Štúdium problému laserového rezania kovov musí začať úvahou o fyzikálnych základoch lasera. Keďže ďalej v tejto práci budú všetky štúdie presnosti laserového rezania tenkovrstvových materiálov vykonávané na laserovom komplexe pomocou ytterbiového vláknového lasera, budeme uvažovať o zariadení vláknových laserov.

Laser je zariadenie, ktoré premieňa energiu čerpadla (svetelnú, elektrickú, tepelnú, chemickú atď.) na energiu koherentného, ​​monochromatického, polarizovaného a úzko smerovaného toku žiarenia.

Vláknové lasery boli vyvinuté relatívne nedávno, v 80. rokoch minulého storočia. V súčasnosti sú známe modely vláknových technologických laserov s výkonom do 20 kW. Ich spektrálne zloženie je v rozsahu od 1 do 2 µm. Použitie takýchto laserov umožňuje poskytnúť rôzne časové charakteristiky žiarenia.

Vláknové lasery v poslednom čase aktívne nahrádzajú tradičné lasery z takých oblastí laserovej techniky, ako je napríklad laserové rezanie a zváranie kovov, značenie a povrchová úprava, tlač a vysokorýchlostná laserová tlač. Používajú sa v laserových diaľkomeroch a 3D lokátoroch, telekomunikačných zariadeniach, lekárskych prístrojoch atď.

Hlavnými typmi vláknových laserov sú cw jednovidové lasery, vrátane jednopolarizačných a jednofrekvenčných; pulzné vláknové lasery pracujúce v režimoch Q-spínania, uzamknutia režimu a ľubovoľnej modulácie; laditeľné vláknové lasery; superluminiscenčné vláknové lasery; vysokovýkonné cw multimódové vláknové lasery.

Princíp činnosti lasera je založený na prenose svetla z fotodiódy pozdĺž dlhého vlákna. Vláknový laser pozostáva z modulu pumpy (zvyčajne širokopásmových LED alebo laserových diód), optického vlákna, v ktorom dochádza k generovaniu, a rezonátora. Svetlovod obsahuje aktívnu látku (dopované optické vlákno - jadro bez plášťa na rozdiel od bežných optických vlnovodov) a pumpové vlnovody. Konštrukcia rezonátora je zvyčajne určená referenčnými podmienkami, ale možno rozlíšiť najbežnejšie triedy: Fabryho-Perotove rezonátory a prstencové rezonátory. V priemyselných zariadeniach sa na zvýšenie výstupného výkonu niekedy kombinuje niekoľko laserov v jednej inštalácii. Na obr. 1.2 je znázornená zjednodušená schéma vláknového laserového zariadenia.

Ryža. 1.2. Typická schéma vláknového lasera.

1 - aktívne vlákno; 2 - Braggove zrkadlá; 3 - čerpacia jednotka.

Hlavným materiálom pre aktívne optické vlákno je kremeň. Vysokú priehľadnosť kremeňa zabezpečujú nasýtené stavy energetických hladín atómov. Nečistoty zavedené dopingom premieňajú kremeň na absorbujúce médium. Úpravou výkonu vyžarovania čerpadla je možné v takomto médiu vytvoriť inverzný stav populácií energetických hladín (to znamená, že vysokoenergetické hladiny budú naplnené viac ako hlavná). Na základe požiadaviek na rezonančnú frekvenciu (infračervený rozsah pre telekomunikácie) a nízkoprahový výkon čerpadla sa spravidla dopuje prvkami vzácnych zemín zo skupiny lantanoidov. Jedným z bežných typov vlákien je erbium, používané v laserových a zosilňovacích systémoch, ktorých prevádzkový rozsah leží v rozsahu vlnových dĺžok 1530-1565 nm. V dôsledku rozdielnej pravdepodobnosti prechodov na prízemnú úroveň z podúrovní metastabilnej úrovne sa účinnosť generovania alebo zosilnenia líši pre rôzne vlnové dĺžky v prevádzkovom rozsahu. Stupeň dotovania iónmi vzácnych zemín zvyčajne závisí od dĺžky vyrábaného aktívneho vlákna. V rozsahu až niekoľkých desiatok metrov sa môže pohybovať v desiatkach až tisícoch ppm, v prípade kilometrových dĺžok 1 ppm alebo menej.

Braggove zrkadlá - distribuovaný Braggov reflektor - je vrstvená štruktúra, v ktorej sa index lomu materiálu periodicky mení v jednom priestorovom smere (kolmo na vrstvy).

Existujú rôzne konštrukcie na čerpanie optických vlnovodov, z ktorých sa najčastejšie používajú čisto vlákna. Jednou z možností je umiestniť aktívne vlákno do niekoľkých plášťov, z ktorých vonkajší je ochranný (tzv. dvojito potiahnuté vlákno). Prvý plášť je vyrobený z čistého kremeňa s priemerom niekoľko sto mikrometrov a druhý je vyrobený z polymérneho materiálu, ktorého index lomu je zvolený výrazne nižší ako index lomu kremeňa. Prvý a druhý plášť teda vytvárajú multimódový vlnovod s veľkým prierezom a numerickou apertúrou, do ktorého sa spúšťa žiarenie čerpadla. Na obr. Na obrázku 1.3 je znázornené čerpanie lasera na báze dvojito potiahnutého vlákna.

Ryža. 1.3. Schéma čerpania lasera na báze dvojvrstvového vlákna.

