля давления, температуры, загрязнения оптической системы и движения в процессе работы, а также возможностью передачи данных с датчиков контроля на сотовый телефон или планшет через Bluetooth [20].
Интересна лазерная головка Bimo FSC (HighYAG), предназначенная для резки с мощностью лазерного излучения до 8 кВт (волоконный, твердотельный лазер) при КПД передачи излучения более 97% (1 064 нм). Головка обладает возможностью изменения фокусного расстояния и диаметра лазерного излучения (рис.12).
Также компанией HighYAG изготовлена головка для лазерной резки при максимальной мощности до 0,25 кВт с длиной волны 900–1 080 нм. Головка оснащена CCD-камерой и возможностью изменения положения фокальной плоскости относительно сопла по оси Z на величину ±5 мм. Головки для лазерного раскроя при мощности излучения до 1 кВт (D30 Compact) и до 12 кВт (FLC-D30) выпускает компания IPG. Лазерная головка FLC-D30 оснащена защитным стеклом с системой контроля, соплом с датчиком контроля высоты, возможностью ручного и автоматизированного перемещения фокусной линзы вдоль вертикальной оси, Ethernet соединением и коллиматором с диафрагмой и системой охлаждения и предназначена для лазерного раскроя стали, алюминиевых, медных сплавов и латуни. Опционально лазерная головка может быть оснащена коаксиальной камерой.
Компанией LaserLine на рынке представлена лазерная головка для раскроя нержавеющей стали и гальванически обработанных листов толщиной до 3 мм с диаметром пятна излучения, генерируемого диодным лазером, равным 150 мкм. Головка оснащена защитным стеклом, емкостным или контактным датчиком и датчиком контроля разрушения фокусирующей линзы.
Также интересны технологические лазерные головки LK190C и LK390C, представленные компанией Kugler, работающие с мощностью излучения до 8 кВт. Головки оснащены емкостным датчиком контроля расстояния до обрабатываемого изделия и имеют возможность юстировки сопла вдоль осей X, Y и Z в ручном или автоматизированном режиме.
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ЛАЗЕРНЫЕ ГОЛОВКИ ДЛЯ НАПЛАВКИ
Высококонцентрированное лазерное излучение, генерируемое современными лазерными источниками, при лазерной наплавке обладает следующими преимуществами перед иными источниками нагрева: высокой производительностью, низким коэффициентом перемешивания основного металла с наплавляемым, минимальной зоной термического влияния, низкой погоннойэнергией, низким уровнем остаточных деформаций и локальностью обработки изделия.
Лазерные головки, изготавливаемые для реализации технологии лазерной наплавки должны обладать оптической системой с высокой термической стойкостью, системой точной подачи наплавляемого материала в зону воздействия лазерного излучения, обеспечивающей высокий коэффициент использования материала, а также возможностью варьирования диаметров пятна нагрева и струи порошка в фокальной плоскости в широком диапазоне для обеспечения как прецизионной, так и производительной наплавки.
Компанией Precitec представлены варианты исполнения головок для лазерной наплавки с коаксиальной подачей порошка через четыре сопла и кольцевое сопло (YC30 и YC52) (рис.13) и некоаксиальной (рис.14) подачей порошка. Головки отличаются максимальной мощностью транспортируемого лазерного излучения: 2 кВт и 6 кВт соответственно длине волны.
Минимальный диаметр струи порошка в области перетяжки в случае его подачи через четыре сопла и при некоаксиальной подаче (головки YC30 и YC52) равен 2 мм, при струйной кольцевой подаче порошка – 0,7 мм.
Лазерные головки с коаксиальной подачей порошка, представленные компанией LaserLine, предназначены для работы с диодными лазерами и имеют равномерное распределение лазерного излучения в поперечном сечении в форме круга или прямоугольника.
Лазерные наплавочные головки, производимые компанией Reis, в зависимости от комплектации могут быть оснащены соплами с коаксиальной кольцевой или струйной (через три сопла) подачей, изготавливаемыми компанией ILT (Fraunhofer). Головки предназначены для интеграции в лазерные комплексы на базе диодных, волоконных и твердотельных лазеров с максимальной выходной мощностью 5 кВт, обеспечивая ширину наплавленного слоя от 0,2 мм до 4 мм в зависимости от схемы подачи и используемого лазерного источника (рис.15).
Сотрудниками IWS (Fraunhofer) изготовлены сопла серии Coax для коаксиальной кольцевой подачи порошка при наплавке с мощностью лазерного излучения 3–8 кВт и производительностью 10–150 г/мин в зависимости от исполнения. Также IWS производит сопла для некоаксиальной подачи и для щелевой симметричной подачи порошка Coax 11 с возможностью изменения ширины щели (рис.16). Сопло обеспечивает наплавку валика с шириной 8–22 мм. Головки предназначены для использования в составе технологических комплексов, изготовленных на базе СО2, диодного, волоконного, твердотельного лазеров мощностью до 10кВт.
