Волоконные лазеры для обработки материалов

19 Февраля 2013

Стремительный прогресс в разработке и развертывании серийного выпуска мощных (до нескольких десятков киловатт) волоконных лазеров заложил основу их широкого применения для различных технологических процессов, требующих высоких плотностей лазерной мощности - резки, сварки, локальной термообработки и др.

             

По сравнению с традиционными промышленными СО₂ и АИГ лазерами мощные волоконные лазеры обладают рядом преимуществ:

• высоким КПД (до 30% «от розетки»),
• в несколько раз меньшими габаритами и весом,
• высокой стабильностью выходных параметров (около 1% по выходной мощности),
• высоким качеством излучения,
• волоконной доставкой лазерного излучения на десятки метров,
• высокой надежностью и большим ресурсом основных элементов и подсистем.

Для применения в промышленности предлагаются иттербиевые волоконные лазеры с длиной волны 1,07 мкм и выходной мощностью от 100 Вт до 50 кВт. Такие лазеры позволяют решать практически весь спектр технологических задач по лазерной резке, сварке и термообработке.

В промышленных волоконных лазерах используется, как правило, водяное охлаждение, которое обеспечивается чиллерами типа вода-воздух (вода прокачивается по замкнутому контуру охлаждения, теплосброс осуществляется в воздух). Лазеры мощностью до 200 Вт предлагаются также с воздушным охлаждением.

Лазеры мощностью до 1000 Вт выпускаются в 19-дюймовых корпусах, предназначенных для установки в 19-дюймовые стойки. Подобная конструкция лазера облегчает встраивание лазера в технологический комплекс. Лазеры этого диапазона мощности, как правило, одномодовые с М² = 1,05...1,2. Применение одномодовых лазеров для резки требует их комплектации относительно длиннофокусными оптическими головками с фокусным расстоянием объектива 150-300 мм. Если это по тем или иным причинам неудобно, то вместо одномодовых можно использовать маломодовые лазеры в таком же конструктивном исполнении с диаметром жилы транспортного волокна 50 или 100 мкм. С маломодовыми лазерами можно использовать более короткофокусные оптические головки с фокусным расстоянием объектива 50-200 мм. Лазеры этого диапазона мощности позволяют осуществлять качественную резку стали толщиной до 10 мм. На рис. 1 показан 600 Вт одномодовый волоконный лазер.

Для лазеров мощностью от 0,5 кВт до 4 кВт предлагается конструктивное исполнение в виде стойки высотой около 1,2 м. Лазеры мощностью до 2 кВт могут поставляться в уменьшенных стойках высотой до 0,6 м. Такие лазеры имеют маломодовый выход с качеством выходного пучка ВРР = 2...5 мм х мрад (М² = 6...15). Основное назначение лазеров этого диапазона мощности - резка и сварка металлов различной толщины, наплавка, закалка и другие виды термообработки. На рис. 2 приведена фотография 1,5 кВт волоконного лазера, а на рис. 3 - образцы резки, полученные с помощью волоконных лазеров. В стойку лазера (высотой 1,2 м) может быть установлен оптический разъем (каплер) или оптический переключатель на 2...6 каналов. Каплер позволяет быстро заменять волоконный кабель доставки в случае его повреждения, а оптический переключатель применяется для переключения выходного излучения одного лазера между несколькими рабочими постами, например, установкой резки, сварочным постом, участком лазерной закалки и др. Это позволяет гораздо эффективнее использовать волоконный лазер, имеющий очень высокий ресурс работы.

Лазеры в стоечном исполнении, по сравнению с 19-дюймовым конструктивом, оснащаются системой управления с более широкими функциональными возможностями, включая один из стандартных промышленных интерфейсов для стыковки к ЧПУ технологической установки.

Для лазеров от 3 до 10 кВт применяются стойки высотой около 1,6 м. Такие лазеры имеют качество выходных пучков ВРР = 2,2...7 мм х мрад и применяются в основном для сварки и термообработки. Для лазеров большей мощности (до 30 кВт) применяются сдвоенные и строенные стойки. На рис. 4 показан образец двухсторонней сварки стали толщиной 50 мм с помощью 20 кВт волоконного лазера.

В таблице приведены основные характеристики некоторых моделей промышленных волоконных лазеров.

В.М. Плотников, к.т.н.
Журнал «Станочный парк», №11 (56) 2008