Medzi výhody vláknových laserov tradične patrí významný pomer plochy rezonátora k jeho objemu, čo zabezpečuje kvalitné chladenie, tepelnú stabilitu kremíka a malé rozmery zariadení v podobných triedach výkonových a kvalitatívnych požiadaviek. Laserový lúč musí byť spravidla vedený do optického vlákna pre následné využitie v technológii. Pre lasery inej konštrukcie to vyžaduje špeciálne optické kolimačné systémy a zariadenia sú citlivé na vibrácie. Vo vláknových laseroch sa žiarenie generuje priamo vo vlákne a má vysokú optickú kvalitu. Nevýhodou tohto typu laserov je riziko nelineárnych efektov v dôsledku vysokej hustoty žiarenia vo vlákne a relatívne nízkej výstupnej energie na jeden impulz, v dôsledku malého objemu účinnej látky.

Vláknové lasery strácajú v porovnaní s pevnolátkovými lasermi v aplikáciách, kde sa vyžaduje vysoká polarizačná stabilita a použitie vlákna udržujúceho polarizáciu je z rôznych dôvodov náročné. Pevné lasery nie je možné nahradiť vláknovými lasermi v spektrálnom rozsahu 0,7-1,0 µm. Majú tiež väčší potenciál na zvýšenie impulzného výstupného výkonu v porovnaní s vláknom. Vláknové lasery však vykazujú dobré výsledky pri vlnových dĺžkach, kde neexistujú dostatočne dobré aktívne médiá alebo zrkadlá pre lasery iných konštrukcií, a umožňujú implementáciu niektorých laserových schém, ako je konverzia smerom nahor, s menšou zložitosťou.

V predtým publikovaných článkoch o testovaní technologického potenciálu bol vláknový laser rozobratý z najefektívnejších technologických aplikácií, a to rezanie, zváranie, temperovanie, perforovanie a čistenie povrchov. To všetko je možné vykonať pomocou vláknového lasera.

Pre manažérov a technológov priemyselných podnikov je však mimoriadne dôležité, aby okrem toho pochopili aj ekonomické aspekty zavedenia vláknového lasera do moderných laserových technológií. Poďme teda diskutovať o ekonomike vláknového lasera, ktorá sa objaví počas hodnotenia projektov modernizácie.

Hneď je potrebné poznamenať, že rozdiely sú veľmi dôležité, keďže nový vláknový laser má množstvo technických vlastností a vlastností, kvôli ktorým nie je úplne správne prenášať skúsenosti s používaním klasických laserov do novej techniky. Preto je vhodné začať, čo je vláknový laser, v prvom rade prezentáciou týchto vlastností a rozdielov.

Vláknový laser:

Jedinečný zdroj moderných žiaričov (viac ako 100 000 hodín s možnosťou rozšírenia zdroja pri relatívne nízkych nákladoch) a prakticky nulové prevádzkové náklady. Povinné, berúc do úvahy skutočné vylúčenie časti odpisov cez UST a DPH v existujúcom daňovom systéme. Pretože to môže byť mimoriadne dôležitý ekonomický faktor (t. j. časť odpisov vám zostáva priamo k dispozícii, pretože sa nepoužíva).

Minimálne náklady a čas na prípravu priestorov a uvedenie do prevádzky. Vláknový laser sa v procese uvádzania do prevádzky označuje pojmom „inštalácia“.

Vláknový laser, jeho neuveriteľná všestrannosť ako zdroja lasera. Vláknový laser je spravidla príkladom zdroja energie „čistého“ lúča, takže v ňom prakticky neexistujú žiadne technologické špecifiká, to znamená, že pri diverzifikácii alebo inej reštrukturalizácii výroby je možné vláknový laser preorientovať z jedného technologického proces na inú. Takýto zdroj možno dokonca nazvať, samozrejme (s výhradami) - likvidný, v tom zmysle, že si v sebe zachováva hodnotu a hodnotu. Odtiaľ sa začínajú rozvíjať určité služby výmeny laserov a leasingu (v týchto otázkach je najlepšie kontaktovať priamo výrobcu).

Vláknový laser, jeho hlavné vlastnosti:

Jeho pravdepodobnosť zvýšenia výkonu. Vláknový laser s konštrukčnou rezervou si môžete kúpiť napríklad pri dodávaní s výkonom 700 W a potom si jednoducho dokúpiť špeciálne čerpacie jednotky, čím sa výkon zvýši napríklad na 2400 W. Zároveň vo výrobnom systéme (proces inštalácie ďalších blokov netrvá dlhšie ako 3 hodiny) prakticky nie je potrebné nič meniť. To vám umožňuje výrazne znížiť počiatočnú kapitálovú investíciu, ako aj zvýšiť produktivitu v čase potrebnom pre vašu výrobu.

Transport žiarenia priamo cez optický kábel, ktorého dĺžka je od 10 do 100 metrov, výrazne zjednodušuje návrh, ako aj rozloženie technologických systémov ako celku. Môže sa použiť široká škála priemyselnej robotiky. Stojí za zmienku, že niektoré výrobné úlohy vyžadujú iba 3 komponenty, konkrétne vláknový laser / procesnú hlavu / priemyselný robot. Samozrejme, pri absencii skúseností budú stále potrebné služby integračnej spoločnosti, avšak celkové náklady na organizáciu konkrétneho výrobného systému výrazne klesnú.

Vláknový laser je multifunkčná a viacúčelová technologická plocha pre maximálne zaťaženie laserového zdroja. Prirodzene, nie je to také jednoduché, ako sa na prvý pohľad môže zdať, ale je to celkom reálne. A vzhľadom na dôležitosť tejto pravdepodobnosti budeme o nej diskutovať ďalej.

