Технологии обработки волоконными лазерами — Электросберегающие технологии

К.т.н. Скрипченко А.И. ООО НТЦ «Электроресурс»Плотников В.М, НТО «ИРЭ-Полюс»Введение. Появившийся на лазерном рынке на рубеже веков новый лазерный источник – волоконный лазер с мощностью 100..20000 Вт, уже зарекомендовал в масштабах всего мира в качестве лазерного источника нового поколения для промышленных технологий. Это явилось следствием целого ряда ключевых свойств волоконных лазеров:- уникальныq ресурсом (порядка 100000 часов);- компактность;- исключение всех видов расходных материалов и комплектующих;- минимальныt, приближающимися к нулю, эксплуатационные расходы:- высокое качество излучения, почти во всем диапазоне мощностей превосходящее параметр качества для классических лазеров:- простота доставки излучения к технологической головке (волоконный лазер неотделим от волоконного способа доставки), что почти снимает проблему стыковки лазера с пространственными манипуляторами.Тем не менее, в настоящее время, определился ряд проблем, которые ограничивают и будут ограничивать распространение волоконных лазеров, если эти проблемы не будут проанализированы, осознаны и не будут запущены механизмы их разрешения.Все эти проблемы локализованы вокруг внешнего для самого технологического лазера объекта – лазерных технологических головок, и из них можно выделить следующие основные:1. Разработка технологических процессов, адаптированных для волоконных лазеров. Для СО2-лазеров набор технологий разрабатывался на протяжении десятков лет и к настоящему времени представляет уже довольно завершенную базу знаний по физической картине лазерного процесса и по набору технологических параметров и конструктивному исполнению аппаратуры. Для волоконных лазеров из-за иной длины волны и отличия в свойствах излучения прямой перенос технологий невозможен и нужно выполнять эту работу заново. Уже обнаружены существенные отличия в характере поглощения излучения волоконных лазеров металлами, а именно, наблюдаемый при определенных условиях аномально высокий коэффициент поглощения [1]. 2. Лазерные головки для работы с волоконными лазерами довольно существенно будут отличаться от классических аналогов просто по причине кардинальных отличий в оптических схемах и из-за иных применяемых оптических материалов. В частности, это связано с тем, что выходное излучение волоконного лазера, выходящее из оптического кабеля не коллимировано, а имеет характерную для волоконных систем структуру волоконных мод. И далеко не всегда оптимальным является применение стандартного коллимирующего преобразователя.3. Несмотря на то, что разработчики волоконных лазеров, приложили массу усилий для обеспечения максимальной надежности всех высоконагруженных (оптически и энергетически) узлов передачи излучения, один такой узел – выходной узел вывода излучения в атмосферу они просто вынуждены предоставить для разных манипуляций пользователю, так как он стыкуется с лазерной головкой и будет неминуемо подвержен разным возможным неблагоприятным факторам (от вибраций и ударных воздействий, до действия отраженного излучения). От части неблагоприятных факторов разработчики пытаются защититься, например, введением в конструкцию лазера датчиков отраженного излучения, но все защиты, как известно, неидеальны. 4. По природе вещей волоконный лазер должен был бы способен поддерживать перспективный режим многопостовой обработки, при котором излучение дорогого источника могло бы разветвляться на несколько постов обработки для обеспечения максимальной загрузки и оборачиваемости капитала. Однако, такая возможность по ряду причин практически не поддерживается и фактически приобретенный пользователем лазер оказывается жестко привязанным к одному технологическому посту. Поставщик лазера, для исключения выхода из строя коннектора при эксплутации, просто напросто пломбирует его после подключения к посту.Таким образом, мы имеем целый ряд разнообразных аспектов – от систематической работы по адаптации технологий до юридических аспектов, связанных с гарантийными и прочими обязательствами.С одной стороны, пользователь, оплативший поставку лазера, вроде как должен иметь право использовать внешние технологические головки по своему усмотрению, причем от произвольных производителей, с другой стороны, разработчик-поставщик вынужден ради своей экономической безопасности эту свободу как-то ограничивать, вводя определенные ограничения и требования, не все из которых удается правильно формализовать. Примером является ограничения по физическим воздействиям. Пользователь может установить лазерную головку на произвольно приобретенный манипулятор (например, промышленный робот), который по своим паспортным данным формирует определенные вибрации или ускорения, действующие на головку и через нее – на оптический коннектор. Нет никаких гарантий, что при определенном стечении обстоятельств эти ускорения не будут превышены таким образом, что внешних особых разрушений не будет обнаружено, но произойдет нарушение узла вывода излучения. При такой ситуации поставщик лазера будет вынужден выполнить гарантийное обслуживание без всяких штрафных санкций.