Параметры качества лазерного излучения

Содержание

1. Введение

2. Параметры качества лазерного излучения

3. Обзор лазерных излучателей с уровнем мощности 4 кВт

3.1 Мощный СО2 слэб-лазер с диффузионным охлаждением DC – серии компании ROFIN

3.2 Мощный СО2 лазер HF – серии

3.3 Дисковый лазер DS серии

3.4 Твердотельный лазер DY-серии

3.5 Технологический лазер ТЛ-4

3.6 Иттербиевый волоконный лазер YLS-5000

4. Сравнительных характеристики лазерных излучателей

5. Обзор существующих технологических комплексов

5.1 Лазерные раскройные станки с волоконным иттербиевым лазером

5.2 Лазерные технологические комплексы "ТЕИР-400, 700, 1000" на основе волоконного лазера

5.3 Комплекс автоматической резки лазером КАРЛ-3000

5.4 Комплекс лазерного раскроя КС-3В "Навигатор" на линейных двигателях с волоконным лазером

5.5 Лазерные станки с волоконным лазером для тонких нержавеющих, электротехнических и оцинкованных сталей

5.6 Лазерный технологический комплекс на основе волоконного лазера

6. Обзор волоконных усилителей и их генерационные характеристики

6.1 Неодимовый одномодовый волоконный лазер

6.2 Высокоэффективный волоконный лазер с накачкой в оболочку на основе иттербиевого световода и волоконной брэгговской решетки

6.3 Непрерывные волоконные лазеры средней мощности

6.4 Иттербиевый волоконный лазер на основе световода с сердцевиной из высококонцентрированного Yb3+ - стекла

7. Способы изготовления волокон

8. Общий состав оборудования лазерного технологического комплекса

9. Выбор лазерной системы и режима её работы

10. Структура волоконного световода

10.1 Многомодовое волокно

10.2 Одномодовое волокно

11. Оптические потери при соединении волокон

12. Соединение волокон сваркой

13. Выбор типа активной среды

14. Система накачки и оптический резонатор

15. Разработка активного модуля

16. Соединение волокон и вывод в одно

17. Список используемой литературы

лазерный излучение волоконный резонатор

 

Введение

 

Развитие лазерных технологий обработки материалов предъявляет повышенные требования к источникам лазерного излучения (надежность, высокое качество излучения, низкие эксплуатационные расходы, высокий ресурс работы и малая стоимость).

Современные индустриальные СО2 – лазеры имеют энергетический КПД до 10%, выпускаются модели различной мощности (до 30кВт) при средней цене 90 долл. за 1 Вт и почасовой цене эксплуатации 5 долл. за 1 Вт. Энергетический КПД твердотельных технологических лазеров, таких как АИГ:Nd, составляет 3 %, мощность – 6 кВт при средней цене 145 долл. за 1 Вт и почасовой эксплуатации 5 долл. за 1 Вт, КПД волоконных технологических лазеров-20%,мощность – 10кВт при средней цене 360 долл. за 1Вт и почасовой цене эксплуатации 1 долл. за Вт.

Наибольший рост рынка продаж ожидается для твердотельных лазеров с диодной накачкой (включая волоконные) и для диодных лазеров прямого действия.

Волоконными лазерами называют твердотельные волноводные лазеры с накачкой излучение полупроводниковых лазеров. Их создание стало возможным на базе многолетнего развития физики активных сред твердотельных лазеров, оптических волноводов и технологии их изготовления, а также достижений в области полупроводниковых лазеров. Мощность излучения современных волоконных лазеров может достигать нескольких десятков кВт. В диапазоне средней мощности до нескольких сотен Вт. Эти лазеры генерируют одномодовое излучение с предельной дифракционной расходимостью. В тоже время мощные волоконные лазеры (более 1 кВт) не являются одномодовыми и имеют расходимость выходного излучения, существенно превышающую дифракционный предел.