Otázka špecialistov a personálu vo všeobecnosti. Vláknový laser eliminuje potrebu spoločnosti udržiavať personál špecialistov so znalosťami optiky, vákuových systémov a elektrických výbojov. Vláknový laser, na jeho obsluhu nie je potrebné nič, pretože zaškolenie operátora netrvá dlhšie ako 1 týždeň. To samozrejme nezachráni podnik pred potrebou kompetentných technológov, ale toto je ďalší problém, ktorý nemá absolútne nič spoločné so samotným laserom. Je celkom možné využiť existujúci personál a zároveň dosiahnuť vyššiu úroveň efektivity výroby.

Vláknový laser, jeho základné technológie:

Už len týchto 7 bodov môže vyvolať veľký záujem o nové moderné vybavenie. Na zvýšenie účinku by sa mali uviesť niektoré základné technológie:

• laserové rezanie kovov. Hovoríme nielen o klasickom rezaní plechu, ale aj veľmi objemovom rezaní, napríklad pomocou priemyselných robotov;
• laserová perforácia (filtračné prvky, mriežky);
• laserové zváranie. V prvom rade ide o vysokovýkonné švové zváranie na tupo bez použitia drážok a prídavných materiálov. Ale dnes technológovia rýchlo vyvíjajú hybridné procesy, to znamená kombinované schémy zvárania kombináciou laserového lúča a podľa toho aj elektrického oblúka;
• laserové kalenie (tepelné spracovanie) je proces, ktorý zabezpečuje lokálne kalenie určitých fragmentov dielu bez dôkladného tepelného ovplyvnenia dielu;1
• laserové plátovanie je analógom pôsobenia oblúkového navárania, ktoré sa vyznačuje vysokou lokalitou a presnosťou;
• laserové čistenie náterov a nečistôt. Najekologickejšia metóda čistenia a bezkontaktná, ktorá je potenciálne schopná konkurovať masovým technológiám, ako je pieskovanie.

Priamo k ekonomickým aspektom stojí za zmienku, že vláknový laser a jeho systém sú v súčasnosti rádovo drahšie ako klasické CO2 lasery, a preto cena samotného lasera zvyčajne tvorí významnú časť technologického systému ako celý.
Vláknový laser, jeho minimálna sada obsahuje: zariadenia určené na vykonávanie technologickej operácie s laserom zahŕňajú:

• vláknový laser so stanovenými nákladmi rub./kW;
• vláknový laser má špeciálnu laserovú spracovaciu hlavu, ktorá tvorí tok žiarenia, ako aj toky iných látok priamo v ošetrovanej oblasti;
• manipulátor (robotický) na pohyb produktu alebo laserovej hlavy, ako aj na všeobecné a podrobné riadenie procesu. Ak používate hotový a univerzálny vláknový laser, náklady budú priamo závisieť od konfigurácie a samozrejme značky.

Vláknový laser, jeho minimálna zostava pre laserový technologický systém je nasledovná: 1 - laser, 2 - technologická hlavica, 3 - optický kábel, 4 - manipulátor.

Takže pre technologický systém s výkonom 1 000 W bude základná výška kapitálových nákladov približne 6 miliónov rubľov. RF. V skutočnosti to nie sú všetky náklady, keďže je potrebné počítať aj s nákladmi na softvér, integráciu, prípravu priestorov a výrobu. Preto pre jednoduchosť výpočtov by bolo najrozumnejšie predpokladať, že náklady na investíciu ako celok - vláknový laser, budú približne 2 ceny. Podobný podiel sa pozoruje najmä pri laserových strojoch určených na rezanie kovov. Vláknový laser má výkon 2000 W, v rozmedzí od 12 do 14 miliónov ruských rubľov. Laserové rezacie zariadenie je zároveň pomerne rozsiahly komplexný systém s veľkými rozmermi. Vďaka sériovej výrobe a štandardnej, osvedčenej technike sa však cena citeľne znižuje.

V iných technologických procesoch (napríklad zváranie, kalenie) môže byť komplex takýchto zariadení oveľa jednoduchší, ale tu stojí za zváženie, že v tejto fáze takéto technológie vôbec nie sú zabalené do štandardných sériových komplexov (tj. v tomto prípade to budú náklady na technológiu a inžinierstvo, a to veľmi významné). Preto môže byť opodstatnený faktor x2 pre širokú triedu použití so stredným stupňom automatizácie (t. j. proces spracovania je automatický a nakladanie/vykladanie je buď poloautomatické alebo manuálne).

Ekonomika laserových technológií analýzou 2 testovacích výrobných problémov

Zvážte prvý výrobný problém o vláknovom laseri:

Takže ako prvú testovaciu úlohu uvažujme sériovú výrobu dielov s valcovou geometriou, pri ktorej je potrebné zvariť 2 polovičné trupy do jedného (pevného) utesneného puzdra. Ide o štandardnú úlohu pri výrobe rôznych typov filtrov. Oceľ s hrúbkou 0,5-1 mm, pričom priemerný priemer výrobku je 60 mm. Cieľom úlohy je maximalizovať objem výroby pri minimálnych nákladoch na produkt.

Pre túto úlohu sa samotný produkčný systém syntetizuje takmer automaticky. Na rýchle laserové zváranie takéhoto výrobku potrebujete vláknový laser s výkonom cca 700 W (t.j. lineárna rýchlosť zvárania je cca 50 mm/s.), Potrebujete pomerne jednoduchú zváraciu hlavu, rotačný stroj (automatizovaný ) a teda systém nakladania a odoberania obrobku. Pre nakladací systém je možné použiť najjednoduchší zásobníkový podávač. Vláknový laser, predpokladá sa, že výrobky určené na zváranie už boli pracovníkmi vopred zmontované. Avšak v závislosti od úrovne kvality samotných obrobkov (kalibrácia veľkosti) môže byť potrebné opraviť systém pre spoj výrobkov - polohu zváracej hlavy. Vo všeobecnosti sa náklady na vývoj, a teda aj výrobu takého pomerne jednoduchého systému zmestia do približne 5 miliónov rubľov.

