Обработка материалов с помощью мощных волоконных лазеров

Оригинал статьи вы можете найти на сайте ntoire-polus.ru

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 ND:YAG лазерами мощные волоконные лазеры облают существенными преимуществами:

  • 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 систем.

Тем не мeнee, у ряда специалистов ведущих фиpм, производящих лазерные комплексы (Тrumpf, Вystronics и др.), наблюдается определенный скептицизм относительно использования мощных волоконных лазеров для резки металлов, особенно большой толщины (свыше 10 мм). Это связано прежде всего с тем, что всего в мире находится в эксплуатации до тридцати тысяч лазерных комплексов на основе СО2 -лазеров, производство которых поставлено на поток, и их замена потребует как серьезных вложений от производителей, так и существенных затрат со стороны пользователей этого оборудования, а сам процесс модернизации займет не один год. Существенным фактором является также то, что волоконные лазеры киловаттного и мультикиловаттного уровня производятся серийно только международной группой IPG, частью которой является российская компания НТО «ИРЭ-Полюс» (г. Фрязино, Mocковская обл.).

В России в настоящее время действует около тысячи лазерных комплексов для резки, причем значительную долю в этом парке составляет «Second hand» западных фирм, а также оборудование, давно выработавшее свой ресурс и морально устаревшее. В связи с улучшением экономической ситуации в стране все большее количество компаний ориентируется на приобретение нового оборудования. Это создает благоприятные условия для ускоренного переоснащения ведущих отраслей промышленности современным лазерным технологическим оборудованием с мощными волоконными лазерами.

Необходимым условием быстрого внедрения лазерных технологий в различные отрасли является постоянная отработка технологических режимов для решения конкретных задач потребителей. Подобные работы ведутся рядом предприятий и научно-производственных центров в Москве, Московской области, Санкт-Петербурге, Воронеже, Самаре, Нижнем Новгороде, Ульяновске и других городах страны. Результаты работ, как в этих центрах, так и за рубежом показывают, что для толщины металла до 10 мм скорости резки волоконными лазерами могут быть в 2-3 раза выше, чем при тех же мощностях СО2 -лазеров. В наибольшей мере преимущества волоконных лазеров проявляются при резке алюминиевых сплавов, что связано с более высоким коэффициентом поглощения на длине волны иттербиевого лазера (1.07 мкм) по сравнению с СО2-лазерами (10,6 мкм) и высокой плотностью мощности в фокусе режущей лазерной головки. Достигнуты хорошие результаты по резке металлов большой толщины (рис.1-3).

Поверхность реза низкоуглеродистой стали толщиной 16 мм

Рис. 1 - Поверхность реза низкоуглеродистой стали толщиной 16 мм. Мощность волоконного лазера 2 кВт, скорость резки с кислородом 550 мм/мин

оверхность реза низкоуглеродистой стали толщиной 20 мм

Рис. 2 - Поверхность реза низкоуглеродистой стали толщиной 20 мм. Мощность волоконного лазера 2,5 кВт, скорость резки с кислородом 600 мм/мин

Образец лазерной резки алюминиевого сплава толщиной 5,5 мм

Рис. 3 - Образец лазерной резки алюминиевого сплава толщиной 5,5 мм. Мощность волоконного лазера 1,1 кВт, скорость резки с воздухом 100 мм/мин

НТО «ИРЭ-Полюс» (разработчик и производитель мощных волоконных лазеров в России) совместно с Лазерным центром Московского инженерно-физического института (Университета) проводят на территории Лазерного центра МИФИ в Москве широкий спектр технологических работ по процессам резки, сварки, закалки, маркировки и другим операциям с использованием волоконных лазеров различных типов. В ближайшее время в Лазерном центре будет установлено несколько современных лазерных систем на основе роботов и высокоскоростных координатных столов для демонстрации возможностей мощных волоконных лазеров и ускорения внедрения этих технологий в промышленность. До недавнего времени использование мощных лазеров для лазерной сварки серьезно сдерживалось такими факторами, как сложность транспортировки излучения CO2-лазеров к трехмерным объектам с необходимостью движения по нескольким осям и недостаточной фокусировке излучения длиннофокусными оптическими системами, необходимыми для проведения дистанционной сварки, а также громоздкостью и низким КПД ND:YAG-лазеров мощностью более 1 кВт.

Образец сварки алюминиевого сплава толщиной 0,3 мм

Рис. 4 - Образец сварки алюминиевого сплава толщиной 0,3 мм. Мощность волоконного лазера 700 Вт, скорость сварки около 1 м/мин

Сварка стали толщиной 50,8 мм (двухсторонняя)

Рис. 5 - Сварка стали толщиной 50,8 мм (двухсторонняя). Мощность волоконного лазера 20 кВт, скорость сварки 600 мм/мин (выполнено IPG Laser GmbH)

Следует отметить, что лазерная сварка требует разработки оснастки практически для каждого технологического процесса, поэтому ведётся совместная работа технологов и производителей лазерного оборудования для промышленной реализации процесса.

Благодаря высокому коэффициенту поглощения металлов на длине волны излучения волоконных лазеров эффективность лазерной термообработки, по сравнению с CO2-лазерами, существенно возрастает. Как показывают проведенные работы по термоупрочнению ряда материалов, возможно изменение структуры материала на глубину порядка одного миллиметра без оплавления поверхности и со скоростями несколько метров в минуту.

Помимо обработки металлов, волоконные лазеры с успехом можно применять для очистки внутренних поверхностей труб от накипи (в Лазерном центре МИФИ была выполнена отработка этого процесса) и для резки бетонных конструкций.

Таким образом, надежные, эффективные и стабильные промышленные волоконные лазеры, обладающие уникальными для подобного оборудования характеристиками, позволяют создавать разнообразные лазерные комплексы для широкого применения в различных отраслях.

Межевов В.С.
к.ф.-м.н.(НТО "ИРЭ-Полюс")
Петровский В.Н.
к.ф.-м.н.(Лазерный центр МИФИ)
20.06.2008