Studiul problemei tăierii cu laser a metalelor trebuie să înceapă cu luarea în considerare a fundamentelor fizice ale laserului. Deoarece în continuare în această lucrare toate studiile privind acuratețea tăierii cu laser a materialelor din foi subțiri vor fi efectuate pe un complex laser folosind un laser cu fibră de itterbiu, vom lua în considerare dispozitivul laserelor cu fibră.

Un laser este un dispozitiv care convertește energia pompei (luminoasă, electrică, termică, chimică etc.) în energia unui flux de radiație coerent, monocromatic, polarizat și direcționat îngust.

Laserele cu fibră au fost dezvoltate relativ recent, în anii 1980. În prezent se cunosc modele de lasere tehnologice cu fibră cu o putere de până la 20 kW. Compoziția lor spectrală este în intervalul de la 1 la 2 µm. Utilizarea unor astfel de lasere face posibilă furnizarea de diferite caracteristici temporale ale radiației.

Recent, laserele cu fibră au înlocuit în mod activ laserele tradiționale din domenii ale tehnologiei laser precum, de exemplu, tăierea și sudarea cu laser a metalelor, marcarea și tratarea suprafețelor, imprimarea și imprimarea cu laser de mare viteză. Ele sunt utilizate în telemetre laser și locatoare 3D, echipamente de telecomunicații, dispozitive medicale etc.

Principalele tipuri de lasere cu fibră sunt laserele cw monomod, inclusiv cele cu polarizare unică și cele cu o singură frecvență; lasere cu fibră pulsată care funcționează în moduri de modulare Q-switched, modul blocat și arbitrar; lasere cu fibre reglabile; lasere cu fibre superluminiscente; lasere cu fibră multimode cw de mare putere.

Principiul de funcționare al laserului se bazează pe transmiterea luminii de la o fotodiodă de-a lungul unei fibre lungi. Un laser cu fibră constă dintr-un modul de pompă (de obicei LED-uri de bandă largă sau diode laser), o fibră optică în care are loc generarea și un rezonator. Ghidul de lumină conține o substanță activă (o fibră optică dopată - un miez fără înveliș, spre deosebire de ghidurile de undă optice convenționale) și ghidurile de undă pompă. Designul rezonatorului este determinat de obicei de termenii de referință, dar pot fi distinse cele mai comune clase: rezonatoare Fabry-Perot și rezonatoare inelare. În instalațiile industriale, pentru a crește puterea de ieșire, mai multe lasere sunt uneori combinate într-o singură instalație. Pe fig. 1.2 prezintă o diagramă simplificată a unui dispozitiv laser cu fibră.

Orez. 1.2. Schema tipică a unui laser cu fibră.

1 - fibre active; 2 - oglinzi Bragg; 3 - unitate de pompare.

Materialul principal pentru fibra optică activă este cuarțul. Transparența ridicată a cuarțului este asigurată de stările saturate ale nivelurilor energetice ale atomilor. Impuritățile introduse prin dopaj transformă cuarțul într-un mediu absorbant. Prin reglarea puterii radiației pompei, într-un astfel de mediu este posibil să se creeze o stare inversă a populațiilor nivelurilor de energie (adică nivelurile de energie înaltă vor fi umplute mai mult decât cel principal). Pe baza cerințelor pentru frecvența de rezonanță (gama infraroșu pentru telecomunicații) și puterea de prag scăzută a pompei, de regulă, dopajul se efectuează cu elemente de pământuri rare din grupul lantanidelor. Unul dintre tipurile obișnuite de fibre este erbiul, utilizat în sistemele laser și de amplificare, al cărui domeniu de operare se află în intervalul de lungimi de undă de 1530-1565 nm. Datorită probabilității diferite de tranziții la nivelul solului de la subnivelurile nivelului metastabil, eficiența generării sau amplificării diferă pentru diferite lungimi de undă din domeniul de operare. Gradul de dopaj cu ioni de pământuri rare depinde de obicei de lungimea fibrei active care se produce. În intervalul de până la câteva zeci de metri, poate varia de la zeci la mii de ppm, iar în cazul lungimii de kilometri, 1 ppm sau mai puțin.

Oglinzile Bragg - un reflector Bragg distribuit - este o structură stratificată în care indicele de refracție al materialului se modifică periodic într-o direcție spațială (perpendiculară pe straturi).

Există diferite modele pentru pomparea ghidurilor de undă optice, dintre care modelele cu fibre pure sunt cele mai frecvent utilizate. O opțiune este plasarea fibrei active în interiorul mai multor învelișuri, dintre care cea exterioară este de protecție (așa-numita fibră dublu acoperită). Prima carcasă este realizată din cuarț pur cu un diametru de câteva sute de micrometri, iar a doua este realizată dintr-un material polimeric, al cărui indice de refracție este ales să fie semnificativ mai mic decât cel al cuarțului. Astfel, prima și a doua placare creează un ghid de undă multimodal cu o secțiune transversală mare și o deschidere numerică în care este lansată radiația pompei. Pe fig. Figura 1.3 prezintă pomparea unui laser bazat pe o fibră dublu acoperită.

Orez. 1.3. Schema de pompare a unui laser bazată pe o fibră dublu acoperită.