Разработчик может усложнить контрольно-регистрирующие функции и встроить в оптический коннектор акселерометры и другие регистраторы критических состояний, но понятное дело, что такой процесс совершенствования может продолжаться достаточно долго.Другое решение состоит в запуске процесса «сертификации», который состоит в том, что некоторые технологические головки конкретных производителей уже были проверены на совместимость и безопасность и рекомендуются поставщиком лазера для совместного использования. Помимо того, что такой подход отдает «лоббированием» конкретных производителей, он еще и тормозит процесс разработки новых технологических головок и новых технологий.Описание проблем на примере разработке головки VF001Комплекс возникающих проблем хорошо иллюстрируется на примере создания лазерной головки VF001 для лазерной резки и сварки.Два года назад при проектировании одного из лазерных комплексов на основе волоконного лазера было принято решение разработать собственную технологическую головку. Это решение было вызвано тем, что все имеющиеся предложения поставщика лазера, а их было на этот момент два – оптические системы фирмы OptoSkand [2] и головки фирмы Precitec, адаптированные для волоконных лазеров — можно было применить без доработок только для процесса лазерной резки, а во вторых, на этапе проектирования не было достоверно известно оптимальное фокусное расстояние системы. Поэтому была сделана попытка разработать оптическую систему нового класса – с перестраиваемым фокусным расстоянием.С оптической точки зрения такая система может быть синтезирована из оптического элемента с положительной оптической силой и оптического элемента с отрицательной оптической силой (рис.1), которые могут синхронно перемещаться вдоль оптической оси по согласованному закону, образуя коллиматор с переменной оптической силой (будем его называть далее вариатором) и конечного фокусирующего элемента. Для этого точка плоскости изображения среза волокна, формируемого первым элементом должна всегда совпадать с плоскостью мнимого фокуса отрицательного оптического элемента. При этом вариатор формирует коллимированый пучок с переменным диаметром, и таким образом, фокусирующий элемент при перестройке всегда фокусирует пучок в фиксированной плоскости, но с переменным углом схождения. С точки зрения оптики это равносильно изменению эффективного фокусного расстояния системы.  Рис.1. Иллюстрация к устройству вариосистемы.Реализация же такой системы требует усилий по компенсации аберраций во всем диапазоне перестройки. Для решения этой задачи был разработан собственный оптический пакет VariaFocus, обеспечивающий необходимую расчетную и оптимизационную функциональность. Пакет позволял работать как со сферическими, так и с асферическими компонентами, но на первом этапе решения задачи было решено ограничиться сферическими линзами, так как надежного изготовителя кварцевой асферики не было найдено.Расчеты показали, что требуемая система может быть получена только при использовании в первом компоненте трех положительных линз, а во втором – двух отрицательных. Фокусирующий элемент при этом может быть просто одиночной линзой, причем в комплекте системы VF001 могут быть использованы линзы с F=114 мм, 158 мм, 225 мм, то есть вариосистема может применяться в короткофокусном, нормальном и длиннофокусном вариантах.Довольно большое количество оптических поверхностей должно приводить к сравнительно большому рассеянию энергии. В зависимости от качества просветления и полировки потери на поверхности кварца могут составлять от 0.1 до 0.25 %, то есть общий уровень рассеяния в системе может доходить при мощности излучения 1000 Вт до 60 Вт. Поэтому конструктивно система была выполнена в виде монолитного бронзового корпуса с цилиндрическим расточенным внутри отверстием, в котором могли перемещаться два оптических блока с помощью специальных приводов на основе шаговых двигателей. В такой структуре рассеянная оптическими поверхностями лучевая энергия полностью поглощается бронзовым блоком, снабженным водяными каналами для охлаждения.Внешний вид системы изображен на рис.2.

