Технологічні головки для волоконних лазерів

Наши партнеры ArtmMisto

Функціональність лазерних головок

А. Оптична функція
Природно, що головна функціональність - оптична, або функція перетворення оптичного потоку, що виходить з транспортного оптичного волокна лазера. Світлове випромінювання виходить з зрізу у вигляді конуса з повним кутом 0,2 ... 0,4 радіана (в залежності від модового типу волокна) і в цьому виді непридатне для термічних операцій. Хоча є і винятки - можна виконувати зварювання тонких металів просто випромінюванням, що виходить з кварцового волокна - за рахунок дуже високої стійкості кварцу зріз руйнується досить повільно. Це єдиний нам відомий спосіб використання волоконного лазера без лазерної головки - але все одно необхідно подавати захисний газ і виконувати модуляцію потужності випромінювання.

Природно, що головна функціональність - оптична, або функція перетворення оптичного потоку, що виходить з транспортного оптичного волокна лазера. Світлове випромінювання виходить з зрізу у вигляді конуса з повним кутом 0,2 ... 0,4 радіана (в залежності від модового типу волокна) і в цьому виді непридатне для термічних операцій. Хоча є і винятки - можна виконувати зварювання тонких металів просто випромінюванням, що виходить з кварцового волокна - за рахунок дуже високої стійкості кварцу зріз руйнується досить повільно. Це єдиний нам відомий спосіб використання волоконного лазера без лазерної головки - але все одно необхідно подавати захисний газ і виконувати модуляцію потужності випромінювання.

Оптична функція (див. Рис. 1) складається в формуванні області високої концентрації променевої енергії в зоні обробки. Частина технологічних процесів з використанням потужних лазерів (зварювання та різання) з точки зору фізики процесу - істотно тривимірні і, таким чином, важливий не тільки діаметр плями фокусування df, але і характерна довжина перетяжки пучка gf. Ці величини можна оцінювати, виходячи із зазначеного в паспорті волоконного лазера параметра якості випромінювання BPP (Beam Production Parameter) і кута фокусування вихідного пучка a, який можна оцінювати як відношення фокусної відстані вихідний лінзи F і апертури пучка D до цієї лінзи a = D / F (ці параметри вказуються в специфікації лазерної головки):

Слід враховувати, що розподіл інтенсивності потоку в лазерному пучку неоднорідне і наведені оцінки дають характерні розміри високоенергетичної зони пучка, причому для «добре» спроектованої системи з мінімальною сферичною аберацією. Для багатьох технологічних застосувань неоднорідність пучка досить шкідлива, так, для термічного загартування вона призводить до того, що в центрі метал доводиться до плавлення, а на периферії глибина гарту недостатня. Тому до складу оптичних функцій потрібно додатково включати вирівнювання інтенсивності - або статичним методом (рис. 2), скажімо за рахунок використання асферичною оптики, або динамічним, за рахунок швидкого сканування (розгортки) лазерного пучка по поверхні по оптимальному закону. Сканування також необхідно в ряді випадків для зварювання великої товщини, воно забезпечує розширення парогазового каналу, поліпшення дегазації і виключення пір і інших дефектів зварного шва.

Крім всієї цієї функціональності важливо, щоб оптична система передавала променеву потужність з малими втратами і не погіршувала якість лазерного пучка. В даний час є фактично тільки один оптичний матеріал, придатний для виготовлення лінз для волоконних лазерів потужністю 500 ... 20000 Вт - кварцове скло різних марок з якісним покриттям. Характерні втрати на одній лінзі для таких елементів складають 0,3 ... 0,5%, а загальні втрати потужності в лазерної голівці не перевершують 1.5 ... 3%. Передана потужність обмежується як променевої стійкістю оптичних елементів, так і формуванням термічних лінз изза зміни показника заломлення кварцового скла при нагріванні в зоні проходження лазерного пучка. Для кварцу ефект завжди позитивний, тобто в першому наближенні теплові лінзи еквівалентні появи позитивних лінз в системі, так що проявляється цей ефект на практиці в зміщенні точки фокуса в сторону до лазерної голівці. Моделювання за методиками [1] показує, що характерний час формування теплової лінзи становить 2 ... 20 с, так що ефект виникає практично відразу, а не «при тривалій роботі», як часто помилково вважається.