Avantajele laserelor cu fibră includ în mod tradițional un raport semnificativ dintre suprafața rezonatorului și volumul său, care oferă răcire de înaltă calitate, stabilitate termică a siliciului și dispozitive de dimensiuni mici în clase similare de putere și cerințe de calitate. Fasciculul laser, de regulă, trebuie să fie condus într-o fibră optică pentru utilizarea ulterioară în tehnologie. Pentru laserele cu un design diferit, acest lucru necesită sisteme optice speciale de colimare și face ca dispozitivele să fie sensibile la vibrații. În laserele cu fibră, radiația este generată direct în fibră și are o calitate optică ridicată. Dezavantajele acestui tip de lasere sunt riscul unor efecte neliniare datorita densitatii mari de radiatii in fibra si energiei de iesire relativ scazuta pe impuls, datorita volumului mic al substantei active.

Laserele cu fibră pierd în fața laserelor cu stare solidă în aplicațiile în care este necesară o stabilitate ridicată a polarizării, iar utilizarea fibrei care menține polarizarea este dificilă din diverse motive. Laserele cu stare solidă nu pot fi înlocuite cu lasere cu fibră în intervalul spectral de 0,7-1,0 µm. Ele au, de asemenea, mai mult potențial de creștere a puterii de ieșire a impulsurilor în comparație cu fibra. Cu toate acestea, laserele cu fibră arată rezultate bune la lungimi de undă în care medii active sau oglinzi suficient de bune pentru laserele de alte modele nu există și permit implementarea unor scheme laser, cum ar fi conversia ascendentă, cu mai puțină complexitate.

În articolele publicate anterior despre testarea potențialului tehnologic, laserului cu fibră a fost dezasamblată cea mai eficientă aplicație tehnologică, și anume tăierea, sudarea, călirea, perforarea și curățarea suprafețelor. Toate acestea se pot face cu un laser cu fibră.

Cu toate acestea, este extrem de important ca managerii și tehnologii întreprinderilor industriale să înțeleagă, pe lângă aceasta, și aspectele economice ale introducerii unui laser cu fibră în tehnologiile laser moderne. Deci, să discutăm despre economia laserului cu fibră care a apărut în timpul evaluării proiectelor de modernizare.

Trebuie remarcat imediat că diferențele sunt foarte importante, deoarece noul laser cu fibră are o serie de proprietăți și caracteristici tehnice, din cauza cărora nu este complet corect să transferăm experiența utilizării laserelor clasice la noua tehnică. De aceea este indicat să începeți ce este un laser cu fibră, în primul rând, cu o prezentare a acestor caracteristici și diferențe.

Laser cu fibra:

Resursa unică a emițătorilor moderni (mai mult de 100.000 de ore cu posibilitatea extinderii resursei la un cost relativ scăzut) și costuri de operare practic zero. Obligatoriu, ținând cont de excluderea efectivă a unei părți din depreciere prin UST și TVA în sistemul fiscal existent. Deoarece acesta poate fi un factor economic extrem de important (adică o parte din amortizare rămâne direct la dispoziția dumneavoastră deoarece nu este utilizată).

Costuri și timp minim pentru pregătirea localului și punerea în funcțiune. Un laser cu fibră în procesul de punere în funcțiune este denumit prin termenul „instalare”.

Laser cu fibră, versatilitatea sa incredibilă ca sursă laser. De regulă, un laser cu fibră este un exemplu de sursă de energie a fasciculului „curat”, deci practic nu există specificații tehnologice în el, adică, odată cu diversificarea sau altă restructurare a producției, un laser cu fibră poate fi reorientat dintr-unul tehnologic. proces la altul. O astfel de sursă poate fi numită, desigur (cu rezerve) - lichidă, în sensul că păstrează în sine valoare și valoare. De aici încep să se dezvolte anumite servicii de schimb de lasere și leasing (în aceste aspecte cel mai bine este să contactați direct producătorul).

Laser cu fibră, principalele sale caracteristici:

Probabilitatea sa de a crește puterea. Puteți cumpăra un laser cu fibră cu o marjă de proiectare, de exemplu, atunci când este furnizat cu o putere de 700 W, și apoi pur și simplu cumpărați unități speciale de pompă, crescând astfel puterea, de exemplu, la 2400 W. În același timp, în sistemul de producție (procesul de instalare a blocurilor suplimentare nu durează mai mult de 3 ore), practic nu este nevoie să schimbați nimic. Acest lucru vă permite să reduceți semnificativ investiția de capital inițială, precum și să creșteți productivitatea la momentul necesar producției dumneavoastră.

Transportul radiațiilor direct printr-un cablu optic, a cărui lungime este de la 10 la 100 de metri, simplifică foarte mult proiectarea, precum și dispunerea sistemelor tehnologice în ansamblu. Poate fi utilizată o gamă largă de robotică industrială. Este de remarcat faptul că unele sarcini de producție necesită doar 3 componente, și anume, un laser cu fibră / cap de proces / robot industrial. Desigur, în lipsa experienței, serviciile unei companii integratoare vor fi în continuare necesare, totuși, costurile totale pentru organizarea unui anumit sistem de producție vor scădea semnificativ.

Laserul cu fibra este o zona tehnologica multifunctionala si multifunctionala pentru incarcarea maxima a sursei laser. Desigur, acest lucru nu este destul de ușor, așa cum poate părea la prima vedere, dar este destul de real. Și având în vedere importanța acestei probabilități, o vom discuta în continuare.

Problema specialiştilor şi a personalului în general. Laserul cu fibra elimină nevoia unei companii de a menține un personal de specialiști cu cunoștințe de optică, sisteme de vid și descărcări electrice. Un laser cu fibră, nu este nevoie de nimic pentru a-l utiliza, deoarece pregătirea operatorului nu durează mai mult de 1 săptămână. Desigur, acest lucru nu va salva întreprinderea de nevoia de tehnologi competenți, dar aceasta este o altă problemă care nu are absolut nimic de-a face cu laserul în sine. Este foarte posibil să folosiți personalul existent și, în același timp, să obțineți un nivel mai ridicat de eficiență a producției.