  

Рис.2. Общий вид вариоголовки VF001 со сварочной сопловой насадкой насадкой (индуктивный датчик расстояния снят) Выходная сопловая часть системы была выполнена сменной с фиксацией на магнитном подвесе (рис.3). Это решало сразу две проблемы – оперативной замены сопловой насадки (например, с режущей на сварочную) и проблему наезда на препятствие. Поскольку вариосистема является дорогим и точным прибором, необходимы меры, исключающие передачу ударных усилий от препятствия на ее корпус. При этом осевая нагрузка при лобовом наезде не очень страшна из-за массивности корпуса, который ее полностью передаст на сервопривод осевого движения.

 

 Рис. 3. Принцип магнитного подвеса сопловой части (сверху) и иллюстрация его работы при наезде на препятствие (внизу).После изготовления экспериментального варианта системы она была передана на экспертизу разработчику и производителю волоконных лазеров. В результате предварительной экспертизы были выявлены следующие проблемы:• Разработанная конструкция ответной части оптического коннектора QBH (стандарт фирмы OptoSkand) не вполне соответствовала реальной конструкции кабельной части. В результате было принято решение не дорабатывать конструкцию, а просто использовать ответную часть, производства OptoSkand (в том числе и по соображению цены).• Холодильник оптической системы, выполненный в виде каналов в бронзовом блоке, не было рекомендовано подключать к контуру охлаждения внешней оптики лазера, из-за требований к чистоте контура. Конструкция была изменена на накладной холодильник, выполненный полностью из нержавеющей стали.• Отдельные неточности в конструкции фиксации оптических элементов.Кроме этих конструктивных замечаний, которые были приняты и в конструкцию введены необходимые изменения, эксперты сформулировали вопрос о возможном наличии обратных отражений от оптических поверхностей, которые в обратном ходе могли бы попасть либо на внутренний выходной срез оптического волокна либо на выходную поверхность наваренной на волокно кварцевой платины и, таким образом, приводить к ее деградации или разрушению.Если для систем фиксированного типа такая ситуация легко исключается просто небольшой коррекцией геометрии оптических элементов, то для описываемой перестраиваемой системы задача исключения опасных отражений усложняется тем, что отражения должны быть исключены во всем диапазоне перестройки.Для решения этой проблемы расчетный пакет VarioFocus был адаптирован для расчета отражений и ранее синтезированная оптическая схема была исследована и были выявлены опасные состояния системы. После исследования была выполнена коррекция оптической схемы, заключавшаяся в изменении геометрии двух линз. Тем не менее, оказалось, что полностью избавиться от опасных положений двух блоков не удается и эти состояния необходимо блокировать программно в контроллере управления вариосистемой.Далее были проведены испытания системы под излучением в условиях лаборатории НТО «ИРЭ-Полюс». Использовался маломодовый волоконный лазер мощностью до 1000 Вт с волокном 50 мкм, на выходе вариосистемы устанавливался измеритель пространственной структуры выходного пучка _____________, которые дополнительно вычислял параметр M2. Также измерялись общие потери мощности в системе с использованием измерителя мощности серии ______________Измерения потерь мощности показали, что в оптической системе состоящей из 6 линз или 12 оптических поверхностей потери составили 6.1±0.2%, то есть около 0.5% на поверхности. Поскольку контрольные проверки качества просветления давали значение 0.2..0.25% потерь для плоской поверхности, то эффект роста потерь относительно ожидаемых 3% во всей системе может быть объяснен сложностью системы и наличием компонентов с большой кривизной поверхности, где просветление может работать «неидеально». Тем не менее, по степени потерь, новая головка была признана пригодной для эксплуатации с волоконными лазерами до мощности пучка 1000 Вт. Для расширения диапазона по мощности необходимо будет решать вопросы улучшения качества просветления.Измерения качества излучения после оптической системы показали, что в трех контрольных точках диапазона перестройки системы параметр M2 сохранял значение в диапазоне 2.1..2.3, что соответствует параметру M2 исходного пучка. Таким образом, во всем диапазоне перестройки системы не возникают заметные аберрации и система не ухудшает яркость исходного пучка (экспериментальные отсчеты на рис.4).После проведения всех описанных экспертиз, корректировок конструкции и оптических измерений разработчик волоконного лазера официально разрешил использование оптической системы VF001 для проведения экспериментальных работ по сварке и резке. Основное содержание этих исследований состояло в изучении технологических возможностей системы, в частности, определения практической целесообразности применения систем с перестраиваемой фокусировкой.

