Лазерный мир

Настраиваемое качество излучения позволяет оптимизировать резку тонкого и толстого металла

На рынке резки листового металла преобладают волоконные лазеры из-за их непревзойденной комбинации производительности, точности и рентабельности. Волоконные лазеры в диапазоне 2-6 кВт стали рабочими лошадками для многих производственных мастерских по изготовлению, предлагая более быструю и точную резку тонкого металла, чем традиционные технологии резки, такие как CO2-лазерная и плазменная резка. Однако многие системы на базе волоконного лазера предназначены для резки ограниченного диапазона толщины металла. В частности, небольшой, плотно сфокусированный лазерный луч обеспечивает самые быстрые скорости резки для тонких толщин, но для более толстых пластин этот небольшой диаметр луча в фокусе имеет значительные ограничения по качеству и максимальной толщине листа. В качестве альтернативы, более крупный диаметр луча может улучшить качество кромок для толстой пластины из-за более широкого реза, но с существенной потери скорости для резки тонкого листа.
Крупные цеха по изготовлению могут приобрести несколько волоконно-оптических лазерных станков, где каждый станок предназначен для резки определенного диапазона толщины: маломощная система для легких толщин и более мощная система для более толстой пластины. Меньшие производственные цеха, которые полагаются на один станок для резки всего спектра металлов, будут иметь более низкую производительность, если они ограничены одним размером пятна, особенно если они имеют разнообразные толщины для резки. Эти цеха обычно меняют фокусирующую линзу в режущей головке, чтобы лучше оптимизировать размер лазерного пятна для данного задания. Каждое изменение объектива приводит к потере производительности, когда лазер не режет, и есть риск загрязнить объектив и режущую головку, что может привести к катастрофическому сбою и значительным затратам на ремонт и простой.
Возможность автоматической настройки размера пятна лазера значительно расширила область применения, производительность и окно процесса волоконных лазеров. Большинство существующих подходов подразумевают наличие моторизованной пространственной оптики пространства. Примеры включают в себя режущие головки с переменным фокусным расстоянием, коннекторы типа волокно-волокно или волоконно-оптические коммутаторы пространство-волокно, которые переключают выход в 2-4 разных выхода, связанных с независимыми технологическими волокнами. Такие оптические подходы в свободном пространстве влекут за собой значительную стоимость и сложность и могут ухудшить производительность и надежность инструмента. Они чувствительны к несоосности, загрязнению и условиям окружающей среды (температура, вибрация), вносят энергетическую зависимость (термическое линзирование) и оптические потери и / или имеют медленную скорость переключения. Головки с переменным фокусным расстоянием,, которые оснащены моторизованной линзой в головке, больше и тяжелее стандартных режущих головок, что приводит к уменьшению ускорения и предъявлению дополнительных требований к портальной конструкции и моторам. Конструкторы инструментов, применяющие эти подходы, должны осуществить оптимизацию по затратам, производительности и надежности для своих клиентов (конечных пользователей).
Отсутствие перестройки размера пятна от существующих лазерных источников приводит к тому, что интеграторы станков и предприятия по изготовлению могут выбирать между гибкостью на рабочем месте и эффективностью и надежностью инструмента. Этот компромисс повышает затраты и уменьшает достигаемую производительность.

ПРОРЫВ В ВОЛОКОННЫХ ЛАЗЕРАХ
Компания nLIGHT разработала новую технологию волоконных лазеров (Corona), которая обеспечивает быструю настройку размера пятна волоконного лазера непосредственно из подающего волокна в диапазоне более 3X без каких-либо недостатков. Кроме того, волоконные лазеры Corona обеспечивают формы профиля излучения, которые показали улучшенное качество резки для различных металлов, в том числе flat-top (плоское распределение) и donut (кольцевое распределение). Волоконные лазеры Corona мощностью 4 кВт обеспечивают значительно улучшенные характеристики, по сравнению с обычными волоконными лазерами, для резки листового металла из мягкой стали, нержавеющей стали, алюминия и меди толщиной до 1 дюйма, что позволяет разрабатывать универсальные инструменты для оптимизации резки для широкого диапазона толщин металла.
Выходной луч волоконного лазера Corona непрерывно настраивается между ~ 100 мкм и ~ 300 мкм. Для облегчения оптимизации процесса предоставляется фиксированное количество настроек (значения Индекса). РИСУНОК 1 показывает диаметры выходного пучка, значения параметра пучка (BPP) и формы луча лазера Corona с шестью настройками индекса.

РИСУНОК 1. Диаметры лучей для лазера Corona длиной 4 кВт с шестью настройками индекса.

Нижние изображения показывают соответствующие пространственные профили ближнего поля (то есть, форма луча вблизи фокуса ниже режущей головки), зафиксированный с помощью CMOS-камеры. Значения BPP приведены ниже изображений луча.