Зарубежный опыт использования волоконных лазеров для газолазерной резки показывает, что они обладают существенными преимуществами по скорости резания металлических (особенно цветных металлов) листов малой толщины. В отношении волоконных лазеров с мощностью несколько кВт и более до сих пор не сложилось единого мнения среди специалистов в области лазерных технологий относительно их эффективности по сравнению с дисковыми твердотельными и СО2 – лазерами. Однако волоконные лазеры обладают рядом неоспоримых преимуществ, среди которых – компактность, а также внутреннее и стабильное положение элементов резонатора. Поэтому актуальным является определение области применения этих лазеров среди большого числа лазерных технологических процессов.

От пространственных характеристик сфокусированного пучка лазерного излучения технологических лазеров во многом зависит эффективность технологических операций и различных режимов их реализации. Поэтому на практике важно детально изучить пространственные характеристики сфокусированного излучения мощных волноводных волоконных лазеров.

 

Рис.1 Принцип работы мощного СО2 слэб-лазера с диффузным охлаждением

Оптический резонатор сформирован двумя зеркалами и двумя параллельными электродами с водяным охлаждением. Возбуждение осуществляется ВЧ разрядом. Тепло отводится от рабочего тела благодаря контакту возбуждаемого газа с охлаждаемыми электродами (диффузионное охлаждение). Узел формирования луча интегрирован в лазерную головку и образует луч круглой формы высокого качества. Выходящий луч имеет линию поляризации 45^o.

 

Рис.2 Мощный СО2 слэб-лазер с диффузным охлаждением.

Технические данные ROFIN DC040:

Тип возбуждения	ВЧ
Выходная мощность, Вт
Диапазон регулировки мощности, Вт	400-4000
Качество пучка	K = 0,9
Диапазон изменения частоты, (Гц) или непрерывная генерация	0- 2 до 5000 Гц

3.2 Мощный СО₂ лазер HF – серии

 

Предлагаемые компанией ROFIN HF-серии объединяет лазеры с поперечной прокачкой рабочей смеси и ВЧ-возбуждением, которые дополняют мощные лазеры DC серии с возбуждением постоянным током.

Компактность лазера позволяет интегрировать его в производственные линии.

 

Составные части устройства: 1. Лазерный луч; 2. Турбина для обеспечения протока газа; 3. Направление потока газа; 4. Теплообменник; 5. Заднее зеркало с измерителем мощности; 6. Внутренние зеркала "сложенного" резонатора; 7. Электроды; 8. Выходное зеркало; 9. Выходное окно.

Рис.3 Принцип работы мощного СО2 лазера.

 

В лазерах этой серии используется многопроходный резонатор. Принудительная циркуляция рабочего газа внутри разрядного промежутка необходима для эффективного охлаждения.

 

Рис.4 Мощный СО2 лазер фирмы ROFIN.

 

Технические данные ROFIN HF 040:

 

Дисковый лазер DS серии

 

Предлагаемые компанией ROFIN дисковые лазеры DS-серии являются результатом многолетней научно-исследовательской работы и воплощают в себе последние достижения в области конструирования твердотельных лазеров для индустриальных применений.

Особенности лазеров DS-серии:

Возбуждение рабочего тела осуществляется полупроводниковыми диодами со временем жизни свыше 10000 часов. При этом КПД лазера "от розетки" составляет более 10%.

Составные части устройства: 1. Накачка; 2. Охлаждающий фланец; 3. Заднее зеркало; 4. Оптоволоконный наконечник; 5. Оптоволокно; 6. Световод; 7. Выходное зеркало; 8. Параболическое зеркало; 9. Yb:YAG; 10. Зеркало накачки.

Рис.5 Принцип работы дискового лазера

Оптическое возбуждение обеспечивается блоком мощных лазерных диодов. После формирования оптического пучка с длиной волны 940 нм он отражается параболическим зеркалом и направляется на активный кристалл Yb:YAG, выполненный в форме диска.

Отражаясь от зеркала, напыленное на задней стороне диска, пучок попадает снова на параболическое зеркало и переотражается на ретрорефлектор, возвращающий пучок накачки опять на параболическое зеркало и, соответственно в активный кристалл. Для полного поглощения возбуждающего излучения требуется 16 проходов.

Резонатор образует зеркало на задней стороне диска и зеркало, расположенное в центре параболического рефлектора.