Относительное фокусное расстояние Fr=F/D = 11.5Диаметр пятна — 0.202 ммУровень измерения – 86%M2 = 2.3

Длина перетяжки – 4.49 мм

   
Относительное фокусное расстояние Fr=F/D = 15Диаметр пятна — 0.250 ммУровень измерения – 86%M2 = 2.2

Длина перетяжки – 7.2 мм

   
Относительное фокусное расстояние Fr=F/D = 19Диаметр пятна — 0.296 ммУровень измерения – 86%M2 = 2.1

Длина перетяжки – 10.3 мм

   

Рис.4. Результаты измерения структуры области фокуса лазерного пучка при трех состояниях вариосистемы.Проблема обратного отражения от изделияЕще одна проблема была выявлена при технологическом применении описанной выше вариосистемы, но имеет она совершенно общий характер. Состоит она в том, что при проведении технологической операции имеется какое-то отражение или рассеяние излучения обратно в оптическую систему. Если мощность этого отражения достаточно велика и оно в обратном ходе сфокусируется в области узла вывода излучения в оптическом коннекторе, то там возможен тепловой перегрев и выход узла из строя. В конструкции волоконного лазера имеется защита от обратного излучения, но ее сенсор расположен на входе в лазер и регистрирует только обратное излучение, вошедшее в обратном ходе в транспортное волокно. Как показал опыт, такая защита неидеальна.В процессе лазерной резки в начальный момент времени всегда имеется сильной обратное отражение от неразрушенной поверхности. Но в этом процессе после начала плавления металла поверхность довольно быстро деформируется под действием режущего газа из сопла и затем отражение практически полностью отсутствует. Время этого переходного процесса не превышает десятка миллисекунд и защита лазера настроена так, что она не реагирует на большой сигнал в течении времени порядка 100 мс. Это схема защиты при резке работает надежно.При лазерной сварке, однако, время переходного процесса больше из-за отсутствия газовой струю высокого давления, и к тому же даже в установившихся режимах сварки возможен значительный уровень рассеяния-отражения энергии назад в оптическую систему. Если кинжальность проплавления велика, то есть образуется глубокий парогазовый канал, то обратного отражения почти нет как и при резке, а вот в режимах с малой кинжальностью уровень отражения может быть значителен и кроме того, отражение ведет себя стохастическим образом. Поэтому при лазерной сварке имеющаяся защита может просто не реагировать на случайные пики отражения. Кроме того, из-за ассиметрии индикатриссы отражения основная энергия отражения может вообще не попадать в обратном ходе в волокно, а фокусироваться рядом с выходом.Эффект разрушения коннектора при сварке мы зарегистрировали экспериментально. Он не имел характера резкого разрушения, а скорее сравнительно медленной деградации из-за повышенного тепловыделения в узле. Эффект проанализирован и построена его количественная модель, но надежные меры защиты пока не реализованы.Простая рекомендация – вести сварку с наклонным падением излучения на металл имеет два недостатка а) это не всегда приемлемая схема или она будет сильно усложнять робототехнику управления головкой б) индикатрисса рассеяния может слабо зависеть от положения поверхности, а формироваться с осью вокруг лазерного пучка.Перечень проблем совместимостиВышеизложенный опыт позволяет конкретизировать основные проблемы совместимости, возникающие при создании новых технологических головок для волоконных лазеров (Таблица 1):Таблица 1. Основные проблемы совместимости технологических головок с волоконными лазерами.