Po vyššie uvedenom texte môžeme urobiť malý záver:

• Ekonomické parametre systému sa výrazne zhoršujú so znížením úrovne zaťaženia zariadení a samozrejme personálu: s uvoľnením napríklad 10% výrobkov / dielov z limitnej hodnoty výrobného procesu sa náklady jednoducho znížia. zvýšiť 10-krát. Teda v oboch prípadoch podvyťažené dosť drahé vybavenie a tým pádom aj personál sedí bez práce.
• Pokiaľ ide o náklady, odmietnutie automatizácie tiež nič nedáva: prechod na neautomatizované technologické procesy tiež zvýši náklady na produkty, a to dramaticky. Dôvodom bude všeobecný pokles produktivity práce.
• Využitie laserovej technológie umožňuje „vyhrať“ len pri maximálnom zaťažení (alebo aspoň blízkom maximu) výrobného systému a je priamo prospešné pre podmienky samotnej výroby a ešte k tomu veľkosériovej výroby. Pre takéto odvetvia je mimoriadne dôležitá vysoká kvalita procesu laserového spracovania (tj reprodukovateľnosť a stabilita).

Je jasné, že pri rozsiahlych úlohách môže byť návratnosť vláknového laserového zvárania pomerne rýchla v dôsledku prudkého nárastu celkovej produktivity.

Zvážte druhý výrobný problém o vláknovom laseri:

Mnoho skutočných podnikov sa spravidla vyznačuje výrazne nižšou serializáciou, takže problém načítania zdroja pre laser bude neustále nastať.

Napríklad istý podnik vyrába komplexný výrobok, ktorý pozostáva z valcového telesa a je potrebné k nemu privariť kryt s výkonným upevňovacím prvkom a ešte je potrebné privariť 2 prvky priamo k samotnému krytu. Vo vnútri takého výrobku je tiež tyč pracujúca v režime obrusovania, ktorá si vyžaduje vytvrdenie, ako aj kvapalinový filter vyrobený vo forme krúžku, ku ktorému je prispájkovaná kovová sieť. Odhadovaná sériová produkcia takýchto produktov je 100 000 ročne.

Pri typickej základnej technológii výroby produktov sa používajú také technologické procesy ako:

• výroba výkovkov určených pre hlavu s okom;
• komplexné mechanizované spracovanie výkovkov;
• rezanie otvorov (niekoľko) v kryte mechanickou metódou;
• zváranie do otvorov potrebných častí;
• privarenie hlavy k hlavnému telu - ručný oblúk, je veľké percento defektov, ktorých príčinou je okrem iného aj porušenie geometrie (t.j. posunutie osi hlavy a osi valca);
• objemové kalenie tyče, chrómovanie a brúsenie;
• rezanie prstencového pletiva;
• následné spájkovanie siete pozdĺž vonkajších a vnútorných obrysov (pomerne náročný automatizovaný proces s vysokou mierou nepodarkov).

Produkt tejto testovacej úlohy: 1 - puzdro, 2 - kryt, 3 - zváraná časť, 4 - krúžok s otvormi, 5 - sieťka filtra. Vláknový laser:

Dá sa vláknový laser použiť na vykonanie alebo zjednodušenie procesu pri výrobe takéhoto produktu? Podstata myšlienky je nasledovná: použiť vláknový laser priamo v režime delenia času, čím sa jeho zdroj zaťaží rôznymi operáciami. Z technického hľadiska táto možnosť existuje, no technické aspekty si rozoberieme na konci príbehu.

Podľa parametrov laserovej technológie vláknového lasera z databázy v prvom rade odhadujeme, že potrebujeme laserový zdroj s výkonom 1500W. To je zďaleka minimálny výkon potrebný na spoľahlivé zváranie prvkov. Keďže sa plánuje multifunkčná aplikácia lasera, cena robotických zariadení by mala byť spravidla vyššia.

Je potrebné spomenúť mimoriadne dôležitú integrálnu výhodu: zvýšenie úrovne kvality produktov je mimoriadne dôležitým a významným konkurenčným faktorom priamo na odbytovom trhu, ktorý vám umožňuje zaujať na ňom významný podiel.

Je potrebné zdôrazniť, že vláknový laser, jeho utilitárna realizovateľnosť všetkých plánovaných technologických procesov pri jeho použití už prešiel príslušným testovaním a sú k dispozícii predbežné experimentálne údaje o týchto procesoch.

Takže: vláknový laser, jeho komplexné využitie súboru laserových technológií môže celkom reálne poskytnúť pomerne veľký celkový efekt, avšak za predpokladu, že laserové zariadenie je plne zaťažené!

Nákladová cena laserovej verzie výroby je kalkulovaná len s podhodnotenou hodnotou nákladov priemyselného podniku, no pri poctivom prepočte nákladov na minútu je úplne jasné, že marža rentability takéhoto projektu je také veľké a zrejmé, že je výrazne rentabilné aj pri vysokých režijných nákladoch – a to je fakt!

Za zmienku stojí aj vláknový laser: konštruktér laserového systému môže ponúknuť rozdelenie technologickej funkcionality do 2 laserových komplexov asymetricky (t.j. nie rovnako) - 1. laserový komplex vykonáva výhradne rezanie otvorov a zváranie a 2. laserový komplex vykonáva ďalšie operácie na výrobu filtrov a kalenie tyčí. Alebo môže ponechať iba prvý komplex, ktorý vykonáva operácie na prvých dvoch faktoroch, vzhľadom na ich hlavný prínos k ziskovosti projektu ako celku. Vláknový laser, tieto riešenia budú jednoznačne určené v mnohých ohľadoch rovnakým spôsobom technickými problémami, konkrétne otázkami: „Ako presne sa implementuje multifunkčnosť? - "Naozaj sa to dá technicky zrealizovať?" - "K akým problémom to môže priamo viesť?". Zvážte možnosti a možnosti.