Лазерное излучение заводится в волокно с диаметром световедущей жилы 150 или 300 мкм. Используя оптические коммутаторы, лазерное излучение может быстро распределяться между несколькими различными потребителями.

Рис.6 Дисковый лазер. Рис.7 Принципиальная схема работы дискового лазера.

 

У дискового лазера плоский профиль распределения температуры, охлаждение осуществляется через основание.

Рис.8 Схема накачки дискового лазера.

Thin-Disk Pump Modules

The optics of the thin-disk pump modules consist of a collimating optics, a parabolic mirror, two pairs of mirrors, which are arranged to form retro-reflectors, and a flat rear mirror.

 

The pump beam can be fiber coupled. A variety of collimation optics are available to obtain different pump spot diameters.

 

The laser crystal is soldered on an impingement-cooled copper/tungsten heat sink. The pump beam is repeatedly focused onto the crystal by the parabolic mirror. After usually six double-passes through the thin-disk crystal the rear mirror reflects the residual pump light back through the whole beam pass, leading to a total of 24 passes through the crystal disk.

For cw operation standard laser crystals (Yb:YAG) are available from stock. Several options for the laser crystals (e.g. specification for nanosecond or ultrafast operation) are available upon request.

 

The thin-disk pump modules are completely aligned prior to delivery and can be used immediately without further adjustment. Standard modules are available for different pump power levels:

l B1 (200 W / 800 W)

l G1 (2.5 kW)

l Special high-power modules (14 kW)

 

 

Mounted Thin-Disk Crystals

 

Mounted and individually qualified thin-disk crystals:

l Available from stock for the standard laser material Yb:YAG

l Other thin-disk crystals (e.g. different laser active materials and specification for nanosecond or ultrafast operation) are available upon request.

Thanks to several years of expertise we are able to support the manufacturing of thin-disk laser crystals starting from the growth of the boule, over the polishing up to the coating process. Different options for the thin disk mounting are available in our facilities and can be completed regarding to the customer needs. Furthermore we offer a fundamental characterization of the thin disks, which can be extended to a complete determination of numerous parameters under laser operation leading to a comprehensive qualification of the individual crystals.

Рис.9 Поглощение и выделение спектра дисковым АИГ:Yb.

Технические данные ROFIN DS 040 HQ:

Твердотельный лазер DY-серии. [2]

Компания ROFIN. Основой твердотельных лазеров DY-серии является Nd:YAG стержень с диодным возбуждением. Эти лазеры заменяют старые лазеры с непрерывной генерацией и ламповым возбуждением.

Особенности DY лазеров:

Высокое качество излучения

Долговечность ( 10000 часов)

Высокий КПД

Применение DY лазеров:

DY-лазеры являются надежным, экономичным инструментом для широкого круга применений, включая сварку и резку.

 

Составные части устройства:

1. Заднее зеркало; 2. Активная среда Nd:YAG кристалл; 3. Вынужденная генерация; 4. Лазерный луч; 5. Выходное зеркало; 6. Лазерной диод; 7. Свет накачки; 8. Охлаждающая вода; 9. Блок питания.

Рис. 10 Принципиальная схема твердотельного лазера

 

Рис.11 Твердотельный лазер

 

Оптическое возбуждение обеспечивается лазерными диодными модулями, расположенными радиально вокруг Nd:YAG стержня. Резонатор состоит из зеркал, глухого и частично прозрачного, и располагается коаксиально с лазерным стержнем. Для получения высокой мощности применяются последовательно несколько стержней с диодной накачкой. Транспорт лазерного излучения осуществляется одним или несколькими оптическими волокнами.

У твердотельного лазера параболический профиль распределение температуры, охлаждение и накачка осуществляется через боковую поверхность.

 

Рис. 12 Схема накачки твердотельного лазера.

 

Технические данные ROFIN DY 044:

Технологический лазер ТЛ-4

 

Области применения

· резка материалов из металла:

o резка углеродистой стали толщиной до 18 мм;

o резка нержавеющей стали толщиной до 10 мм;

o резка алюминиевых сплавов толщиной до 8 мм;

· сварка, наплавка и термоупрочнение металлических деталей.