Тип совместимости

Требования

Опасность для производителя лазера

Примечание

Стыковка с оптическим кабелем лазера

Стандарт QBH фирмы Optoskand

Критическое место

Ответная часть коннектора QBH должна монтироваться на лазерную головку без возможности демонтажа (например, вклейкой)

По контуру охлаждения

Использование арматуры из нержавеющей стали и полимерных трубок

Принципиально

По величине потерь мощности в системе

Потери 5-6% следует признать предельно допустимыми, желательная величина не более 3%

Не критично для работы лазера

По влиянию на параметр качества

По-видимому, ухудшение значения М2 на 30% следует признать удовлетворительным

Не критично для работы лазера

Принципиально для технологий сварки и резки, для технологий поверхностной модификации — некритично

По наличию обратных отражений

Критерий нужно сформулировать разработчику лазера

Критическое место

По обратным отражениям от детали при обработке

Оптимальный подход к проблеме должен быть обсужден

Критическое место

Принципиально для технологий сварки и наплавки.

По аварийным датчикам

Можно рекомендовать встраивать в головку

1)            1) датчик перегрева корпуса

2)            2) датчик уровня рассеянной от оптических поверхностей мощности

3)            3) датчики механического наезда на препятствия

Повышает уровень надежности. Уменьшает количество нештатных ситуаций.

Важно для пользователя

По управлению и интерфейсам

4)            Пока требования не разработаны и не предполагается подключать головку непосредственно к системе управления лазером

Предполагается, что головка передает аварийные сигналы в систему управления лазерным комплексом и эта система при необходимости умеет отключить лазер.