Vláknový laser a jeho použitie:

Celkom dobrým riešením je použitie robota s laserovou hlavou umiestnenou na jeho manipulátore pre zabezpečovanú testovaciu úlohu. V prvom rade je robot schopný automaticky privariť krúžok k hlavnému krytu zo všetkých 4 strán s minimálnym časom stráveným na prechodoch a pri výrobe elementárneho rotačného polohovadla produktov s vyberaním a manuálnou inštaláciou dochádza k časovým stratám priamo na nakladanie resp. minimalizuje sa aj vykladanie. Čo samozrejme platí aj pre iné rezacie a zváracie operácie.

Použitie univerzálnych robotov má tú výhodu, že prakticky odpadajú náklady na návrh a následnú výrobu neštandardných technologických zariadení a nástrojov. Keďže hlavná záťaž výrobného tréningu padá práve na prípravu určitých programov pre robota, teda na jeho efektivitu.

APLIKÁCIA VIACSTANICOVÝCH OBLASTÍ.

Toto riešenie si vyžaduje vývoj samostatného technologického stanovišťa pre absolútne všetky technologické operácie, ktoré je vybavené vysoko funkčným manipulátorom. Po vykonaní určitej operácie je laserová hlava prepojená optickým káblom s laserom preinštalovaná na iný technologický post, resp. prekonfigurovaná na inú operáciu vykonanú na tej istej alebo inej šarži výrobkov.

Po dokončení určitej operácie sa vláknový laser, jeho laserová hlava, prepojená optickým káblom s laserom, preinštaluje na iné technologické stanovište, prestaví sa, resp. na inú operáciu a na tom istom alebo inom sa spracuje ďalšia operácia. šarže produktov.

Vláknový laser, žiaľ, zatiaľ nie je možné mať osobné laserové obrábacie hlavy na rôznych miestach. Keďže odpájanie z hlavy optického kábla v dielenských podmienkach je prísne zakázané z dôvodu prašnosti, pretože najmenšie zrnko prachu z optického vlákna pri dopade na optický výstup spravidla vedie k nenávratnému zničeniu tohto výstupu. Riešenie tohto problému netrpezlivo očakávajú všetky podniky s takýmto vybavením a možno sa v blízkej budúcnosti ešte nájde.

APLIKÁCIE OPTICKÝCH MULTIPLEXÉROV

Nová funkcia, v súčasnosti málo používaná. Jeho hlavná podstata je nasledovná: môžete si zakúpiť určitý špeciálny spínač laserového lúča, ktorý je svojim vstupom spojený s laserom a na samostatných stĺpoch niekoľkými výstupmi s technologickými hlavicami. K prepínaniu žiarenia medzi postami dochádza pomerne rýchlo a takýto systém je schopný minimalizovať stratu času pri výmene produktov a technologických prechodoch.

K tomu musí systém vyššej úrovne zabezpečovať dispečerské funkcie, ako aj distribuovať zdroje laserového zdroja priamo na požiadanie týchto technologických stanovíšť. Keďže pri výpočtoch pre formáciu sme predpokladali, že doba záťaže-odťaženia sa rovná minimálne dobe prevádzky, v tomto prípade bude pri použití takéhoto multiplexora stačiť iba jeden laser na realizáciu testovacieho programu na výrobu približne 100 000 Produkty.

Náklady na takýto multiplexer sú asi 1-2 milióny rubľov. Okrem toho je potrebné poznamenať, že vláknový laser je možné objednať už so vstavaným multiplexerom s niekoľkými výstupmi.

Snáď jedinou nevýhodou je, že multiplexor mierne zhoršuje kvalitu žiarenia (t. j. na výstupe je potrebné použiť vlákno s oveľa väčším prierezom), ale to je kritické len pre rezanie laserom. Vláknový laser, jeho podobný systém je najoptimálnejší a najvýhodnejší. V prípade multiplexora sú dodatočné kapitálové náklady mnohonásobne kompenzované úrovňou laserového zaťaženia.

Takže: 1 - laser, 2 - optický spínač, 3 - hlavice (technologické), 4 - technologické posty, 5 - centrálny riadiaci systém.

Ďalšia dôležitá otázka týkajúca sa všestrannosti samotných laserových hláv: Ak plánujete použiť priemyselný robot alebo miesto s viacerými stanicami, potom musí mať laserová hlava nutne vlastnosť všestrannosti (to znamená, že musí byť schopná vykonávať rôzne technologické procesy). ). Západní výrobcovia dodnes takéto hlavy nevyrábajú!

Takáto technika však už existuje: čoskoro sa začne sériová výroba - univerzálna laditeľná hlava, ktorá dokáže vykonávať celý rad základných technologických operácií pomocou žiarenia vláknového lasera (zváranie, rezanie, kalenie, perforácia). Prispôsobenie hlavice na akúkoľvek špecifickú operáciu sa vykonáva ako vďaka automatickej transformácii optického systému, tak aj vďaka vymeniteľnej technologickej tryske (t.j. jej výmene), ktorá je pripevnená na princípe známeho magnetického závesu. .

Vláknový laser, jeho výhody:

Odhady ukazujú, že vláknový laser má významný ekonomický potenciál.