Основные особенности

· устойчиво-неустойчивый резонатор

· высокое качество и долговременная стабильность выходного излучения

· высокая надежность в эксплуатации

· наличие режима работы с безгелиевой смесью

· полная автоматизация

Технические характеристики

Длина волны излучения	мкм	10.6
Номинальная мощность излучения в долговременном режиме	кВт	4.0
Нестабильность мощности излучения	%	± 2
Пределы регулирования мощности излучения	кВт	0.40...4.5
Апертура	мм	20X20
Расходимость излучения	мрад	1.7
Расход газов (CO2:N2+O2:He)	л/ч	3:26:50
Расход охлаждающей воды	л/ч
Потребляемая электрическая мощность	кВт	up to 58
Габариты	мм	2430x1210x2200
Масса	кг

3.5 Иттербиевый волоконный лазер YLS-5000. [4]

 

Оптические характеристики

N	Параметр	Условия измерения	Обозначение	Мин.	Тип.	Макс.	Един. изм.
1.	Выходная оптическая мощность.	I=Iмакс.	Pвых.				Вт
2.	Диапазон выходной мощности при стабильном режиме генерации		Pвых.				Вт
3.	Режим работы	Pвых.= 50-5000 Вт		Непрерывный с возможностью модуляции
4.	Максимальная частота модуляции	Обеспечивается внешним генератором.					кГц
5.	Скважность						%
6.	Центральная длина волны излучения	Pвых.=5000Вт	lс				нм
7.	Поляризация	Pвых.=5000Вт		Случайная
8.	Нестабильность выходной мощности	Pвых.=5000Вт в течение 4 час.			<±2	<±3	%

 

Характеристики оптического выхода

N	Параметр	Условия измерения	Обозначение	Mин.	Тип.	Mакс	Един. изм.
1.	Количество выходов
2.	Защита выходного волокна			Бронешланг
3.	Длина волокна на выходе						м
4.	Диаметр выходного коллимированного пучка	По уровню 1/е^2	Æвых	4.5		5.5	мм
5.	Качество пучка		BPP				мм*мрад
6.	Отклонение оси пучка относительно оси коллиматора		qп				мрад
7.	Эллиптичность пучка		dп		0,98	0,95	Æмин/Æ макс
8.	Расходимость пучка	Половинный угол					мрад
9.	Максимально допустимый уровень отраженной назад мощности	Pвых.=5000Вт	PBR				%

 

Электрические характеристики прибора

N	Параметр	Условия измерения	Обозначение	Мин.	Тип.	Макс.	Един. изм.
1.	Напряжение питания		Uпит				В, AC (3фазы, 50Гц)
2.	Потребляемая мощность	Pвых.=5000Вт T=20^0С	Рпотр				кВт

 

Интерфейс управления и контроля.

№	Интерфейс	Управление	Контроль
1.	RS-232	Pвых; Iлд.	Pвых; Tкорп; Iлд.

 

Общие характеристики прибора

N	Параметр	Значение
1.	Диапазон рабочих температур, °C	От 0 до +40
2.	Температура хранения, °C	От -30 до +70
3.	Требование по механическим воздействиям	По ГОСТ РВ.39 304-98 по группе 1.3
4.	Степень защиты от воздействия окружающей среды согласно кодов МЭК 529	не ниже IP 65
5.	Время прогрева мин:
- до начала работы.	0.1
- до полной стабилизации
Допустимый уровень влажности, %	10 - 95
6.	Охлаждение	Принудительное, водяное, 2 л/мин
7.	Размеры прибора, мм	856 x 806 x 1482
8.	Масса прибора, кг

4. С равнительных характеристики лазерных излучателей

 

Дисковые и волоконные лазеры обладают очень высокой эффективностью при низком параметре . Диодные же лазеры обладают высочайшей эффективностью с минимальной стоимостью выполнения операций.