Кроме проблем, сформулированных в Таблице 1 можно указать на наличие не менее важных вопросов, но они не относятся к области «технической совместимости» и поэтому приведены отдельно.По уровню технологии. Волоконный лазер, несомненно, по качеству исполнения и технических решений – технический объект XXI века, поэтому лазерные головки, создаваемые для этих лазеров, должны также реализовывать технологии нового уровня. Это должно выражаться не только в эффективности технологического процесса, но и в его высокой надежности и стабильности. А последнее, по-видимому, можно обеспечить только на основе адаптивных методов управления. То есть – головки должны быть снабжены набором сенсоров, информирующих о ходе технологического процесса и встроенным цифровым интеллектуальным контроллером с адаптивными алгоритмами управления процессом.По надежности и сроку службы. Ресурс волоконного лазера на настоящее время около 100000 часов. Будет логичным предположить, что ресурс лазерных головок не должен быть существенно меньшим (возможно, за исключением оптических элементов и отдельных сменных позиций). Можно назвать приемлемые значение – 50000 часов и 2 года гарантии.Экономическая совместимость. Пока волоконный лазер является более дорогим объектом, чем классический лазер той же мощности. Хотя эта проблема частично снимается при правильном экономическом расчете окупаемости за счет минимальных затрат на эксплуатацию волоконного лазера и минимизации производственной площади. Тем не менее, окупаемость в основном будет определяться эффективностью (производительностью) технологического процесса, а это в основном определяется изучаемыми в нашей статье объектами – лазерными головками. Процедуры сертификации.Как мы уже отмечали, поставщик волоконных лазеров (на настоящий момент единственный, но в будущем можно предполагать появление новых игроков) заинтересован в появлении новых лазерных головок, но одновременно он должен уметь предъявлять к ним описанные выше требования, чтобы обеспечить не только безаварийную работу оборудования, но и высокую эффективность производственного использования своего лазера. Должна быть изучена юридическая сторона вопроса, имеет ли право поставщик диктовать такие требования, в том числе путем модификации гарантийных обязательств в зависимости от их выполнения.Как должна быть построена возможная процедура сертификации технологических головок, в результате которой головки получают разрешения, рекомендации или дополнительно какие-то ограничения по применению. К примеру, в описанном выше процессе разработки вариоголовки VF001 это процесс проводился в «ручном режиме управления» на основе традиционных процедур. Были проведены несколько экспертиз с оформлением протоколов испытаний и необходимых доработок. Последний протокол содержит запись о допустимости использования вариоголовки VF001 в составе конкретного оборудования. Таким образом, процесс проверок на настоящий момент не завершен до уровня сертификата общего действия. Далее планируется подготовить второй идентичный экземпляр вариоголовки и передать поставщику лазера для более тщательного тестирования при опытной эксплуатации на экспериментальном стенде поставщика. Параллельно начаты системные технологические исследования на оборудовании разработчика, целью которых является исследование технологических возможностей и преимуществ вариосистем перед системами с фиксированным фокусом.Предполагается, что в результате этих работ будет оформлен документ имеющий смысл сертификата о совместимости и вариоголовка будет рекомендована для использования произвольными пользователями. Возможно, что в процессе работ выявятся какие-то дополнительные замечания или проблемы, потребующие решения и модификации конструкции.Общий характер задач.Многообразие процессов лазерной обработки требует разработки совершенно разных по конструкции лазерных головок. Так, многие задачи поверхностной модификации (наплавки, легирования, закалки) требуют реализации функции сканирования лазерного пучка по поверхности и включения в состав головки устройств подачи проволоки или порошкового материала.Задача сканирования успешно решалась при создании оборудования для лазерной маркировки на основе специальных электроприводов – сканеров, обеспечивающих угловое управление лазерными зеркалами. Однако мощности, используемые при лазерной маркировке редко превосходят уровень 20 Вт и поэтому в маркирующем оборудовании использовались минизеркала характерным размером 15 мм.Поэтому еще предстоит проанализировать решения, которые обеспечат режим управляемого сканирования для мощностей излучения от 500 до 2000 Вт (а возможно и выше). Ниже перечислены наши представления о составе набора технологических головок (Таблица 2), понятно, что это базовый набор, необходимый для реализации уже известных технологий, разработка принципиально новых технологий потребует дополнения.Таблица 2. Требования к лазерным головкам для различных типов лазерных технологий.

Технология

Основные требования к технологической головке

Примечание

Лазерная резка

Р=100..3000 Вт

Минимальные потери качества пучка.

Наличие датчика расстояния до детали

Лазерно-кислородная резка больших толщин

Р=1000..3000 Вт

Минимальные потери качества пучка.

Наличие датчика расстояния до детали. Сверхзвуковые сопла высокого давления. Возможно необходима генерация ультразвука в струе.

В США известна как технология «LasOx»

Лазерная сварка

Р=500..20000 Вт

Минимальные потери качества пучка.

Наличие датчика расстояния до детали, желательно индуктивного из-за утечки потенциала через плазму.

Комбинированные сопловые системы, обеспечивающие функции

1)      плазмоподавление

2)      защита шва

3)      защита оптики

Для сварки больших толщин возможно придется вводить аппаратуру колебаний лазерного пучка с амплитудами до 0.5 мм и частотами до сотен герц (обязательная функция при ЭЛС)

Желательно наличие встроенных видесенсоров для наведения на стык

Лазерно- дуговая сварка

Р=1000..20000 Вт

То же ..

и дополнительно дуговой узел либо на основе неплавящегося электрода либо на основе подачи сварочной проволоки

Желательно наличие встроенных видесенсоров для наведения на стык

Лазерная закалка (статический пучок)

Р=300..2000 Вт

Стойкость головки к обратному отражению.