Также интересен вариант исполнения лазерной головки для лазерной наплавки с коаксиальной подачей проволоки CoaxBrazer (Precitec) [21] и CoaxWire (IWS, Fraunhofer). В случае использования головки CoaxBrazer наплавка осуществляется при кольцевом распределении мощности лазерного излучения, обеспечивающем предварительный подогрев подложки с целью улучшения ее сцепления с наплавляемым материалом. Головка CoaxWire оснащена делителем лазерного луча на три сходящихся в зоне обработки пучка и при использовании проволоки диаметром 0,4–1,6 мм и максимальной мощности излучения 4 кВт обладает производительностью 3 кг/ч. Опционально головка может быть оснащена CCD-камерой и пирометром. Технология лазерной наплавки с использованием проволоки обладает рядом преимуществ перед технологией лазерной наплавки металлическим порошком из-за доступности сварочной проволоки на отечественном рынке и приближающегося к 100% коэффициента использования проволоки. Головка предназначена для использования с волоконными, твердотельными и диодными лазерными источниками (рис.17). На рис.18. представлена лазерная головка для восстановления внутренних, труднодоступных поверхностей от компании Nutech.
Сотрудниками CLA и IWS (Fraunhofer) изготовлены головки ID, ID-2 и Coaxid для наплавки внутренних цилиндрических поверхностей с минимальным диаметром 127 мм, 88,9 мм и 100 мм соответственно и рабочим ходом в стандартном исполнении 1 м при использовании мощности лазерного излучения до 6 кВт (диодный лазер; головка ID) и до 3 кВт (дисковый, волоконный, твердотельный лазер; головки ID-2 и Coaxid). Головки обеспечивают наплавку с производительностью 75 г/мин, 60 г/мин и 50 г/мин при ширине наплавленного слоя до 8 мм, 6 мм и 4 мм соответственно.
Отдельно хотелось бы отметить головку CoaxPowerLine, предназначенную для лазерной наплавки диодным лазером с мощностью излучения до 15 кВт с сопутствующим индукционным подогревом мощностью индуктора от 20 до 50 кВт. Использование индукционного подогрева повышает производительность наплавки до 18 кг/ч. По оценкам производителей, применение индукционного нагрева обрабатываемого изделия позволяет при мощности лазерного излучения 4 кВт получать производительность, сравнимую с производительностью наплавки при мощности лазерного излучения 8–10 кВт (рис.19).
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ЛАЗЕРНЫЕ ГОЛОВКИ ДЛЯ ПОВЕРХНОСТНОГО ТЕРМОУПРОЧНЕНИЯ
Технология лазерного термоупрочнения реализуется за счет нагревания поверхностного слоя изделия при его кратковременном взаимодействии с высококонцентрированным лазерным излучением до температур, незначительно превышающих температуры полиморфного превращения, и последующего охлаждения с высокой скоростью, благодаря отводу тепла внутрь изделия. Высокие скорости охлаждения подавляют диффузию углерода при полиморфном превращении, образуя в поверхностном слое изделия мартенситную фазовую составляющую, обладающую высокими трибологическими характеристиками.
Для реализации технологии лазерного термоупрочнения в большей степени подходят волоконные, твердотельные и диодные лазерные источники, генерирующие лазерное излучение, поглощаемое материалом изделия с повышенным коэффициентом поглощения по сравнению с излучением, генерируемым СО2-лазером [22]. С целью обеспечения высокой производительности процесса, а также создания равномерно закаленного по глубине слоя предпочтительнее использовать лазерные головки с равномерным распределением излучения в поперечном сечении. К таким головкам в первую очередь необходимо отнести лазерные сварочные головки IPG мощностью до 10 кВт FLW-D50L с дополнительно встроенным модулем Beam Shape Module, головки Kugler с зеркалами, обеспечивающими равномерное распределение лазерного излучения, а также лазерные сварочные головки компании LaserLine.
Равномерный нагрев поверхности можно реализовать также при осциллировании лазерным пучком поперечно относительно направлению обработки. Для реализации данной технологии успешно применяются лазерные головки компании IPG FLW-D30 Wobble и FLW-D50 Wobble с максимальной мощностью излучения 6 кВт и 10 кВт. Головка RLH-A (ScanSonic) кроме гальванометрического сканатора, обеспечивающего перемещение лазерного излучения в поперечном направлении, образуя закаленный слой шириной до 30 мм, также оснащена пирометром, расположенным коаксиально лазерному излучению и измеряемым температуру обрабатываемой зоны в диапазоне от 800 до 1 600 °С. Оптическая система лазерной головки способна передавать лазерное излучение, генерируемое волоконным или твердотельным, или диодным лазерами с максимальной мощностью до 6 кВт (рис.20).
