Ретроспектива применения твердотельного лазера в современной промышленности

Категория: Производство

твердотельный лазерТвердотельные лазеры заняли достойное место в промышленном производстве. И хотя у них существуют определенные проблемы при обработке некоторых видов материалов, этот вид лазера занял порядка четверти рынка промышленных лазеров.

Общие понятия процесса.


Примерно десять лет назад данная технология достигла достаточной мощности для применения в промышленности. Тогда некоторые эксперты утверждали, что твердотельный лазер способен вытеснить с рынка все другие виды промышленного лазера. Этого не произошло. Но технология продолжает улучшаться и твердотельные лазеры с воздушным охлаждением становятся все менее затратными при эксплуатации и все более привлекательными для производства.

Твердотельные лазеры характеризуются высоким качеством луча. Качество луча характеризуется несколькими способами:
1) Произведение диаметра луча на полный угол расхождения излучения называют параметром качества луча (beam parameter product) BPP.

2) Отношение BPP к диаметру луча гауссовского профиля с такой же длиной волны называют М2 параметром. В научном понимании существует идеальный луч, достигающий дифракционного предела с параметром M2 равным единице. Благодаря своей конструкции твердотельные лазеры способны производить луч подобного качества.

Твердотельные лазеры в одномодовом режиме способны концентрировать энергию луча вблизи от его центра. Это называется распределением Гаусса или нормальным распределением. Стоит понимать, что с увеличением мощности качество луча всегда падает, но на данный момент твердотельные лазеры с длиной волны в 1 мкм с мощностью выше 1 кВт считаются и являются наиболее качественными из всех доступных в промышленности.

Излучение, получаемое в твердотельных лазерах, требует коллимации. Это специальная процедура превращает энергию луча в параллельно идущий поток излучения. Узел коллимации обычно находится между передающим волокном и фокусирующей головкой. Интересно, что оптика мощных твердотельных лазеров с длиной волны в 1 мкм способна работать с Nd:YAG лазерами. Но линзы и зеркала могут подвергаться интенсивному износу от слишком мощного сфокусированного луча. Поэтому в индустрии стал применяться специальный кварцевый материал для подложек оптических устройств.

Вообще за время десятилетней лазерной эволюции оптика устройств претерпела множественные изменения. И хотя простая плоско-выпуклая линза все еще широко применяется, наибольшего распространения получили асферические и асимметричные дублетные и триплетные системы линз. Только в таких устройствах коллимационный поток может достичь наиболее точной фокусировки. Сейчас всю оптическую часть машин лазерной резки и сварки стали обрабатывать специальными покрытиями. Для линз это осветляющие составы, для зеркал - отражающие.

Особенности технологии при резке твердотельным лазером


Каждый, кто хоть раз в жизни хотя бы присутствовал при настройке лазера для резки, знает о сложности этого занятия. Настройке могут подвергаться более 10 параметров:  длина волны, качество пучка, размер пятна, глубина прожига, калибровка расположения пятна, выбор сопутствующего газа и его давления, вид сопла и его регулировка, скорость резки... Даже если при настройке будут достигнуты удачные параметры, не факт, что их можно будет устойчиво поддерживать в реальном производстве.

Твердотельный лазер с 1 мкм длиной волны с современной режущей головкой бьет газовый CO2 лазер по всем параметрам при резке металлов до 4 миллиметров. Для резки металлов с высокой отражающей способностью (медь, алюминий) он полностью вне конкуренции. Но с увеличением толщины разрезаемого материала преимущества твердотельного лазера начинают быстро таять. Это связано с двумя факторами: длиной волны и углом атаки реза. (Смотри рис. 1)Короткая длина волны твердотельного лазера лучше совмещается с малым углом падения.

При этом эксплуатационные расходы твердотельного лазера существенно ниже CO2 лазера. Поэтому сейчас происходит активная конкуренция между этими двумя типами лазеров. Твердотельный лазер наступает. Увеличиваются его доступные мощности и качество режущих головок.

Особенности технологии при сварки твердотельным лазером

Трудности при сварке твердотельным лазером возникают благодаря его длине волны и исключительным качеством луча. Глобально существует два типа лазерной сварки: сварка малого проникновения с широким и неглубоким швом, и сварка глубокого проникновения (keyhole welding) с узким швом, полностью проникающим сквозь заготовки. По сути, сварка с глубоким проникновением аналогична резке, за исключением того, что расплавляемый металл не удаляется. Специалисты указывают на определенные сложности при производстве такого вида сварки. Большое количество расплавленного металла может приводить к брызгам и прочим нарушениям при формировании шва. Некоторые манипуляции с защитным газом и изменением угла подачи луча могут влиять на ситуацию, но не кардинально. На процесс больше всего влияет то, что фокусирующая линза и вообще вся оптическая система вблизи процесса подвергается нагреву и опасности повреждения. Нагреваясь, части оптической системы меняют свои свойства в худшую сторону. Поэтому конструкция сварочных головок идет в сторону минимизации подобных эффектов. Подобно CO2 лазерам часто используются параболические отражающие зеркала вместо фокусирующих линз. 

Короткое излучение твердотельного лазера более чувствительно к различным сопутствующим загрязняющим факторам. Дым, пар, брызги очень сильно изменяют процесс сварки. При этом часто микроскопические загрязнения не видны невооруженным глазом. Все сказанное выше делает сварку твердотельным лазером очень деликатным процессом, требующим нетривиальной культуры производства.

Выводы:
Твердотельные лазеры стремительно ворвались в промышленное производство всего десять лет назад. Но при этом им не хватило совсем немного, чтоб произвести настоящую промышленную революцию. В любом случае твердотельный мощный лазер с длиной волны около 1 мкм повышает производительность труда, культуру производства. Он позволяет решать многие производственные задачи при минимальных затратах, заменяя и вытесняя многие другие способы обработки металлов и других материалов.