Комбинированные сопловые системы, обеспечивающие функции:

1)      защита нагретого металла от окисления

2)      защита оптики

Для целого ряда задач закалки (например, штамповой оснастки) желательно наличие видеосенсора для автоматического ведения по краю ножа.

Лазерная закалка со сканированием

Р=700..5000 Вт

Стойкость головки к обратному отражению от детали.

Сканирование по одной координате с программируемый законом, амплитуда 0..20 мм, частота до 100 Гц

Комбинированные сопловые системы, обеспечивающие функции:

1)      защита нагретого металла от окисления

2)      защита оптики

Желательно наличие датчиков нагрева поверхности и адаптивного управления процессом закалки.

Лазерная наплавка и легирование

Р=500..2000 Вт

Сканирование по одной или двум координатам с программируемый законом, амплитуда 0..10 мм, частота до 100 Гц

Узлы регулируемой подачи порошка или проволоки.

Комбинированные сопловые системы, обеспечивающие функции:

1)      подачи активной газовой смеси в зону расплава

2)      защита обработанного валика

3)      защита оптики

Желательно наличие датчиков параметров наплавляемого валика и адаптивного управления процессом закалки.

Вопрос о том, в какой мере при создании столь разнородных объектов возможна стандартизация и унификация элементов, пока сам по себе требует изучения. К примеру, требования к головкам для сварки и резки подобны, поэтому они конструктивно могут отличаться только сопловой частью. Если же процесс сварки для исключения корневых дефектов потребует применения колебаний пучка, то для сварочной головки придется синтезировать иную схему.Для описанной выше вариоголовки VF001 мы разработали два варианта сопловой части – для резки VF001C и для сварки VF001W. Более того, были проведены эксперименты по использованию головки VF001W для поверхностной закалки. За счет возможности гибкого управления параметрами пучка мы фокусировали пучок в пятно диаметром 2.5 мм на расстоянии 80 мм от вариосистемы (см. рис.5) и получили уникальные результаты по закалке, которые требуют еще своего осмысления – а именно, общий коэффициент поглощения энергии составил аномальную величину почти 70%, а энергетическая эффективность закалки (в расчете от розетки) оказалась в 20..30 раз выше, чем при закалке СО2-лазером.С другой стороны, процесс поверхностной модификации не требует высокого качества оптической системы и можно разработать упрощенную вариосистему с меньшим количеством оптических элементов. Но при этом технологи иногда будут требовать обеспечения равномерных распределений плотности мощности в лазерном пучке для получения однородности закалки по глубине дорожки.Что касается самого принципа вариосистемы, а именно – всегда ли оправдано ее применение, или каков оптимальный объем ее использования, то этот вопрос тоже еще нуждается в детальном, в том числе экспериментальном, изучении. Вариосистема является чрезвычайно удобным инструментом для проведения исследований и отработки технологии, а также полезна и эффективна там, где имеется большой диапазон толщин и марок материалов. Если же лазерный комплекс предназначен для решения одной типовой задачи и технологический процесс фиксирован, то оптимальным является использование более простых оптических систем, подробных линейкам головок для резки фирм OptoSkand или AlabamaLaser Для сканирующих систем необходимы электромеханические компоненты (сканеры) с увеличенным размером поворотных зеркал. Таковых серийных компонент на рынке нет и потребуется их разработка. Можно также использовать опыт разработок таких компонент для мощных СО2-лазеров. На рис.6. показано зеркало с электронным управлением по двум координатам со световым диаметром 30 мм и охлаждением зеркала водой, разработанное для использования с СО2-лазерами мощностью до 10 кВт. Зеркало обеспечивает частоты до 100 Гц при угловых амплитудах около 6 град. Габариты устройства могут быть существенно уменьшены за счет применения новых современных магнитных материалов.Еще один аспект, который может усложнить модельные ряды, заключается в том, что для целого ряда задач технологические головки целесообразно устанавливать на руку (манипулятор) промышленных роботов. Это может накладывать определенные массогабаритные ограничения.