Laserul cu fibră, tehnologiile sale de bază:

Numai aceste 7 puncte pot genera un mare interes pentru echipamentele moderne noi. Pentru a îmbunătăți efectul, ar trebui enumerate câteva tehnologii de bază:

• tăierea cu laser a metalelor. Vorbim nu doar de tăierea clasică a tablei, ci și de tăierea foarte volumetrică, de exemplu, folosind roboți industriali;
• perforare cu laser (elementele filtrante, grile);
• sudare cu laser. În primul rând, aceasta este o sudură cap la cap a cusăturii de înaltă performanță, fără utilizarea de caneluri și materiale de umplutură. Dar astăzi, tehnologii dezvoltă rapid procese hibride, adică scheme de sudare combinate prin combinarea unui fascicul laser și, în consecință, a unui arc electric;
• călirea cu laser (tratament termic) este un proces care asigură călirea locală a anumitor fragmente ale unei piese fără un efect termic complet asupra piesei;1
• placarea cu laser este un analog al acțiunii suprafeței arcului, caracterizată prin localitate și precizie ridicate;
• curățarea cu laser a acoperirilor și a contaminanților. Cea mai ecologică metodă de curățare și fără contact, care este posibil să concureze cu tehnologiile de masă, cum ar fi sablare.

Revenind direct la aspectele economice, este de remarcat faptul că un laser cu fibră și sistemul său sunt în prezent cu un ordin de mărime mai scumpe decât laserele clasice cu CO2 și, prin urmare, prețul laserului în sine constituie de obicei o parte semnificativă a sistemului tehnologic ca un întreg.
Laser cu fibră, setul său minim include: echipamente concepute pentru a efectua o operație tehnologică cu un laser include:

• laser cu fibră cu un cost specificat de rub./kW;
• laserul cu fibra are un cap de procesare laser special, care formeaza fluxul de radiatii, precum si fluxurile altor substante direct in zona de tratare;
• manipulator (robotic) pentru deplasarea produsului sau a capului laser, precum și pentru controlul general și detaliat al procesului. Dacă utilizați un laser cu fibră gata făcut și universal, atunci costurile vor depinde direct de configurație și, desigur, de marcă.

Laser cu fibră, setul minim pentru un sistem tehnologic laser este următorul: 1 - laser, 2 - cap tehnologic, 3 - cablu optic, 4 - manipulator.

Astfel, pentru un sistem tehnologic cu o putere de 1000 W, valoarea de bază a costurilor de capital va fi de aproximativ 6 milioane de ruble. RF. De fapt, acestea nu sunt toate costurile, deoarece este necesar să se țină seama și de costurile de software, integrare, pregătire a spațiilor și producție. Prin urmare, pentru simplitatea calculelor, ar fi cel mai rezonabil să presupunem că costul investițiilor în ansamblu - un laser cu fibră, va fi de aproximativ 2 prețuri. O proporție similară se observă, în special, pentru mașinile laser concepute pentru tăierea metalului. Un laser cu fibră are o putere de 2000 W, variind de la 12 la 14 milioane de ruble rusești. În același timp, echipamentul de tăiere cu laser este un sistem complex destul de mare, cu dimensiuni mari. Cu toate acestea, datorită producției în serie și tehnologiei standard, bine testate, prețul este redus semnificativ.

În alte procese tehnologice (de exemplu, cum ar fi sudarea, călirea), complexul unui astfel de echipament poate fi mult mai simplu, dar aici merită să luăm în considerare faptul că în această etapă astfel de tehnologii nu sunt deloc ambalate în complexe seriale standard (adică, în acest caz, vor exista costuri pentru tehnologie și inginerie și foarte semnificative). Prin urmare, factorul x2 pentru o clasă largă de utilizări cu un grad mediu de automatizare (adică procesul de procesare este automat, iar încărcarea/descărcarea este fie semi-automată, fie manuală) poate fi justificat.

Economia tehnologiilor laser prin analiza a 2 probleme de producție de testare

Luați în considerare prima problemă de producție, despre un laser cu fibră:

Deci, ca primă sarcină de testare, să luăm în considerare producția în masă a pieselor cu geometrie cilindrică, în care este necesară sudarea a 2 semi-carcasă într-o singură carcasă etanșată (solidă). Aceasta este o sarcină standard în fabricarea diferitelor tipuri de filtre. Oțel cu o grosime de 0,5-1 mm, în timp ce diametrul mediu al produsului este de 60 mm. Scopul sarcinii este de a maximiza volumul productiv la costul minim al produsului.

Pentru această sarcină, sistemul de producție în sine este sintetizat aproape automat. Pentru sudarea rapidă cu laser a unui astfel de produs, aveți nevoie de un laser cu fibră cu o putere de aproximativ 700 W (adică, viteza de sudare liniară este de aproximativ 50 mm / s.), aveți nevoie de un cap de sudare destul de simplu, un rotator de produs (automatizat). ) și, în consecință, un sistem de încărcare și descărcare a piesei de prelucrat. Pentru sistemul de încărcare, este posibilă utilizarea celui mai simplu alimentator de tăvi. Laser cu fibră, se presupune că produsele destinate sudării au fost deja pre-asamblate de muncitori. Cu toate acestea, în funcție de nivelul de calitate al pieselor de prelucrat în sine (calibrarea dimensiunilor), poate fi necesară corectarea sistemului pentru îmbinarea produselor - poziția capului de sudare. În general, costurile de dezvoltare și, în consecință, de fabricație a unui astfel de sistem destul de simplu se încadrează în aproximativ 5 milioane de ruble.