Рис.13 Зависимость эффективности от параметра излучения промышленных лазеров

Рис. 14 Качество излучения волоконного и дискового лазеров в сравнении с СО2 лазером

Рис. 15 Изменение мощности лазеров с диодной накачкой и закон Мура

 

 

Рис.16 Лазерный раскройный станок РАПИД 3015 ЛС 2.0

Лазерные раскройные станки с волоконным иттербиевым лазером для высокоскоростного точного раскроя листовых металлических материалов по контуру любой сложности. Высококачественная импортная механика (линейные направляющие SBG, зубчатая рейка-шестерня фирмы Gudel-Швейцария, редукторы ALFA-Германия), сервопривод постоянного тока с обратной связью по положению и скорости, система ЧПУ на базе контроллера Advantech, надежная стальная конструкция основания, высокое качество и точность реза. Передача луча лазера по волоконному кабелю. Электропривод паллеты загрузочного устройства (как опция- челночный вариант с двумя паллетами). Оптический резак производства IPG с бесконтактной следящей системой за поверхностью металла. В комплекте чиллер-автономная система охлаждения лазера. Высоконадежные волоконные лазеры производства "ИРЭ-Полюс" имеют ресурс свыше 50 тыс. часов и не требуют юстировок, обслуживания, регламентной замены каких-либо узлов в течение всего срока эксплуатации. Рассчитаны лазеры на многолетнюю работу в заводских условиях при 2-3 сменной загрузке на полной мощности. Отсутствие внешней транспортирующей оптики гарантирует стабильность качества раскроя по всей рабочей зоне и освобождает от массы проблем с юстировкой и эксплуатацией комплекса. Очень низкое энергопотребление. Средняя потребляемая мощность всем комплексом (без вентиляции и компрессора):

o С лазером ЛС-1 (1 кВт) до 10 кВт

o С лазером ЛС-2 (2 кВт) до 16 кВт

o С лазером ЛС-3 (3 кВт) 18-20 кВт

o Размер рабочей зоны и исполнение по Вашему ТЗ.

o Скорость перемещения,мах,мм/с-600

o Дискретность задания размеров,мм-0,01

o Динамическая точность,мм-0,1

o Повторяемость,мм-0,05

o Срок эксплуатации,лет,не менее-10

o Гарантия,мес-12 (лазера-24).

o РАПИД 3015 ЛС 0.6 600 Вт - 6000000 руб.

o РАПИД 3015 ЛС 0.7 700 Вт - 6700000 руб.

o РАПИД 3015 ЛС 1.0 1кВт - 7500000 руб.

o РАПИД 3015 ЛС 1.5 1.5 кВт - 8700000 руб.

o РАПИД 3015 ЛС 2.0 2.0 кВт - 10500000 руб.

o РАПИД 3015 ЛС 3.0 3.0 кВт -14500000 руб.

 

5.2 Лазерные технологические комплексы "ТЕИР-400, 700, 1000" на основе волоконного лазера. [6]

Лазерные технологические комплексы серии "ТЕИР" предназначены для скоростного раскроя сталей и сплавов цветных металлов. Лазерные технологические комплексы серии "ТЕИР" на основе волоконных лазеров обладают целым рядом преимуществ по сравнению с технологическими комплексами на основе традиционных лазеров.

· чрезвычайная надежность;

· отсутствие расходных элементов (ламп накачки, газов и пр.);

· практическое отсутствие необходимости технического обслуживания лазера;

· возможность использовать лазер с практически любой требуемой мощностью излучения (до нескольких десятков киловатт);

· современная система управления параметрами лазерного излучения.

Рис. 17 Лазерный технологический комплекс "ТЕИР-700"

 

Состав комплекса

· двух координатный стол с системой управления на основе компьютера;

· пакет прикладных программ, реализующих обработку файлов, подготовленных в системе "AutoCad";

· волоконный лазер;

· управляемая фокусирующая система с блоком автоматического слежения за положением сопла относительно обрабатываемой поверхности;

· оптический коллиматор;

· блок автономного охлаждения со сбросом тепла на воздух;

· комплект технической документации;

· ЗИП.

Рис. 18 Комплекс автоматической резки КАРЛ-3000

 

Станок предназначен для резки листового металла. Эффективно используется при раскрое листового металла в заготовительном производстве машиностроительных заводов, а также для изготовления деталей сложной формы из листа. При разработке станка использован волоконный лазер YLS-1000 фирмы НТО ИРЭ-Полюс. Перемещение по осям X, Y осуществляется с помощью линейных моторов фирмы Рухсервомотор, по оси Z двигателем с тормозом фирмы "SIEMENS". Комплекс комплектуется системой ЧПУ "Sinumerik-840D" и приводами фирмы "SIEMENS". Лазерная оптическая головка HP 1,5" YAG или YK52 фирмы "PRECITEC". Охладитель водяной (чиллер) фирмы "Riedel".