Променева стійкість високоякісних лінз досить велика і перевищує значення 5 кВт / см2, а ось термічні лінзи можуть виникати при істотно меншій щільності потужності і саме вони можуть обмежувати граничну робочу потужність системи. Якщо скористатися практичним досвідом лідера у виробництві лазерних головок Precitec, то можна, виходячи з доступної технічної документації, побудувати графік необхідної апертури системи від потужності переданого потоку (рис. 3) і визначити, що практичне значення робочої щільності потужності, усереднене по апертурі становить близько 0.6 ... 0.7 кВт / см2. Весь набір оптичної функціональності зведений в таблицю 1.

Б. Функції юстирування Изза неточностей виготовлення деталей головки, в тому числі оптичних, посадок, складальних відхилень і.т.п. виникає необхідність узгодження просторового положення елементів головки і положення лазерного пучка (рис. 4). Особливо це важливо для процесу лазерного різання, де сфокусований лазерний пучок проходить через невелике (0.5 ... 1.5 мм) отвір в соплі. Тому в конструкцію лазерної головки вводять елементи, що забезпечують узгодження оптичної осі лазерного пучка і осі газового сопла - зазвичай це механічні елементи (набір регулювальних гвинтів), що забезпечують таку юстировку за рахунок взаємного зміщення вузлів головки. Ніщо, в принципі, не заважає цю функцію автоматизувати і слід очікувати появи лазерних головок, що забезпечують автоматизоване суміщення осей.

Далі потрібно встановити оптимальне положення точки фокуса пучка щодо зрізусопла. Для цього в більшості головок є мікрометричний механізм зміщення фокусує лінзи щодо корпусу. Проблема, однак, полягає в тому, що изза різниці показника заломлення кварцу для потужного пучка з довжиною хвилі 1080 нм і для довжини хвилі вбудованого в лазер пілотного джерела (червоний, близько 630 нм) точки фокуса зміщені на відстань 2 ... 5 мм, і по пілотного пучку без урахування цього зміщення виконати операцію установки оптимального відстані Dz не вдається. В результаті користувачеві доводиться проводити експериментальні роботи на матеріалах (наприклад, виконувати серії треків на потужному пучку) для з'ясування реального стану фокуса потужного пучка.

Технологія обробки вимагає, щоб точка фокусу пучка перебувала на заданій відстані Df від поверхні матеріалу, якщо зсув Dz встановлено, то необхідно просто підтримувати необхідну значення відстані від зрізу сопла до деталі Df + Dz (c урахуванням знаків, так як фокус може бути і заглиблений під поверхню ). Функція підтримки відстані в більшості головок реалізується на основі введення в конструкцію ємнісного сенсора відстані від сопла до деталі. Сопло конструктивно ізолюється від корпуса головки діелектричним елементом, і спеціальна електроніка вимірює ємність між проміжком соплометалліческій лист і перетворює в електричний сигнал, що несе інформацію про відстань, який передається в систему управління координатної системою для виконання коригування положення головки.

Іноді технологія якісної лазерного різання може включати управління становищем точки фокусу щодо листа. Так розкрійні столи фірми Trumpf з СО2 лазерами включають режими врізки з переміщенням точки фокусу щодо листа з використанням адаптивного дзеркала. Отже, функція осьового переміщення точки фокуса в технологічних голівках для волоконних лазерів - також прямий кандидат на автоматизацію і переклад на електронне управління, але поки реалізована тільки в декількох моделях головок.

В. Технологічні функції

Лазерний технологічний процес вимагає також подачі в зону обробки речовин (газів, наплавочних матеріалів). Всі ці потоки повинні бути узгоджені і сінхонізіровани з потоком променевої енергії. Найпростіший варіант - подача ріжучого газу через коаксіальне сопло при лазерного різання. Як газу використовується чистий кисень, стиснене повітря, азот, а також суміші газів. Надмірний тиск газу у вихідній камері перед соплом може становити від 0.3 до 15 атм, а в технології лазернокіслородной різання листів великої товщини LasOx [2] до 40 атм. Отже, конструкції вихідних камер головок для різання повинні бути розраховані на високий статичний тиск газу.