• Vysoká ziskovosť projektov vláknových laserov založených na moderných laseroch je zabezpečená len pri maximálnom zaťažení zariadení, to znamená, že vzhľadom na pomerne významnú spoľahlivosť a jedinečnosť zdrojov nových laserov je to technicky možné.
• Pomerne významnou perspektívou môžu byť priamo multifunkčné technologické oblasti, ktoré majú rozdelenie zdroja laserového zdroja.
• Napriek značným investíciám môže byť návratnosť laserových zariadení a laserových technologických systémov ako celku veľmi, veľmi rýchla do 1-1,5 roka.

Vláknový laser je laser s plne alebo čiastočne vláknovou optikou, kde zosilňovacie médium a v niektorých prípadoch aj rezonátor sú vyrobené z optického vlákna.

Vláknový laser je laser s plne alebo čiastočne vláknovou optikou, odkiaľ optické vlákno a vyrobí sa zosilňovacie médium a v niektorých prípadoch aj rezonátor. V závislosti od stupňa implementácie vlákna môže byť laser celovláknový (aktívne médium a rezonátor) alebo diskrétny vláknový (len vláknový rezonátor alebo iné prvky).

Vláknové lasery môžu pracovať v kontinuálnych, ako aj v nano- a femtosekundových pulzných impulzoch.

Dizajn laser závisí od povahy ich práce. Rezonátorom môže byť systém Fabry-Perot alebo prstencový rezonátor. Vo väčšine návrhov sa ako aktívne médium používa optické vlákno dopované iónmi prvkov vzácnych zemín - thúlium, erbium, neodým, ytterbium, prazeodým. Laser je pumpovaný jednou alebo viacerými laserovými diódami priamo do jadra vlákna alebo vo vysokovýkonných systémoch do vnútorného plášťa.

Vláknové lasery sú široko používané vďaka širokému výberu parametrov, schopnosti vyladiť pulz v širokom rozsahu trvania, frekvencie a výkonu.

Výkon vláknových laserov je od 1 W do 30 kW. Dĺžka optického vlákna je až 20 m.

Aplikácia vláknových laserov:

– rezanie kovy a polyméry v priemyselnej výrobe,

– presné rezanie,

– mikroobrábanie kovy a polyméry

– povrchová úprava,

– spájkovanie,

– tepelné spracovanie,

– označovanie produktov,

– telekomunikácie (komunikačné linky z optických vlákien),

– výroba elektroniky,

– výroba zdravotníckych pomôcok,

– vedecké prístrojové vybavenie.

Výhody vláknových laserov:

– vláknové lasery sú jedinečným nástrojom, ktorý otvára novú éru v spracovaní materiálov,

– prenosnosť a výber vlnovej dĺžky vláknových laserov umožňujú nové efektívne aplikácie, ktoré nie sú dostupné pre iné typy v súčasnosti existujúcich laserov,

– takmer vo všetkých podstatných parametroch dôležitých z hľadiska ich priemyselného využitia predčí ostatné typy laserov,

– možnosť nastavenia pulzu v širokom rozsahu trvania, frekvencií a výkonov,

- možnosť nastaviť sekvenciu krátkych impulzov s požadovanou frekvenciou a vysokým špičkovým výkonom, čo je potrebné napríklad pri laserovom gravírovaní,

– široká škála možností.

Porovnanie rôznych typov laserov:

2000w cw optoraycus pulzný ytterbiový vláknový laser 50w 100kw kúpiť výrobcu
vláknové lasery v tuhom stave
rezanie kovu preglejka úžasné cernark gravírovanie vlákno laserové hlboké gravírovanie režimy
laserové zariadenie z ytterbiových vlákien
vlákno stroj predám laser
princíp činnosti výroba fryazino 1,65 mikrónov technológia ytterbium nákupná cena ipg hp 1 optický na rezanie kovov gravírovanie pulzný princíp činnosti stroja optická aplikácia výkon urob si sám schéma zariadenia vlnová dĺžka výrobca zvárania reže vlny

Miera dopytu 902

Štúdium problému laserového rezania kovov musí začať úvahou o fyzikálnych základoch lasera. Keďže ďalej v tejto práci budú všetky štúdie presnosti laserového rezania tenkovrstvových materiálov vykonávané na laserovom komplexe pomocou ytterbiového vláknového lasera, budeme uvažovať o zariadení vláknových laserov.

Laser je zariadenie, ktoré premieňa energiu čerpadla (svetelnú, elektrickú, tepelnú, chemickú atď.) na energiu koherentného, ​​monochromatického, polarizovaného a úzko smerovaného toku žiarenia.

Vláknové lasery boli vyvinuté relatívne nedávno, v 80. rokoch minulého storočia. V súčasnosti sú známe modely vláknových technologických laserov s výkonom do 20 kW. Ich spektrálne zloženie je v rozsahu od 1 do 2 µm. Použitie takýchto laserov umožňuje poskytnúť rôzne časové charakteristiky žiarenia.

Vláknové lasery v poslednom čase aktívne nahrádzajú tradičné lasery z takých oblastí laserovej techniky, ako je napríklad laserové rezanie a zváranie kovov, značenie a povrchová úprava, tlač a vysokorýchlostná laserová tlač. Používajú sa v laserových diaľkomeroch a 3D lokátoroch, telekomunikačných zariadeniach, lekárskych prístrojoch atď.

Hlavnými typmi vláknových laserov sú cw jednovidové lasery, vrátane jednopolarizačných a jednofrekvenčných; pulzné vláknové lasery pracujúce v režimoch Q-spínania, uzamknutia režimu a ľubovoľnej modulácie; laditeľné vláknové lasery; superluminiscenčné vláknové lasery; vysokovýkonné cw multimódové vláknové lasery.