Технические характеристики

Максимальные размеры заготовки	3000х1500х6
Диапазон перемещений (Х, Y, Z)	3150, 1550, 230
Точность позиционирования на 600 мм по осям Х и Y, мкм, не хуже	50**
Точность поддержания зазора между соплом оптической головки и заготовкой, мм	0,01
Расстояние установки сопла, мм:
- рекомендуемое	1...5
- возможное	0,3...10
Повторяемость, мкм	20**
Разрешение, мкм
Максимальная глубина реза, мм
Скорость резания, м/мин	0,2...5,7
Максимальная скорость перемещений по осям Х и Y, м/мин
Система ЧПУ	SIEMENS SINUMERIK 840D
Расход охлаждающей жидкости, л/мин, не менее
Охлаждающая способность чиллера, кВт	4,1
* в зависимости от исполнения
** с линейной коррекцией при t=20 град.

Лазеры и аппаратура ТМ

Рис. 19 Лазерная машина МЛ35.

Портальные лазерные машины серии МЛ35 предназначены для: - резки и сложно - контурного раскроя, гравировки, прошивки отверстий, сверления изделий из листового металла толщиной до 4-5 мм для стали и до 3-4 мм для алюминия с высокой точностью и качеством обработки по контуру. Размеры обрабатываемых листов до 1250х 2500мм

В машинах серии МЛП используется координатный стол портального типа на основе линейных синхронных двигателей. При обработке лист металла неподвижен.

Использование приводов на линейных синхронных двигателях дало возможность улучшить динамические возможности столов почти на порядок, что позволило расширить технологические возможности и производительность машин.

Лазерное излучение генерируется импульсным Nd:YAG лазером, мощность излучения которого 250- 300 или 400 - 500 Вт, с принципиально новой оптической схемой, либо волоконным иттербиевым лазером 0.7-2 кВт производства фирмы IPG - ИРЭ Полюс.

Машины с волоконными лазерами имеют великолепные эксплуатационные параметры, связанные с надежностью, высоким КПД волоконных лазеров. За счет уникальных свойств лазерного излучения волоконного лазера можно сформировать лазерное пятно размером 50-100мкм при мощностях сотни Вт. Все это позволяет выйти на новый уровень технологических возможностей.

Кроме основных составных частей кинематической системы и лазера, машины содержат необходимые функциональные модули: Фокусирующая оптическая система (резак) снабжена бесконтактным емкостным датчиком, что позволяет автоматически поддерживать постоянное положение фокуса резака относительно обрабатываемого листа и обеспечивает высокое качество реза. Машина содержит необходимые блоки управления, питания, контроля, имеет автоматизированное управление от компьютера (ЧПУ).

Базовый комплект поставки

Машина лазерная для резки в сборе: - Опорный каркас - Лазерный излучатель со встроенным полупроводниковым лазер-пилотом. - Оптико-механический блок - X- Y координатная система. - Оптический резак с бесконтактным емкостным датчиком - Z – привод перемещения резака - Пневмосистема - Блоки питания, охлаждения, контроля и управления. - Комплект ЗИП; - Управляющий компьютер (IBM PC) с программным обеспечением; - Текстовая документация (паспорт, техническое описание и инструкция по эксплуатации) с комплектом принципиальных схем; - Упаковка

Программное обеспечение

ПО позволяет осуществлять загрузку, обработку и выполнение файлов-заданий (чертеж обработки + технологические параметры для лазера и координатных столов), настроить и сохранить технологические параметры задания, контроль и самодиагностику системы в процессе работы, визуальное отслеживание процесса сварки на экране ТВ-монитора. Управляющие чертежи-задания могут быть импортированы в виде HPGL-совместимых файлов (.plt) или файлов.dxf или.bmp форматов из любых графических редакторов (CAD-системы, Corel-Draw, Компас и многие др.).