 

Рис.5. Процесс закалки детали насоса волоконным лазером с использованием вариосистемы VF001W

 

Рис. 6. Двухкоординатный сканер лазерного пучка с водоохлаждаемым зеркалом. Проблема многопостовых участков.В заключении обсудим еще одну важную проблему, связанную с проблемой стыковки волоконного лазера с технологическими головками, а именно вопрос о возможности многопостовых технологических участков, где излучение одного волоконного лазера может использоваться на нескольких технологических постах.Такой подход экономически целесообразен при малых сериях продукции и необходимости реализовывать целых ряд разнородных технологических операций.С одной стороны, казалось бы, волоконный лазер идеально приспособлен для такой организации, так как излучение передается по оптическому кабелю, который может быть по своим свойствам (гибкость) оперативно перемещен с поста на пост. Однако производитель волоконного лазера производить такую операцию категорически запрещает, причем запрет выражается в пломбировании пристыкованного к головке оптического коннектора. Причина этого запрета состоит в том, что область вывода излучения из кварцевого волокна должна быть идеально защищена от пыли, а при перемещении коннектора даже в лабораторных условиях есть вероятность «поймать» пылинку в активную зону, которая при сгорании станет центром разрушения просветляющего покрытия, и как следствие – причиной разрушения оптического тракта. При инсталляции лазера поставщик проводит проверку чистоты и необходимую очистку выходной поверхности, выполняет стыковку коннектора и пломбирование и только в таком случае согласен нести гарантийные обязательства. Системных решений может быть три.1) Использование специальной аппаратуры разветвления оптического канала. В этом случае лазер подключается волокном к специальному блоку переключения, имеющему несколько выходов, которые затем по своим оптическим кабелям подключаются к головкам на технологических постах. Переключение происходит по сигналу системы управления, то есть может быть автоматическим и это потенциально может обеспечивать режим гибкого разделения лазерной энергии между постами. Проблемы здесь две – такое устройство довольно дорого и составляет до 10-15% стоимости самого волоконного лазера, но вторая проблема более болезненная, переключение ухудшает яркость пучка, так как выходное волокно должно быть примерно в два раза толще подводящего. Поэтому решение не оптимально для сварки или резки, но может быть эффективно использовано для технологий поверхностной модификации.2) Применение двухмодульных технологических головок, состоящих из первой части, которая жестко и постоянно пристыкована к оптическому волокну и содержит часть формирующей оптики, например, коллиматор для преобразования лазерного пучка в параллельный и выходной фокусирующей части, индивидуальной для каждого поста и технологического процесса. В этом случае зона выхода волокна надежно защищена герметической зоной в первой части и переключение не представляет опасности для оптического кабеля.3) Разработка специальной конструкции стыковочной части, возможно, содержащей в своем составе коннектор QBH, которая может отсоединяться от головки с сохранением герметичности при отстыковке. Варианты 2) 3) налагают свои дополнительные требования на конструкцию лазерных головок.ВЫВОДЫ1. Существует комплекс проблем совместимости лазерных технологических головок с волоконными лазерами.2. Возникающие проблемы иллюстрируются на примере разработки и доработки вариоголовки VF001.3. Для успешного продвижения в промышленности волоконных лазеров необходимо разработать и реализовать процедуру сертификации лазерных головок.4. Задача разработки оптимальной линейки технологических головок является многофакторной и при ее решении должны приниматься во внимание как требования технологии (сформулированные в статье), так и требования совместимости с волоконными лазерами (тоже в статье обсуждаемые). ЛИТЕРАТУРА1. А.И. Скрипченко, В.М.Медвецкий, В.О.Попов. Так закалялась сталь или тестирование процесса закалки сталей излучением волоконных лазеров. – РИТМ, №29, октябрь, 2007 г., с 52-53.

2. http://www.optoskand.se/