Princíp činnosti lasera je založený na prenose svetla z fotodiódy pozdĺž dlhého vlákna. Vláknový laser pozostáva z modulu pumpy (zvyčajne širokopásmových LED alebo laserových diód), optického vlákna, v ktorom dochádza k generovaniu, a rezonátora. Svetlovod obsahuje aktívnu látku (dopované optické vlákno - jadro bez plášťa na rozdiel od bežných optických vlnovodov) a pumpové vlnovody. Konštrukcia rezonátora je zvyčajne určená referenčnými podmienkami, ale možno rozlíšiť najbežnejšie triedy: Fabryho-Perotove rezonátory a prstencové rezonátory. V priemyselných zariadeniach sa na zvýšenie výstupného výkonu niekedy kombinuje niekoľko laserov v jednej inštalácii. Na obr. 1.2 je znázornená zjednodušená schéma vláknového laserového zariadenia.

Ryža. 1.2. Typická schéma vláknového lasera.

1 - aktívne vlákno; 2 - Braggove zrkadlá; 3 - čerpacia jednotka.

Hlavným materiálom pre aktívne optické vlákno je kremeň. Vysokú priehľadnosť kremeňa zabezpečujú nasýtené stavy energetických hladín atómov. Nečistoty zavedené dopingom premieňajú kremeň na absorbujúce médium. Úpravou výkonu vyžarovania čerpadla je možné v takomto médiu vytvoriť inverzný stav populácií energetických hladín (to znamená, že vysokoenergetické hladiny budú naplnené viac ako hlavná). Na základe požiadaviek na rezonančnú frekvenciu (infračervený rozsah pre telekomunikácie) a nízkoprahový výkon čerpadla sa spravidla dopuje prvkami vzácnych zemín zo skupiny lantanoidov. Jedným z bežných typov vlákien je erbium, používané v laserových a zosilňovacích systémoch, ktorých prevádzkový rozsah leží v rozsahu vlnových dĺžok 1530-1565 nm. V dôsledku rozdielnej pravdepodobnosti prechodov na prízemnú úroveň z podúrovní metastabilnej úrovne sa účinnosť generovania alebo zosilnenia líši pre rôzne vlnové dĺžky v prevádzkovom rozsahu. Stupeň dotovania iónmi vzácnych zemín zvyčajne závisí od dĺžky vyrábaného aktívneho vlákna. V rozsahu až niekoľkých desiatok metrov sa môže pohybovať v desiatkach až tisícoch ppm, v prípade kilometrových dĺžok 1 ppm alebo menej.

Braggove zrkadlá - distribuovaný Braggov reflektor - je vrstvená štruktúra, v ktorej sa index lomu materiálu periodicky mení v jednom priestorovom smere (kolmo na vrstvy).

Existujú rôzne konštrukcie na čerpanie optických vlnovodov, z ktorých sa najčastejšie používajú čisto vlákna. Jednou z možností je umiestniť aktívne vlákno do niekoľkých plášťov, z ktorých vonkajší je ochranný (tzv. dvojito potiahnuté vlákno). Prvý plášť je vyrobený z čistého kremeňa s priemerom niekoľko sto mikrometrov a druhý je vyrobený z polymérneho materiálu, ktorého index lomu je zvolený výrazne nižší ako index lomu kremeňa. Prvý a druhý plášť teda vytvárajú multimódový vlnovod s veľkým prierezom a numerickou apertúrou, do ktorého sa spúšťa žiarenie čerpadla. Na obr. Na obrázku 1.3 je znázornené čerpanie lasera na báze dvojito potiahnutého vlákna.

Ryža. 1.3. Schéma čerpania lasera na báze dvojvrstvového vlákna.

Medzi výhody vláknových laserov tradične patrí významný pomer plochy rezonátora k jeho objemu, čo zabezpečuje kvalitné chladenie, tepelnú stabilitu kremíka a malé rozmery zariadení v podobných triedach výkonových a kvalitatívnych požiadaviek. Laserový lúč musí byť spravidla vedený do optického vlákna pre následné využitie v technológii. Pre lasery inej konštrukcie to vyžaduje špeciálne optické kolimačné systémy a zariadenia sú citlivé na vibrácie. Vo vláknových laseroch sa žiarenie generuje priamo vo vlákne a má vysokú optickú kvalitu. Nevýhodou tohto typu laserov je riziko nelineárnych efektov v dôsledku vysokej hustoty žiarenia vo vlákne a relatívne nízkej výstupnej energie na jeden impulz, v dôsledku malého objemu účinnej látky.

Vláknové lasery strácajú v porovnaní s pevnolátkovými lasermi v aplikáciách, kde sa vyžaduje vysoká polarizačná stabilita a použitie vlákna udržujúceho polarizáciu je z rôznych dôvodov náročné. Pevné lasery nie je možné nahradiť vláknovými lasermi v spektrálnom rozsahu 0,7-1,0 µm. Majú tiež väčší potenciál na zvýšenie impulzného výstupného výkonu v porovnaní s vláknom. Vláknové lasery však vykazujú dobré výsledky pri vlnových dĺžkach, kde neexistujú dostatočne dobré aktívne médiá alebo zrkadlá pre lasery iných konštrukcií, a umožňujú implementáciu niektorých laserových schém, ako je konverzia smerom nahor, s menšou zložitosťou.

Tieto lasery je možné veľmi podmienene rozlíšiť na samostatný typ, pretože používajú približne rovnaký mechanizmus na budenie aktívneho média (čerpanie) ako v plynových alebo pevnolátkových laseroch.