Putem trage o mică concluzie, după textul de mai sus:

• Parametrii economici ai sistemului se deteriorează semnificativ odată cu o scădere a nivelului de încărcare a echipamentului și, desigur, a personalului: odată cu eliberarea, de exemplu, a 10% din produse / piese din cifra limită a procesului de producție, costul va pur și simplu creste de 10 ori. Astfel, în ambele cazuri, echipamentele subîncărcate destul de scumpe și, în consecință, personalul stă fără muncă.
• În ceea ce privește costul, nici respingerea automatizării nu dă nimic: trecerea la procese tehnologice neautomatizate va crește, de asemenea, costul produselor, și dramatic. Acest lucru se va datora unei scăderi generale a productivității muncii.
• Utilizarea tehnologiei laser face posibilă „câștiga” numai la sarcina maximă (sau cel puțin aproape de maximă) a sistemului de producție și este direct benefică pentru condițiile producției în sine și pentru producția pe scară largă. Extrem de importantă pentru astfel de industrii este calitatea înaltă a procesului de prelucrare cu laser (adică, reproductibilitatea și stabilitatea).

Este clar că, pentru sarcinile la scară largă, amortizarea sudurii cu laser cu fibră poate fi destul de rapidă datorită creșterii puternice a productivității generale.

Luați în considerare a doua problemă de producție, despre laserul cu fibră:

De regulă, multe întreprinderi reale se caracterizează printr-o serializare semnificativ mai scăzută, astfel încât problema încărcării unei surse pentru un laser va apărea în mod constant.

De exemplu, o anumită întreprindere fabrică un produs complex, care constă dintr-un corp cilindric și este necesar să se sudeze un capac cu un element de fixare puternic, iar 2 elemente trebuie să fie sudate direct pe capacul în sine. În interiorul unui astfel de produs există și o tijă care funcționează în modul de abraziune, deci necesită întărire, precum și un filtru de lichid realizat sub formă de inel la care este lipită o plasă metalică. Producția de serie estimată a unor astfel de produse este de 100.000 pe an.

Cu o tehnologie de bază tipică pentru fabricarea produselor, astfel de procese tehnologice sunt utilizate ca:

• producerea de piese forjate destinate capului cu ochi;
• prelucrare mecanizată complexă a pieselor forjate;
• tăierea găurilor (mai multe) în carcasă prin metoda mecanică;
• sudarea în găurile pieselor necesare;
• sudarea capului pe corpul principal - arc manual, există un procent mare de defecte, a căror cauză este, printre altele, încălcări ale geometriei (adică deplasarea axei capului și a axei cilindrului);
• călirea volumetrică a tijei, cromarea și șlefuirea;
• tăierea plasei inelare;
• lipirea ulterioară a plasei de-a lungul contururilor exterioare și interioare (un proces automatizat destul de dificil, cu un nivel ridicat de rebuturi).

Produsul acestei sarcini de testare: 1 - carcasă, 2 - capac, 3 - parte sudată, 4 - inel cu găuri, 5 - plasă de filtrare. Laser cu fibra:

Se poate folosi un laser cu fibră pentru a efectua sau simplifica procesul de producție a unui astfel de produs? Esența ideii este următoarea: să folosești laserul cu fibră direct în modul de divizare în timp, încărcându-și resursa cu diverse operațiuni. Din punct de vedere tehnic, această posibilitate există, dar aspectele tehnice ale acesteia le vom discuta la finalul poveștii.

Conform parametrilor tehnologiei laser a laserului cu fibra din baza de date, estimam in primul rand ca avem nevoie de o sursa laser cu o putere de 1500 W. Aceasta este de departe puterea minimă necesară pentru a suda în mod fiabil elementele. Deoarece este planificată o aplicare multifuncțională a laserului, prețul echipamentelor robotizate, de regulă, ar trebui să fie mai mare.

Este necesar de menționat un avantaj integral extrem de important: creșterea nivelului calității produsului este un factor competitiv extrem de important și semnificativ direct în piața de vânzări, ceea ce vă permite să luați o pondere semnificativă din acesta.

Merită subliniat faptul că laserul cu fibră, fezabilitatea sa utilitară a tuturor proceselor tehnologice planificate, atunci când îl folosește, a fost deja supus unor teste adecvate și sunt disponibile date experimentale preliminare despre aceste procese.

Astfel: un laser cu fibră, utilizarea complexă a unui set de tehnologii laser poate oferi în mod destul de realist un efect general destul de mare, dar cu condiția ca echipamentul laser să fie complet încărcat!

Prețul de cost al versiunii laser de producție este calculat doar cu o valoare subestimată a costurilor unei întreprinderi industriale, dar cu un calcul onest al costului unui minut, este perfect clar că marja de profitabilitate a unui astfel de proiect este atât de mare și evident încât este semnificativ profitabil chiar și cu costuri generale mari - și acesta este un fapt!