Технические характеристики

Обозначение	МЛ35 -007 ЛД	МЛ35-2-ЛД
Параметры назначения (максимальная толщина металла)	5-10 мм (в зависимости от мощности лазера)	4-5 мм
Тип лазера	Иттербиевый, волоконный	Импульсный, Nd:YAG
Тип накачки	Диодная	Ламповая
Режим накачки	непрерывный	50 - 500Гц, 0.2-2мс
Средняя мощность излучения, Вт	700-2000	до 350
Кинематическая система	Портальная, лист неподвижен
Базовый вариант размеров поля обработки (координатного стола), мм	1250*2500 (1250*1250)
Точность позиционирования, мм	0,05-0,1
Оптическая система	Оптический резак с емкостным датчиком
Сеть, В	3х фазная 380/220В
Охлаждение	Автономное воздушное	Водяное

5.5 Комплекс лазерного раскроя КС-3В "Навигатор" на линейных двигателях с волоконным лазером

 

Зона обработки X/Y 3050/1550 мм *

Ход по оси Z 230 мм

Максимальная скорость рабочих перемещений по осям X/Y/Z 60/60/60 м/мин

Максимальная скорость холостых перемещений по осям X/Y/Z 300/300/120 м/мин

Максимальные ускорения по осям X/Y/Z 25/25/25 м/с

Конкурентные преимущества КС-3В "Навигатор" перед комплексами на основе СО2-лазера. [9] - стоимость функциональных аналогов ведущих западных производителей на 30%-40% выше - эксплуатационные расходы в 4 раза ниже - более высокая производительность и качество резки - отсутствие сложной оптической системы, требующей регулярной юстировки и дорогостоящего обслуживания - потребление электроэнергии всем комплексом в 10 и более раз ниже - не требуется высококвалифицированного обслуживающего персонала - высокая устойчивость к пыли и вибрациям - высокая надежность ввиду отсутствия механических передач (по оценке производителей ресурс приводов и направляющих составляет 100 000 км пробега; ресурс узлов накачки лазера без снижения выходных характеристик - 50 000 часов)

Конструктивные особенности

Комплекс КС-3В "Навигатор" является собственной разработкой компании ВНИТЭП. Уникальный координатный стол с двигателями на линейных приводах защищен патентом на изобретение.

При производстве комплексов КС-3В "Навигатор" используются комплектующие ведущих мировых производителей:

· линейные шариковые направляющие фирмы INA

· гибкие кабельные каналы фирмы IGUS

· система слежения RENISHAW

· линейные моторы фирмы РУХСЕРВОМОТОР и Siemens

· система ЧПУ DELTA TAU

· предохранительные амортизаторы и пневмосистема фирм FESTO и CAMOZZI

Наличие сменных паллет позволяет производить быструю замену заготовок. Применяемые при изготовлении комплексов КС-3В "Навигатор" лазеры производятся фирмой НТО "ИРЭ-Полюс", входящей в международную группу компаний IPG Photonics, являющуюся мировым лидером в области разработки и производства уникальных волоконных лазеров.

Рис. 20 Иттербиевый волоконный лазер с центральной частотой излучения 1,07 мкм.

 

Комплекс предназначен для отработки эффективных лазерных технологий (прецизионная резка, термообработка, пайка твердым припоем, сварка с глубоким проплавлением плоских и трехмерных деталей) в машиностроении и авиационной промышленности. Лазерный комплекс включает в себя уникальный технологический волоконный лазер с полным автоматизированным управлением параметрами излучения, многокоординатную прецизионную механическую систему перемещения лазерного луча, систему управления технологическими процессами на основе наиболее современных аппаратных и программных решений.