Laserové diódy sa používajú aj ako čerpacie. Tieto zdroje boli vyvinuté pre vláknové telekomunikačné systémy, kde sa používajú ako zosilňovače signálu. Predstavte si, že kryštál, v ktorom vzniká užitočné laserové žiarenie, je akoby natiahnutý na niekoľko desiatok metrov a ide o jadro vlákna s priemerom niekoľkých mikrónov, ktoré sa nachádza vo vnútri kremenného vlákna. Žiarenie diód smeruje do kremenného vlákna a jadro je opticky pumpované po celej jeho dĺžke.

Použitie laserového skla ako aktívneho prvku v pevnolátkových laseroch je už dlho známe. Na rozdiel od kryštálov majú laserové okuliare neusporiadanú vnútornú štruktúru. Spolu so sklotvornými zložkami SiO 2, B 2 O 3, P 2 O 5, BeF 2 obsahujú Na 2 O, K 2 O, Li 2 O, MgO, CaO, BaO, Al 2 O 3, Sb 2 O3. Ako aktívne nečistoty najčastejšie slúžia neodýmové ióny Nd 3+; používa sa aj gadolínium Gd 3+, erbium Er 3+, holmium Ho 3+, ytterbium Yb 3+. Koncentrácia iónov Nd 3+ neodýmu v sklách dosahuje 6 % (hmotn.).

V laserových okuliaroch sa dosahuje vysoká koncentrácia aktívnych častíc. Ďalšou výhodou takýchto skiel je možnosť výroby veľkorozmerných aktívnych prvkov prakticky akéhokoľvek tvaru a s veľmi vysokou optickou rovnomernosťou. Poháre sa získavajú v platinových alebo keramických téglikoch. Medzi nevýhody použitia skiel ako laserových materiálov patrí pomerne široké generačné pásmo (310 nm) a nízka tepelná vodivosť, ktorá bráni rýchlemu odvodu tepla pri vysokovýkonnom optickom čerpaní.

Vláknové lasery majú veľmi vysokú (až 80%) účinnosť premeny žiarenia laserovej diódy na užitočné žiarenie. Na zabezpečenie ich chodu je dostatočné chladenie vzduchom. Tieto laserové zdroje sú veľmi sľubné pre systémy digitálneho záznamu platní.

Na obr. 3.22 je znázornená činnosť polovodičového vláknového lasera a vo všeobecnosti celá optická dráha až po spracovávaný materiál. Hlavnou črtou tohto lasera je, že žiarenie tu vzniká v tenkom vlákne s priemerom len 68 mikrónov (jadro; aktívnym médiom môže byť napríklad yterbium), ktoré sa nachádza vo vnútri kremenného vlákna s priemerom 400 600 mikrónov. Žiarenie pumpových laserových diód je privedené do kremenného vlákna a šíri sa po celom komplexnom kompozitnom vlákne, ktoré je dlhé niekoľko desiatok metrov.

Obrázok 3.22 - Optický systém s vláknovým laserom:

1 – jadro dopované yterbiom, priemer 6–8 µm; 2 - kremenné vlákno, priemer 400-600 mikrónov; 3 – polymérová škrupina; 4 - vonkajší ochranný náter; 5 – laserové diódy optického čerpania; 6 – optický čerpací systém; 7 - vlákno (do 40 m); 8 - kolimátor; 9 - modulátor svetla; 10 - zaostrovací optický systém

Žiarenie opticky pumpuje jadro a práve tu, na atómoch ytterbia, dochádza k fyzikálnym transformáciám, ktoré vedú k vzniku laserového žiarenia. V blízkosti koncov vlákna sú na jadre vyrobené dve takzvané difrakčné zrkadlá v podobe sady zárezov na valcovej ploche jadra (difrakčné mriežky) - tak vzniká vláknový laserový rezonátor. Celková dĺžka vlákna a počet laserových diód sa volí na základe požadovaného výkonu a účinnosti. Výstupom je ideálny jednovidový laserový lúč s veľmi rovnomerným rozložením výkonu, ktorý umožňuje sústrediť žiarenie do malého bodu a získať väčšiu hĺbku ostrosti ako v prípade vysokovýkonného pevnolátkového Nd:YAG lasery.

Treba tiež poznamenať, že množstvo takýchto vlastností žiarenia vláknového lasera, ako je povaha polarizácie lúča, umožňuje pohodlné a spoľahlivé riadenie tohto žiarenia pomocou akusticko-optických zariadení a umožňuje implementovať schémy viaclúčového záznamu obrazu.

Pretože k optickému čerpaniu dochádza po celej dĺžke vlákna, konvenčné pevnolátkové lasery nemajú také účinky, ako je tepelná šošovka v kryštáli, skreslenie čela vlny v dôsledku defektov v samotnom kryštáli, nestabilita lúča v čase atď. čo vždy bránilo dosiahnutiu maximálnych schopností polovodičových systémov. Samotné princípy štruktúry a činnosti vláknového lasera však zaručujú vysoký výkon a robia z týchto zariadení dokonalé konvertory svetelného žiarenia na laserové žiarenie.

„Jadro“ lasera, hrubé len niekoľko mikrometrov, pozostáva z ytterbia a funguje ako rezonátor. Najlepšiu kvalitu je možné dosiahnuť pri vlnovej dĺžke žiarenia 1110 nm, pričom dĺžka optického kábla môže dosiahnuť 40 m. Komerčne dostupné sú lasery s výkonom 1 až 100 W, s účinnosťou okolo 50 %. Vláknové lasery zvyčajne nevyžadujú špeciálne chladenie. Minimálna veľkosť bodu pre moderné vláknové lasery je asi 20 µm a pri použití korekčných mechanizmov sa môže zmenšiť na 5 µm. Hĺbka ostrosti je 300 µm, čo umožňuje úspešnú prácu s doskovými materiálmi rôznych hrúbok bez mechanizmu automatického zaostrovania.