Технологія лазерного зварювання висуває інші вимоги до газової системи. Поперше, потрібно захистити ванну розплаву інертним газом (як правило, аргоном). Подруге, подавати в зону активної взаємодії лазерного пучка з металом і парами газові суміші для управління процесом. Останнє обов'язково при лазерної зварюванні СО2 лазерами при потужності вище 24 кВт [3], але є поки дискусійним для лазерного зварювання волоконними лазерами. Поки, як правило, плазмоподавляющіе і керуючі суміші не використовують, але є експериментальні дані, що і в разі лазерного зварювання потужними волоконними лазерами можна ефективно управляти зварювальним процесом за рахунок використання газових сумішей. На рис. 5 представлена сопловая частина лазерної головки VF001M, в якій реалізована подвійна газова схема - лазерний пучок проходить через центральний коаксіальне отвір, через систему отворів поблизу осі подається контрольована газова суміш в зону активної взаємодії, а периферійна зона формує огортає ламінарний потік аргону для захисту зварного шва. Така голівка не дуже придатна для швидкісного зварювання лінійних швів, так як зона захисту шва при високих швидкостях недостатня по довжині, але ідеально годиться для якісного зварювання з максимальною глибиною проплавлення і контурної зварювання в тому числі і таких критичних матеріалів, як титанові сплави.

У найпростішому варіанті при лазерної термообробки не використовуються соплові системи і захисні гази, але в ідеалі потрібні спеціальні насадки для захисту металу від окислення або для активації дифузійних процесів насичення поверхневого шару металу з газової фази.

Лазерна наплавлення вимагає подачі в зону нагрівання порошкових матеріалів або дротів, якщо дивитися на досвід розвитку наплавлювальних процесів на основі СО2 лазерів, то це можуть бути досить складні і гнучко керовані системи з просторовою розкладкою порошкових струменів сканирующими соплами.

Гібридні способи лазерного зварювання вимагають інтеграції в зварювальної насадки лазерної частини з дуговими зварювальними інструментами. У найпростішому випадку це майже механічна суперпозиція систем, як в гібридної голівці фірми Precitec (рис. 6 а), в більш складних системах - це наскрізна інтеграція - (рис.6 б).

Г. Контроль і безпеку Г. Контроль і безпека

Лазерна технологічна головка є енергетично навантаженим об'єктом, що передає більшу потужність, тому розумно її постачати сенсорами і захисними функціями. Сюди можна віднести такі опції:

• моніторинг температури корпусу або окремих зон, який може давати інформацію про деградацію оптичних елементів і помилки юстування системи;

• прямий моніторинг стану оптики;

• вбудований контроль потужності променевого потоку;

• датчики тиску або витрати технологічних газів.

Все це важливо, особливо для повністю автоматизованих процесів, так як моніторинг стану дозволить запобігти не тільки випуск бракованої продукції, але і руйнування досить дорогого пристрою.

В цей же розділ можна додати функції захисту оптики, оскільки матеріальний процес лазерної обробки неодмінно пов'язаний з активним виділенням парів, бризок і інших потоків, здатних зруйнувати оптичні властивості вихідний поверхні. В процесі лазерного різання досить використовувати порівняно дешевий елемент - захисне скло (як витратний матеріал), так як присутня природний захист у вигляді осьового потоку ріжучого газу. При лазерної зварюванні і деяких інших процесах такий захист відсутній, і доводиться використовувати для штор газодинамічні завіси перед захисними стеклами, засновані на використанні щілинних сопел, які формують плоский захисний повітряний екран.

Д. Функції, що забезпечують адаптивність процесу

При використанні лазерних головок в роботизованих комплексах виникає необхідність функцій попереднього, поточного і фінішного контролю процесу. Найбільш явно це можна пояснити на процесі лазерного зварювання - підготовлені під зварювання елементи ніколи не володіють абсолютною точністю ні по геометрії елементів, ні по зазорам, ні по просторовому положенню щодо координатної системи маніпулятора. Тому виникає завдання попереднього сканування розташування стику і зазору між елементами в просторі і подальшого коректування програми руху. Це не буде ідеальним рішенням, так як в деяких випадках зазор може змінюватися безпосередньо під час зварювального процесу изза термічних напружень. Тому ідеальне рішення буде складатися в використанні вбудованих в головки трьох систем сенсорів, які формують, за термінологією фірми Precitec, наскрізну систему контролю якості лазерного зварювання LWQC - Laser Welding Quality Control. Система повинна містити:

• сенсори попереднього вимірювання геометрії зварного шва - STS - Seam Tracking Systems,

• сенсори поточного контролю LWM - Laser Welding Monitor,

• сенсори контролю фінішної геометрії зварного шва SGM - Seam Geometry Monitor.

Це в рівній мірі стосується і інших технологічних процесів, наприклад, лазерної гарту і лазерної очищення.