Технические характеристики

Иттербиевый волоконный лазер с центральной частотой излучения 1070 нм;

режим работы – непрерывный, модулированный;

максимальная выходная мощность - 5000 Вт;

долговременная стабильность выходной мощности +/-2%;

диаметр сердцевины оптического волокна кабеля доставки – 100 мкм;

длина волоконного кабеля доставки - до 50 м;

срок службы диодов накачки – более 50 000часов;

частота модуляции выходного излучения – до 5 кГц;

управление - через RS 232 интерфейс компьютера;

охлаждение – водяное;

максимальное потребление воды – 3 м³/час;

габариты – 86х81х150 см;

Механическая система (рабочий стол):

тип стола – консольный;

габариты обрабатываемых деталей, мм – 1250х2500 (ширина х длина);

ход лазерной головки по вертикали, мм – 300;

скорость перемещений лазерной головки по осям X, Y, Z мм/мин – до 18000;

точность позиционирования, мм - ±0,05;

Электрическая часть:

система ЧПУ – компьютер в промышленном корпусе с контроллером фирмы Aerotech;

интерфейс для связи с микропроцессором лазера – RS 485;

электроавтоматика – Siemens;

Программное обеспечение:

управление процессом лазерной обработки;

настройка параметров сервоприводов;

диагностика и отображение на экране дисплея состояния лазерного комплекса в целом.

Применение в составе лазерного технологического комплекса нового типа лазерного излучателя, который по своим технико-экономическим показателям (КПД, сроку службы, характеристикам выходного излучения, срокам проведения регламентных работ) значительно превосходит все современные технологические лазеры, используемые зарубежными фирмами-производителями, позволяет значительно повысить эффективность труда и качество производимых изделий, отработать новые, ранее недоступные технологии резки, сварки и наплавки.

 

Рис. 21 Структура волокна.

1- одномодовая сердцевина с ионами Nd³⁺;

2- первая оболочка из SiO₂ c n=1.46;

3- вторая оболочка из полимера с n=1.4;

4- защитная полимерная оболочка;

 

Сторона квадрата 2-й оболочки – 290 мкм.

Сердцевина – 5 мкм.

Сердцевина состоит из плавленого SiO₂ с примесью Nd₂O₃(массовая концентрация 0,5%) и примесью Al₂O₃ и GeO₂(молярная концентрация 2%).

Квадратная форма оболочки имеет следующие преимущества:

· лучшее согласование с источником излучения накачки;

· возможность сварки лазерного световода со стандартными круглыми волоконными световодами;

Длина световода – 30 м.

Источник накачки: матрица из 19 лазерных диодов, ΣР=15 Вт. (Opto Power, модель РС – В015 - FCPS). Излучение матрицы выходило из торца волоконного пучка диаметром 1,2 мм. Эффективность ввода в первую оболочку 50%.

 

Рис. 22 Зависимость мощности излучения неодимового волоконного лазера от мощности накачки, введенного в первую оболочку лазерного световода (а), и спектр генерации волоконного лазера (б)

6.2 Высокоэффективный волоконный лазер с накачкой в оболочку на основе иттербиевого световода и волоконной брэгговской решетки

 

Накачка осуществляется в область 975 нм.

 

Рис. 23 Принцип генерации волоконного лазера.

 

Охлаждение происходит только через боковую поверхность.

Рис.24 Накачка волоконного лазера.

 

Параметры активного световода выбирались с учетом следующих условий:

· Размер сердцевины должен быть достаточно велик, чтобы обеспечить поглощение накачки, распространяющейся по внутренней оболочке, на длине световода, для которой избыточные потери излучения накачки еще пренебрежимо малы;

· Размер внутренней оболочки должен быть минимальным, но достаточным для эффективного согласования со световодом лазерного модуля накачки;

· Размер моды Yb³⁺ световода должен быть близок к размеру моды световода с брэгговской решеткой, чтобы обеспечить минимальные оптические потери в резонаторе;

Для формирования профиля показателя преломления сердцевины использовалось легирование GeO₂ и Al₂O₃. Добавка Al₂O₃ применяется для повышения растворимости иттербия в кварцевом стекле. Разность показателей преломления сердцевины и оболочки составляла 0,01.

Диаметр сердцевины – 5 мкм.

Концентрация ионов иттербия – 7.5*10¹⁹ см^-3.

Внутренняя оболочка имеет форму квадрата со стороной 120 мкм. Поглощение излучения накачки, распространяющегося по оболочке световода, составляло 1.3 дБ/м, таким образом при длине волновода в 16 метров излучение накачки полностью поглощалось.