De asemenea, merită remarcat laserul cu fibră: proiectantul sistemului laser poate oferi să împartă funcționalitatea tehnologică în 2 complexe laser în mod asimetric (adică, nu în mod egal) - primul complex laser realizează exclusiv tăierea și sudarea găurilor, iar al 2-lea complex laser efectuează alte operațiuni de fabricare a filtrelor și călirea tijelor. Sau poate lăsa doar primul complex, care efectuează operațiuni asupra primilor doi factori, datorită contribuției lor principale la rentabilitatea proiectului în ansamblu. Un laser cu fibră, aceste soluții vor fi determinate fără ambiguitate, în multe privințe, în același mod de probleme tehnice, și anume de întrebările: „Cum exact este implementată multifuncționalitatea?” - „Este cu adevărat posibil să se implementeze din punct de vedere tehnic?” - „La ce probleme direct poate duce?”. Luați în considerare opțiunile și posibilitățile.

Laser cu fibră și aplicarea acestuia:

Utilizarea unui robot cu un cap laser plasat pe manipulatorul său pentru sarcina de testare furnizată este o soluție destul de bună. În primul rând, robotul este capabil să sude automat inelul pe capacul principal din toate cele 4 laturi cu un timp minim petrecut pe tranziții, iar în timpul fabricării unui poziționator rotativ elementar de produs cu demontare și instalare manuală, pierderi de timp direct pentru încărcare și descărcarea va fi, de asemenea, redusă la minimum. Ceea ce, desigur, este valabil și pentru alte operațiuni de tăiere și sudare.

Utilizarea roboților universali are avantajul că costurile de proiectare și apoi de fabricare a echipamentelor și sculelor tehnologice nestandardizate sunt practic eliminate. Întrucât sarcina principală a pregătirii în producție cade tocmai pe pregătirea anumitor programe pentru robot, adică eficacitatea acestuia.

APLICAREA ZONELOR MULTI-STAȚII.

Această soluție necesită dezvoltarea unui post tehnologic separat pentru absolut toate operațiunile tehnologice, care este echipat cu un manipulator extrem de funcțional. In urma finalizarii unei anumite operatii, capul laser, legat printr-un cablu optic la laser, este reinstalat la un alt post tehnologic, reconfigurat, respectiv, la o alta operatiune efectuata pe acelasi sau alt lot de produse.

În urma finalizării unei anumite operații, laserul cu fibră, capul său laser, conectat printr-un cablu optic la laser, este reinstalat la un alt post tehnologic, reconfigurat, respectiv, la o altă operațiune, iar o altă operație se prelucrează pe aceeași sau alta. lot de produse.

Laser cu fibra, din pacate, inca nu este posibil sa ai capete de procesare laser personale la diferite posturi. Deoarece deconectarea din capul cablului optic în condiții de atelier este strict interzisă din cauza prafului, deoarece cea mai mică bucată de praf din fibra optică, atunci când atinge ieșirea optică, de regulă, duce la distrugerea ireversibilă a acestei ieșiri. Soluția la această problemă este așteptată cu nerăbdare de toate întreprinderile cu astfel de echipamente și poate că în viitorul apropiat va fi încă găsită.

APLICAȚII ALE MULTIPLEXOARELOR OPTICE

O funcție nouă, folosită rar în prezent. Esența sa principală este următoarea: puteți achiziționa un anumit comutator special al fasciculului laser, conectat prin intrarea acestuia la laser și la posturi separate prin mai multe ieșiri cu capete tehnologice. Comutarea radiațiilor are loc destul de rapid între posturi, iar un astfel de sistem este capabil să minimizeze pierderea de timp pentru schimbarea produselor și tranzițiile tehnologice.

Pentru a face acest lucru, sistemul de nivel superior trebuie să asigure funcții de dispecerizare, precum și să distribuie resursele sursei laser direct la solicitarea acestor posturi tehnologice. Deoarece în calculele pentru formare am presupus că timpul de încărcare-descărcare este cel puțin egal cu timpul de funcționare, în acest caz, folosind un astfel de multiplexor, un singur laser va fi suficient pentru a implementa un program de testare pentru producția de aproximativ 100.000 produse.

Costul unui astfel de multiplexor este de aproximativ 1-2 milioane de ruble. În plus, trebuie menționat că laserul cu fibră poate fi comandat deja cu un multiplexor încorporat cu mai multe ieșiri.

Poate singurul dezavantaj este că multiplexorul degradează ușor calitatea radiației (adică trebuie utilizată o fibră cu o secțiune transversală mult mai mare la ieșire), dar acest lucru este critic doar pentru tăierea cu laser. Laser cu fibră, sistemul său similar este cel mai optim și mai convenabil. Pentru un multiplexor, costul de capital suplimentar este compensat de multe ori de nivelul de încărcare laser.

Deci: 1 - laser, 2 - comutator optic, 3 - capete (tehnologice), 4 - posturi tehnologice, 5 - sistem de control central.

O altă problemă importantă legată de versatilitatea capetelor laser în sine: dacă intenționați să utilizați un robot industrial sau un site cu mai multe stații, atunci capul laser trebuie să aibă neapărat proprietatea de versatilitate (adică să poată efectua diverse procese tehnologice ). Până în prezent, producătorii occidentali nu produc astfel de capete!

Cu toate acestea, o astfel de tehnică există deja: producția în serie va începe în curând - un cap reglabil universal care poate efectua întreaga gamă de operațiuni tehnologice de bază folosind radiații laser cu fibre (sudare, tăiere, călire, perforare). Adaptarea capului la orice operațiune specifică se realizează atât datorită transformării automate a sistemului optic, cât și datorită duzei tehnologice înlocuibile (adică înlocuirea acesteia), care este atașată conform principiului unei suspensii magnetice binecunoscute. .

Laser cu fibră, avantajele sale:

Estimările arată că laserul cu fibră are un potențial economic semnificativ.