На даному етапі розвитку конструкцій лазерних головок ця функціональність реалізована в мінімальної стадії. У серійні лазерні головки обов'язково вбудована можливість підключення ємнісного сенсора відстані, і деякі виробники вбудовують в головки модуль відеосенсор, який дозволяє виробляти попереднє навчання робота по положенню стику (рис. 7). На виставці «Машинобудування 2009» фірма Trumpf демонструвала повністю автоматичний процес зварювання коробчатих деталей, в якому використовувався вбудований відеосенсор для попереднього сканування положення стику деталей, а зварювання проводилася на другому проході. З бесіди з фахівцями фірми з'ясувалося, що система надійно працює тільки при застосуванні високоякісного полірованого металу заготовок, це тільки підтверджує, що системи адаптації процесу зварювання поки знаходяться в самому зародковому стані.

З альтернативних рішень слід згадати лазерні зварювальні головки фірми ScanSonic (рис. 8), забезпечені системою механічного стеження по стику на основі щупа або подається присадного дроту в разі гібридних способів зварювання. Таку систему можна віднести до класу LWM, так як зварювання і спостереження виконуються в єдиному проході. Проте, навряд чи це рішення має більшу перспективу для лазерного зварювання, слід очікувати активного розвитку саме оптичних сенсорів, особливо на основі LPFкамер з лазерним підсвічуванням.

Огляд виробів на ринку

Більшість лазерних головок для волоконних лазерів виконані за схемою рис. 9.

Перша частина являє собою кварцовий дублет і служить для перетворення розходиться пучка в паралельний (тому її називають коллиматором). Друга частина - фокусуються одиночна кварцова лінза, яка і виробляє кінцеву фокусування променевої потужності на оброблюваному виробі. Ця схема має прийнятними, хоча і не ідеальними оптичними параметрами і є основою більшості лазерних головок. Зазвичай фокусна відстань вихідний лінзи f в 1.5 ... 2.5 раз більше фокусної відстані коллиматора fk.В Як приклад наведемо лазерні головки фірми Optoskand (рис. 10). Багато користувачів набувають такі головки як напівфабрикат изза помірної ціни і замінюють тільки вихідну соплову частина під конкретні завдання. Вихідна лінза в цих голівках розміщена в механізмі поздовжнього переміщення, що дозволяє здійснювати регулювання положення точки фокусу щодо зрізу соплової насадки.

У більшості головок фірми Precitec Використана ця ж оптичні схема, в Деяк голівках з мінімальнімі фокусною відстанню для Поліпшення фокусування опціонально может буті не поодинокий фокусуються лінза, а набір двох Лінз. Фірма також пропонує модифікації з поворотним дзеркалом в тракті, що в ряді випадків зручно для застосування з роботами і вбудовування відеосенсорів. На прикладі вироби YW52 можна простежити тенденції модульности і уніфікації (рис. 11), система компонується зі стандартних модулів форматом 74х74 мм з прохідної апертурою близько 48 мм, достатньої для передачі потужності до 20 кВт. Користувач має можливість самостійно компонувати систему потрібної геометрії з потрібними параметрами фокусування, так як можна змінювати як фокусна відстань коліматора (100, 125, 150, 200 мм), так і фокусна відстань фокусує лінзи (150 ... 1000 мм).

Модульна система має значну масу і високу ціну, тому для більш масових головок для лазерного різання фірма не використовує модульний підхід і пропонує оптимізовані за масою і габаритами головки серій YR30, YK52 для роботи з роботами. Відмінною особливістю цих насадок є поліпшена місткість система стеження за поверхнею Lasermatic® Z, здатна працювати з мінімальними за розміром сопловими наконечниками, що забезпечує малу чутливість до бічних елементів вироби при 3Dрезке роботами.

Слід згадати також досить популярну на російському ринку ріжучу головку для потальних розкрійних систем HPSSL (рис. 12), що має катріжний варіант зміни оптики, що дозволяє оперативно обслуговувати оптику на верстатах і швидко змінювати параметри фокусування.

Для технології лазерної наплавки фірма Precitec розробила два базових варіанти наплавлювальних головок YC50 (рис. 13), забезпечених одноканальної (аксіальній) або чотирьохканальної системою подачі порошків. У цих розробках, створених на базі популярної зварювальної головки YW50, поки ще не реалізовані опції сканування ні лазерного пучка, ні порошкового потоку, але можна тільки вітати появу на ринку перших серійних головок для цих перспективних процесів.