Компанией Precitec для реализации, в том числе технологии лазерного термоупрочнения, изготовлена система ScanTracker, способная сканировать излучение с частотой 1 kHz.
Сотрудниками компании CLA изготовлена лазерная головка ID-H для термоупрочнения внутренних цилиндрических поверхностей диаметром не менее 76 мм и рабочим ходом 1 м при мощности лазерного излучения до 3 кВт.
ВЫВОДЫ
Результаты проведенного анализа показали, что подавляющее большинство лазерных головок предназначено для работы в составе технологических комплексов на базе диодных, волоконных и твердотельных лазеров. Головки изготавливают по модульному принципу, обеспечивающему возможность подбора требуемой комплектации в зависимости от поставленных перед ними задач. Основные усилия компаний-производителей лазерных головок направлены на изготовление компонентов оптических систем, обладающих высокой термической стойкостью, и дополнительных систем, поставляемых в составе лазерных головок и обеспечивающих полную автоматизацию технологического процесса.
Авторы выражают благодарность С.В.Смирнову (ООО "ЦК СПА") и С.Шмелеву (НТО "ИРЭ-Полюс") за предоставленную информацию о технических характеристиках лазерных головок, изготавливаемых компаниями Precitec, ScanSonic, Nutech и IPG Photonics.
ЛИТЕРАТУРА
1. Бертолотти М. История лазеров. – Долгопрудный: Издательский Дом "Интеллект", 2011.
2. Игнатов А.Г. Десять лет успеха: рынок фотоники и лазерных технологий (2004–2015 годы). – Фотоника, 2015, № 3,с.10–27.
3. Овертон Г., Белфорте Д.А., Ноге А., Холтон К. Годовой обзор и прогноз мирового рынка лазеров. – Лазер-информ, 2016, № 3–4, с.2–-8.
4. Цибульский И.А., Туричин Г.А., Земляков Е.В., Валдайцева Е.А., Кузнецов М.В., Сомонов В.В. Разработка технологии гибридной лазерно-дуговой сварки сталей для судостроения и строительства трубопроводов. – 7-я Международная конференция "Лучевые технологии и применение лазеров", Россия, Санкт-Петербург, 18–21 сентября, 2012, с.156–171.
5. Казакевич В.С., Яресько С.И. Тенденции развития рынка лазерных технологий для решения задач лазерной обработки материалов. Часть 1. Мировой лазерный рынок. – Известия Самарского научного центра Российской академии наук, 2014, т. 16, № 4, c. 266–275.
6. IPG Photonics’ Welding Heads. Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.ipgphotonics.com/527/Widget/Welding+Head+Brochure.pdf.
7. Laser Processing Heads. Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.highyag.com/Laser-Processing-Heads/laser-processing-heads.html.
8. Optics with Seam Tracking. Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.scansonic.de/en/produkte-menue/optics-with-seam-tracking.
9. Laser welding – a reliable connection. Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.precitec.de/en/products/joining-technology/a-reliable-connection/.
10. Welding System FormWelder Plus. Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.precitec.de/en/products/joining-technology/processing-heads/formwelder-plus/.
11. Processing optics with stable focal position up to 30 kW. Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.scansonic.de/files/downloads/scansonic_bosf_datasheet_v2.0_en. pdf.
12. Welding Optics. Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.laserline.de/welding-optics.html.
13. Fiber Laser Heads for Welding and Cutting. Электронный ресурс. Режим доступа: https://www.kugler-precision.com/index.php? Fiber-laser-heads-for-welding-and-cutting#.
14. Modular welding optics. Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.reislasertec.de/en/produkte/laser-processing-optics/welding-optics.
15. Welding optics. Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.nutech.de/en/services/laser-system-technology/special-optics.
16. Разработка оборудования. Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.ilwt-stu.ru/research/dev_equipment/#lasercomplex.
17. Богданов А.В., Голубенко Ю.В. Волоконные технологические лазеры и их применение: Учебное пособие. – С-Пб.: Лань, 2016.
18. Programmable Focusing Optics in the PFO Series. Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.trumpf-laser.com/en/products/solid-state-lasers/beam-guidance/focusing-optics/pfo.html.
19. Products. Laser cutting. Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.precitec.us/products/laser-cutting/solid-state-laser/finecutter/.
20. ProCutter – the cutting head for every task. Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.precitec.us/products/laser-cutting/solid-state-laser/procutter/.
21. Pajukoski H., Nakki J., Thieme S., Tuominen J., Nowotny S., Vuoristo P. Laser cladding with coaxial wire feeding. – Conference: 31st International Congress on Applications of Lasers & Electro-Optics (ICALEO 2012), At Anaheim, CA, USA.
22. Лопота В.А., Туричин Г.А., Цибульский И.А., Сомонов В.В., Кузнецов М.В. Перспективы внедрения волоконных лазеров для лазерной термообработки черных металлов. – Заготовительные производства в машиностроении, 2013, № 3, c.15–17.
Отзывы читателей