• Rentabilitatea ridicată a proiectelor laser cu fibră bazate pe lasere moderne este asigurată numai la sarcina maximă a echipamentului, adică datorită fiabilității și unicității destul de semnificative a resursei laserelor noi, este posibil din punct de vedere tehnic.
• O perspectivă destul de semnificativă poate fi direct zonele tehnologice multifuncționale care au o diviziune a resursei sursei laser.
• În ciuda investițiilor semnificative, amortizarea echipamentelor laser și a sistemelor tehnologice laser în ansamblu poate fi foarte, foarte rapidă până la 1-1,5 ani.

Un laser cu fibră este un laser cu o implementare completă sau parțială cu fibră optică, unde mediul de amplificare și, în unele cazuri, rezonatorul sunt realizate dintr-o fibră optică.

Un laser cu fibră este un laser cu o implementare totală sau parțială de fibră optică, de unde fibra optica A se realizează un mediu de amplificare și, în unele cazuri, un rezonator. În funcție de gradul de implementare a fibrei, laserul poate fi din fibre (mediu activ și rezonator) sau fibră discretă (rezonator numai cu fibre sau alte elemente).

Laserele cu fibră pot funcționa atât în ​​impulsuri continue, cât și în impulsuri de nano și femtosecunde.

Proiecta laser depinde de natura muncii lor. Rezonatorul poate fi un sistem Fabry-Perot sau un rezonator inel. În majoritatea modelelor, o fibră optică dopată cu ioni de elemente de pământuri rare - tuliu, erbiu, neodim, itterbiu, praseodim - este utilizată ca mediu activ. Laserul este pompat de una sau mai multe diode laser direct în miezul fibrei sau, în sistemele de mare putere, în placa interioară.

Laserele cu fibră sunt utilizate pe scară largă datorită unei game largi de parametri, a capacității de a regla pulsul într-o gamă largă de durată, frecvență și putere.

Puterea laserelor cu fibră este de la 1 W la 30 kW. Lungimea fibrei optice este de până la 20 m.

Aplicații ale laserelor cu fibră:

– tăiere metale și polimeri în producția industrială,

– taiere de precizie,

– microprelucrare metaleși polimeri

– Tratament de suprafață,

– lipire,

– tratament termic,

– etichetarea produselor,

– telecomunicații (linii de comunicații cu fibră optică),

– producție de electronice,

– producerea de dispozitive medicale,

– instrumentare științifică.

Avantajele laserelor cu fibră:

– laserele cu fibră sunt un instrument unic care deschide o nouă eră în prelucrarea materialelor,

– portabilitatea și alegerea lungimii de undă a laserelor cu fibră permit noi aplicații eficiente care nu sunt disponibile pentru alte tipuri de lasere existente în prezent,

– sunt superioare altor tipuri de lasere în aproape toți parametrii esențiali importanți din punctul de vedere al utilizării lor industriale,

– posibilitatea de a seta pulsul într-o gamă largă de durate, frecvențe și puteri,

- capacitatea de a seta o secvență de impulsuri scurte cu frecvența necesară și puterea de vârf mare, care este necesară, de exemplu, pentru gravarea cu laser;

– o gamă largă de opțiuni.

Comparația diferitelor tipuri de lasere:

2000w cw opto raycus laser cu fibră de iterbiu pulsat 50w 100kw cumpărare producător
lasere cu fibră în stare solidă
placaj de tăiere a metalelor uimitor cernark gravare cu laser fibre moduri de gravare adâncă
dispozitiv laser cu fibră de iterbiu
mașină cu fibră vand laser
principiul de funcționare producția de fryazino 1,65 microni tehnologie itterbiu preț de cumpărare ipg hp 1 optic pentru tăierea metalului gravare în impulsuri principiul de funcționare mașină optică putere aplicație bricolaj dispozitiv schemă lungime de undă producător de sudare taie valuri

Rata cererii 902

Studiul problemei tăierii cu laser a metalelor trebuie să înceapă cu luarea în considerare a fundamentelor fizice ale laserului. Deoarece în continuare în această lucrare toate studiile privind acuratețea tăierii cu laser a materialelor din foi subțiri vor fi efectuate pe un complex laser folosind un laser cu fibră de itterbiu, vom lua în considerare dispozitivul laserelor cu fibră.

Un laser este un dispozitiv care convertește energia pompei (luminoasă, electrică, termică, chimică etc.) în energia unui flux de radiație coerent, monocromatic, polarizat și direcționat îngust.

Laserele cu fibră au fost dezvoltate relativ recent, în anii 1980. În prezent se cunosc modele de lasere tehnologice cu fibră cu o putere de până la 20 kW. Compoziția lor spectrală este în intervalul de la 1 la 2 µm. Utilizarea unor astfel de lasere face posibilă furnizarea de diferite caracteristici temporale ale radiației.

Recent, laserele cu fibră au înlocuit în mod activ laserele tradiționale din domenii ale tehnologiei laser precum, de exemplu, tăierea și sudarea cu laser a metalelor, marcarea și tratarea suprafețelor, imprimarea și imprimarea cu laser de mare viteză. Ele sunt utilizate în telemetre laser și locatoare 3D, echipamente de telecomunicații, dispozitive medicale etc.

Principalele tipuri de lasere cu fibră sunt laserele cw monomod, inclusiv cele cu polarizare unică și cele cu o singură frecvență; lasere cu fibră pulsată care funcționează în moduri de modulare Q-switched, modul blocat și arbitrar; lasere cu fibre reglabile; lasere cu fibre superluminiscente; lasere cu fibră multimode cw de mare putere.