Модульний підхід до конструкції лазерних головок дає користувачеві достатню гнучкість у виборі параметрів процесу, але тільки на стадії розробки технологічного процесу. Інший підхід до гнучкості і модульності представлений в лазерної голівці VF001M російської фірми «Електроресурс». У цій голівці використана оптична система, за рахунок якої можна плавно змінювати фокусну відстань (або кут фокусування), а, отже, розмір фокальної плями df і довжину перетяжки gf. Для зміни фокусування взагалі не потрібно виконувати розбирання системи, більш того, вся перебудова виконується електронним шляхом під керуванням вбудованого мікропроцесора, так що робот або ЧПУ система можуть виконувати перебудову параметрів автоматично по ходу виконання програми. Зовнішній вигляд лазерної варіоголовкі представлений на рис. 14, процесорний блок може при необхідності розміщуватися не на корпусі головки, а в будь-якому зручному для управління місці, хоча він використовується в основному для попередньої настройки. Принцип модульності в голівці VF001M також використовується, але тільки для швидкої заміни технологічних насадок (зварювання, різання, гарт), які фіксуються на стикувальному вузлі за допомогою магнітного фіксатора.

Нижче перераховані корисні функції, які забезпечує такий конструктивний підхід:

• можна оперативно перебудовувати параметри пучка (фокусна відстань, положення фокуса) для оптимізації продуктивності і якості операції. В принципі, це може виконувати ЧПУ система автоматично.
• становище точки фокусу щодо зрізусопла також управляється електронним чином, більш того реалізований режим «імітації» точки фокусування потужного пучка, тобто при переході в режим «R» з пульта на голівці або по команді ЧПУ точка фокусу видимого пілотного джерела підсвічує точку фокусу потужного пучка , що істотно спрощує операції настройки.
• за рахунок магнітної фіксації технологічної насадки є швидкий оперативний доступ до контейнера з захисним склом для промивання або заміни.
• технологічні насадки містять вбудовану систему ємнісного виміру відстані від сопла до листа, причому зв'язок з керуючим процесором здійснюється по бездротовому каналу (оптична), тому при зміні насадки не потрібно ніяких операцій з відключення роз'ємів.
• магнітна фіксація технологічних насадок надійно захищає лазерну головку від ударів і наїздів на непередбачені перешкоди.

ВИСНОВКИ:

1. Процес розробки лазерних технологічних головок для волоконних лазерів в цілому просувається успішно. В даний час на ринку є вибір головок для лазерного зварювання і різання, з'явилися перші моделі наплавлювальних головок.

2. Можна простежити основні тенденції в дизайні лазерних головок - модульність, перестраіваемость, насичення сенсорами і контрольними функціями.

3. Відсутні технологічні головки для високоякісної гарту, легування і очищення.

4. В області створення головок з адаптивними можливостями розробниками зроблені поки тільки перші кроки, але адекватно поставлені розробниками мети дозволяють сподіватися, що розвиток адаптивних технологій - справа найближчих років.

література:

1. Г.Б. Альтшулер, М.В. Иночкин. «Нелінійні лінзи і їх застосування» УФН, т.163, №7, Грудень, 1993 г.

2. Ross Hancock. Laser 'Turbocharges' Oxygen Cutting of Steel Slabs Welding Journal, August, http://www.aws.org/wj/aug03/feature2.html

3. проплавления металів безперервним випромінюванням СО2 лазера / А.Г. Ігнатов, В.А. Ігнатов, А.В. Козлов, А.І. Скрипченко // Суднобудівна промисловість. Серія "Зварювання". 1987. Вип.3. С.319.

К.т.н. А.І. Скрипченко,
ТОВ НТЦ «Електроресурс»

Стаття написана в рамках Комплексної програми дослідних робіт за технологією обробки волоконними лазерами.

ЗАПРОШЕННЯ

Учасники Комплексної програми запрошують всі зацікавлені організації приєднатися до Програми в статусі «асоційованих учасників».

Асоційовані учасники реєструються після заповнення Заяви на сайті www.elres.ru/fiberlaser-tr і підтвердження членства на черговому засіданні Коордіонаціонного ради. Список асоційованих учасників публікується на сайті Програми.

Асоційовані учасники мають право:

• Отримувати регулярні інформаційні розсилки про діяльність в рамках Програми, включаючи результати науково-технологічній досліджень.
• Брати участь з дорадчим голосом у засіданнях Коордіонаціонного ради та інших робочих нарадах, які формуються в рамках програми.
• Подавати свої пропозиції про участь у дослідницьких програмах, в тому числі і пропозиції щодо фінансування робіт, що представляють для них комерційний або науковий інтерес.