Технологии обработки волокоными лазерами — Электросберегающие технологии

Мощные волоконные лазеры уже прочно зарекомендовали себя как чрезвычайно перспективный источник лазерного излучения для промышленных применений. В то же время спектр серийных технологических головок для выполнения различных операций пока ограничен – пользователю доступны простейшие системы, основанные на схеме – коллиматор, обычно – кварцевый дуплет и фокусирующая линза.

В настоящей работе описаны результаты разнопланового тестирования новой для данного применения оптической схемы с перестраиваемым фокусным расстоянием [1]. Конструкция системы приведена на рис.1. и образована двумя подвижными оптическими блоками – положительным из трех кварцевых линз и отрицательным из двух менисков и финишной фокусирующей линзы. Два подвижных блока представляют собой перестраиваемый колимматор. За счет независимого программного управления положениями блоков система позволяет перестраивать относительное фокусное расстояние системы в диапазоне около х2.6 и управлять положением фокуса относительно среза технологической головки (например, относительно среза режущего сопла). Многолинзовая система потребовалась для компенсации аберраций во всем диапазоне перестройки фокусного расстояния и число линз может быть сокращено до четырех только при использовании хотя бы одной асферической поверхности.Внешний вид системы приведен на рис.2.Тестирование проводилось для выяснения следующих аспектов:• Проверка реального качества передачи яркости лазерного пучка.• Оценка технологических преимуществ перестраиваемых систем (вариосистем)• Оценка предельных значений передаваемой мощности (лучевая стойкость и наведенные термолинзы)Качество передачи яркости тестировалось путем измерения значения M2 на входе и выходе системы для разных фокусных расстояний с использованием прибора _______. На рис.3 приведены результаты измерения при использовании источника в виде волоконного лазера с M2=2.2. Результаты свидетельствуют, что в пределах ошибки измерения параметра система не ухудшает яркостные характеристики пучка.Технологические возможности тестировались для следующих применений – резка сварка и термическая обработка с использованием маломодового волоконного лазера ЛС-07 с мощностью пучка 700 Вт. Для всех этих тестов были разработаны различные технологические сопловые насадки, которые устанавливались на систему с использованием принципа магнитного подвеса. В короткофокусных настойках система показала возможность резки стали и алюминиевых сплавов толщиной до 4 мм с шириной реза 0.1..0.14 мм.Сварка стали и титановых сплавов возможна почти во всем диапазоне перестройки, причем появляется возможность в значительной мере управлять шириной сварного валика [2].Уникальные возможности перестраиваемая система показала при проведения операций поверхностной закалки [3] – за счет возможности управления положением фокуса – чисто программным способом можно было менять размеры пятна нагрева от долей миллиметра до 3..4 мм, тем самым позволяя реализовывать широкий спектр процессов поверхностной модификации.Оценка по предельным характеристикам проводилась путем измерения потерь мощности в системе и экспериментальной оценкой возникновения эффекта термических линз. Дополнительно были выполнены численные оценки для используемого материала (кварц КУ-1) по аналитическим формулам из обзора [4]. Общие потери мощности в системе не превышали 6%, что нельзя признать удовлетворительным, но в основном эти избыточные потери обусловлены неидеальным качеством просветления, об этом же говорит и отсутствие экспериментально регистрируемых термических нелинейных деформаций пучка. Теоретические расчеты показали, что система может быть работоспособна до уровней мощности 2..2.4 кВт.ВЫВОДЫ1. Разработана и успешно протестирована новая перестраиваемая оптическая система для лазерной обработки волоконными лазерами2. Использование одной универсальной вариосистемы со сменными технологическими насадками на магнитном подвесе позволяет реализовывать весь базовый спектр лазерных технологических операций без смены оптики. 1. Патент2. Сварка3. Закалка4. Г.Б.Альтшулер, М.В.Иночкин. «Нелинейные линзы и их применения» — УФН, т.163, №7, Июль, 1993 г.

К.т.н. Скрипченко А.И.