Principiul de funcționare al laserului se bazează pe transmiterea luminii de la o fotodiodă de-a lungul unei fibre lungi. Un laser cu fibră constă dintr-un modul de pompă (de obicei LED-uri de bandă largă sau diode laser), o fibră optică în care are loc generarea și un rezonator. Ghidul de lumină conține o substanță activă (o fibră optică dopată - un miez fără înveliș, spre deosebire de ghidurile de undă optice convenționale) și ghidurile de undă pompă. Designul rezonatorului este determinat de obicei de termenii de referință, dar pot fi distinse cele mai comune clase: rezonatoare Fabry-Perot și rezonatoare inelare. În instalațiile industriale, pentru a crește puterea de ieșire, mai multe lasere sunt uneori combinate într-o singură instalație. Pe fig. 1.2 prezintă o diagramă simplificată a unui dispozitiv laser cu fibră.

Orez. 1.2. Schema tipică a unui laser cu fibră.

1 - fibre active; 2 - oglinzi Bragg; 3 - unitate de pompare.

Materialul principal pentru fibra optică activă este cuarțul. Transparența ridicată a cuarțului este asigurată de stările saturate ale nivelurilor energetice ale atomilor. Impuritățile introduse prin dopaj transformă cuarțul într-un mediu absorbant. Prin reglarea puterii radiației pompei, într-un astfel de mediu este posibil să se creeze o stare inversă a populațiilor nivelurilor de energie (adică nivelurile de energie înaltă vor fi umplute mai mult decât cel principal). Pe baza cerințelor pentru frecvența de rezonanță (gama infraroșu pentru telecomunicații) și puterea de prag scăzută a pompei, de regulă, dopajul se efectuează cu elemente de pământuri rare din grupul lantanidelor. Unul dintre tipurile obișnuite de fibre este erbiul, utilizat în sistemele laser și de amplificare, al cărui domeniu de operare se află în intervalul de lungimi de undă de 1530-1565 nm. Datorită probabilității diferite de tranziții la nivelul solului de la subnivelurile nivelului metastabil, eficiența generării sau amplificării diferă pentru diferite lungimi de undă din domeniul de operare. Gradul de dopaj cu ioni de pământuri rare depinde de obicei de lungimea fibrei active care se produce. În intervalul de până la câteva zeci de metri, poate varia de la zeci la mii de ppm, iar în cazul lungimii de kilometri, 1 ppm sau mai puțin.

Oglinzile Bragg - un reflector Bragg distribuit - este o structură stratificată în care indicele de refracție al materialului se modifică periodic într-o direcție spațială (perpendiculară pe straturi).

Există diferite modele pentru pomparea ghidurilor de undă optice, dintre care modelele cu fibre pure sunt cele mai frecvent utilizate. O opțiune este plasarea fibrei active în interiorul mai multor învelișuri, dintre care cea exterioară este de protecție (așa-numita fibră dublu acoperită). Prima carcasă este realizată din cuarț pur cu un diametru de câteva sute de micrometri, iar a doua este realizată dintr-un material polimeric, al cărui indice de refracție este ales să fie semnificativ mai mic decât cel al cuarțului. Astfel, prima și a doua placare creează un ghid de undă multimodal cu o secțiune transversală mare și o deschidere numerică în care este lansată radiația pompei. Pe fig. Figura 1.3 prezintă pomparea unui laser bazat pe o fibră dublu acoperită.

Orez. 1.3. Schema de pompare a unui laser bazată pe o fibră dublu acoperită.

Avantajele laserelor cu fibră includ în mod tradițional un raport semnificativ dintre suprafața rezonatorului și volumul său, care oferă răcire de înaltă calitate, stabilitate termică a siliciului și dispozitive de dimensiuni mici în clase similare de putere și cerințe de calitate. Fasciculul laser, de regulă, trebuie să fie condus într-o fibră optică pentru utilizarea ulterioară în tehnologie. Pentru laserele cu un design diferit, acest lucru necesită sisteme optice speciale de colimare și face ca dispozitivele să fie sensibile la vibrații. În laserele cu fibră, radiația este generată direct în fibră și are o calitate optică ridicată. Dezavantajele acestui tip de lasere sunt riscul unor efecte neliniare datorita densitatii mari de radiatii in fibra si energiei de iesire relativ scazuta pe impuls, datorita volumului mic al substantei active.

Laserele cu fibră pierd în fața laserelor cu stare solidă în aplicațiile în care este necesară o stabilitate ridicată a polarizării, iar utilizarea fibrei care menține polarizarea este dificilă din diverse motive. Laserele cu stare solidă nu pot fi înlocuite cu lasere cu fibră în intervalul spectral de 0,7-1,0 µm. Ele au, de asemenea, mai mult potențial de creștere a puterii de ieșire a impulsurilor în comparație cu fibra. Cu toate acestea, laserele cu fibră arată rezultate bune la lungimi de undă în care medii active sau oglinzi suficient de bune pentru laserele de alte modele nu există și permit implementarea unor scheme laser, cum ar fi conversia ascendentă, cu mai puțină complexitate.

Aceste lasere pot fi distinse în mod foarte condiționat într-un tip separat, deoarece folosesc aproximativ același mecanism de excitare a mediului activ (pompare) ca în laserele cu gaz sau cu stare solidă.

Diodele laser sunt, de asemenea, folosite ca pompare. Aceste surse au fost dezvoltate pentru sistemele de telecomunicații prin fibră unde sunt utilizate ca amplificatoare de semnal. Imaginați-vă că cristalul în care se generează radiația laser utilă este, parcă, întins pe câteva zeci de metri și este un miez de fibră cu un diametru de câțiva microni, care se află în interiorul unei fibre de cuarț. Radiația diodelor este direcționată în fibra de cuarț, iar miezul este pompat optic pe toată lungimea sa.

Utilizarea sticlei laser ca element activ în laserele cu stare solidă este cunoscută de mult timp. Spre deosebire de cristale, ochelarii laser au o structură internă dezordonată. Împreună cu componentele care formează sticla SiO 2 , B 2 O 3 , P 2 O 5 , BeF 2, ele conțin Na 2 O, K 2 O, Li 2 O, MgO, CaO, BaO, Al 2 O 3, Sb 2 O 3 . Ionii de neodim Nd 3+ servesc cel mai adesea ca impurități active; Se mai folosesc gadoliniu Gd 3+, erbiu Er 3+, holmiu Ho 3+, iterbiu Yb 3+. Concentrația ionilor de neodim Nd 3+ în pahare atinge 6% (în masă).

O concentrație mare de particule active este obținută în ochelarii laser. Un alt avantaj al unor astfel de ochelari este posibilitatea de a fabrica elemente active de dimensiuni mari, practic orice formă și cu uniformitate optică foarte mare. Paharele sunt obținute în creuzete din platină sau ceramică. Dezavantajele utilizării ochelarilor ca materiale laser includ o bandă de generare relativ largă (310 nm) și o conductivitate termică scăzută, care împiedică îndepărtarea rapidă a căldurii în timpul pompării optice de mare putere.

Laserele cu fibră au o eficiență foarte mare (până la 80%) de a converti radiația diodei laser în radiații utile. Răcirea cu aer este suficientă pentru a asigura funcționarea acestora. Aceste surse laser sunt foarte promițătoare pentru sistemele de înregistrare a plăcilor digitale.

Pe fig. 3.22 prezintă funcționarea unui laser cu fibră pompat cu semiconductor și, în termeni generali, întregul traseu optic până la materialul de prelucrat. Caracteristica principală a acestui laser este că radiația aici este produsă într-o fibră subțire, de doar 68 de microni în diametru, (miez; de exemplu, iterbiul poate fi un mediu activ), care este situată în interiorul unei fibre de cuarț cu un diametru de 400600. microni. Radiația diodelor laser cu pompă este introdusă într-o fibră de cuarț și se propagă de-a lungul întregii fibre compozite complexe, care are câteva zeci de metri lungime.

Figura 3.22 - Sistem optic cu laser cu fibră:

1 – miez dopat cu iterbiu, diametru 6–8 µm; 2 - fibra de cuart, diametru 400-600 microni; 3 – carcasă de polimer; 4 - strat de protecție extern; 5 – diode laser de pompare optică; 6 – sistem optic de pompare; 7 - fibră (până la 40 m); 8 - colimator; 9 - modulator de lumină; 10 - sistem optic de focalizare

Radiația pompează optic miezul și aici, pe atomii de iterbiu, au loc transformări fizice, ducând la apariția radiației laser. Aproape de capetele fibrei, două așa-numite oglinzi difractive sunt realizate pe miez sub forma unui set de crestături pe suprafața cilindrică a miezului (rețele de difracție) - așa este creat un rezonator laser cu fibră. Lungimea totală a fibrei și numărul de diode laser sunt selectate pe baza puterii și eficienței necesare. Ieșirea este un fascicul laser ideal cu un singur mod, cu o distribuție a puterii foarte uniformă, ceea ce face posibilă focalizarea radiației într-un punct mic și obținerea unei adâncimi de câmp mai mare decât în ​​cazul Nd:YAG de mare putere. lasere.

De asemenea, trebuie remarcat faptul că o serie de astfel de proprietăți ale radiației laser cu fibră, cum ar fi natura polarizării fasciculului, fac să fie convenabilă și fiabilă controlul acestei radiații folosind dispozitive acusto-optice și fac posibilă implementarea schemelor de înregistrare a imaginilor cu mai multe fascicule.

Deoarece pomparea optică are loc pe toată lungimea fibrei, nu există astfel de efecte inerente laserelor convenționale cu stare solidă, cum ar fi o lentilă termică într-un cristal, distorsiunea frontului de undă din cauza defectelor cristalului în sine, instabilitatea fasciculului în timp etc., ceea ce a împiedicat întotdeauna realizarea capacităţilor maxime ale sistemelor solid-state. Cu toate acestea, înseși principiile structurii și funcționării unui laser cu fibră garantează performanțe ridicate și fac din aceste dispozitive convertizoare perfecte a radiației luminoase în radiații laser.

„Miezul” laserului, gros de doar câțiva micrometri, este format din iterbiu și funcționează ca rezonator. Cea mai bună calitate poate fi obținută la o lungime de undă de radiație de 1110 nm, în timp ce lungimea cablului de fibră optică poate ajunge la 40 m. Lasere cu o putere de la 1 la 100 W sunt disponibile în comerț, cu o eficiență de aproximativ 50%. Laserele cu fibră nu necesită de obicei o răcire specială. Dimensiunea minimă a spotului pentru laserele moderne cu fibră optică este de aproximativ 20 µm, iar atunci când se utilizează mecanisme de corecție, aceasta poate fi redusă la 5 µm. Adâncimea de focalizare este de 300 µm, ceea ce face posibilă lucrarea cu succes cu materiale plăci de diferite grosimi fără un mecanism de focalizare automată.