Как видно из изображений пучка, показанных на Рис. 1, подающее волокно разделяется на зоны, которые направляют лазерный луч. Многие различные конструкции волокон Corona позволяют реализовывать широкий спектр применений. В конструкции, показанной на Рис. 1, питающее волокно состоит из центрального сердечника 100 мкм, окруженного двумя кольцевыми направляющими областями с диаметром 200 и 300 мкм. Диаметр луча и форма луча настраиваются путем изменения разбиения мощности лазера в эти три направляющие области. Критическая и беспрецедентная особенность Corona заключается в том, что эта настройка формы луча выполняется в пределах волокна и без внешней пространственной оптики, тем самым сохраняя все преимущества оптических волокон, лазера, производительности, эффективности и надежности. Полная мощность лазера доступна при каждой настройке индекса.
Дополнительным преимуществом Corona является то, что настройка луча очень быстрая, с временем перехода от наименьшего до наибольшего диаметра <30 мс. Волоконный лазер продолжает работать при полной мощности во время смены Индекса, без необходимости выключать лазер при изменении формы луча. Быстрая настройка Corona позволяет использовать оптимальные характеристики луча для каждого этапа процесса резания, а не только для резки различных материалов или толщины. Например, различные параметры Индекса могут использоваться во время последовательности прошивки (piercing, пирсинг) и резки или во время прямой резки и поворота.

РИСУНОК 2. Сравнение кислородной резки мягкой стали с использованием стандартного волоконно-оптического лазера 4 кВт с питающим волокном 100 мкм и волоконного лазера Corona мощностью 4 кВт (а), где верхний график показывает скорость резки, а нижний график показывает измеренные значения шероховатости кромки; фотографии показывают качество кромок, с изображениями луча, представленными выше или ниже каждой фотографии (b).

ПОКАЗАТЕЛИ РЕЗКИ МЕТАЛЛОВ
На общем рынке резки металла, включая лазерную резку, преобладают толстые листы из мягкой стали (MS, низко-углеродистая сталь). Лазер Corona обеспечивает уникальные преимущества по качеству кромок и максимальной толщине для резки MS по сравнению с другими лазерными системами. На Рис. 2 показаны фотографии реза MS с использованием стандартного волоконно-оптического лазера 4 кВт с питающим волокном 100 мкм и волоконным лазером Corona 4 кВт. Для всех испытаний использовалась фиксированная оптическая режущая головка с 1,5-кратным увеличением, а вспомогательный газ — кислород. Оптимальная форма луча Corona показана для каждого случая, а скорость резания и шероховатость измеренной поверхности представлены на графике.

Основные наблюдения:
• Для самого тонкого образца (0,25 дюйма) оптимальный диаметр луча Corona составляет 100 мкм. Скорость резания и качество кромки реза аналогичны для двух волоконных лазеров, как и ожидалось, поскольку лазеры имеют одинаковый размер пятна и BPP в этой настройке Corona.
• Для более толстых образцов волоконный лазер Corona обеспечивает значительно лучшее качество кромок, при этом шероховатость уменьшается на 3 раза. Оптимальный диаметр луча Corona составляет > 100 мкм для этих образцов.
• Максимальная толщина, обеспечивающая приемлемое падение характеристик , составляет 0,75 дюйма для стандартного волоконного лазера. Волоконный лазер Corona значительно расширяет диапазон до 1 дюйма толщиной с отличным качеством.
• Шероховатость деталей, вырезанных с помощью волоконного лазера Corona, имеет гораздо меньшую зависимость от толщины, чем детали, вырезанные стандартным волоконным лазером. Измеренная шероховатость для 1 дюйм MS, вырезанная с помощью Corona, даже меньше, чем у 0,5 дюйма MS, вырезанная стандартным волоконным лазером. Это высокое качество кромки реза уменьшает или устраняет необходимость в дорогостоящих и трудоемких этапах последующей обработки.
• Скорость резания лазерного луча Corona равна или немного быстрее (~ 5%), чем у стандартного волоконного лазера.

Рис. 3 показывает крупномасштабные фотографии кромки реза 1 дюйма MS, вырезанные стандартным волоконным лазером и лазерным лучом Corona. Грат на металлическом разрезе с помощью стандартного волоконного лазера не позволяет выпадение детали из отхода, в то время как образец, разрезанный с помощью волоконного лазера Corona, демонстрирует стабильное выпадение. Это значительное улучшение имеет важное значение для обеспечения автоматизации производства и непрерывной работы, что являются ключевыми тенденциями в стремлении снизить производственные издержки. В дополнение к уменьшенной шероховатости лучшая прямолинейность и перпендикулярность кромки, показанные на Рис. 3, имеют решающее значение для таких применений, как сварка.

Рисунок 3. Сравнение кислородной резки 1-дюймовой мягкой стали со стандартным волоконно-оптическим лазером 4 кВт (a) и 4-кВт волоконным лазером Corona (b); с волоконным лазером Corona, шероховатость ниже в три раза, кромка значительно прямее, а перпендикулярность значительно улучшается. Волоконный лазер Corona обеспечивает стабильные характеристики выпадения детали, тогда как для обычного волоконный лазер так не происходит из-за грата на нижнем краю детали и вогнутой формы края.

Важно отметить, что преимущества качества кромки и диапазона толщин, обеспечиваемые волоконным лазером Corona, не влекут за собой падение скорости (Рис 2), а режущий инструмент использует стандартную режущую головку с фиксированной оптикой. Эта бескомпромиссная производительность недостижима с любой другой технологией и основана на уникальном, полностью волоконном дизайне Corona.
Чтобы продемонстрировать стабильность процесса резания с использованием волоконного лазера Corona, мы создали сложные формы с малоразмерными деталями для вырезания. Рис. 4 показывает деталь 1 дюйм MS с очень узким резом (0,110 дюйма). Даже при этом узкой резе шероховатость и перпендикулярность краев превосходны, без каких-либо признаков прогаров на противоположной стороне. Перестраиваемый размер и форма луча волоконного лазера Corona позволяет обеспечить соответствующее высокое значение коэффициента формы деталей, а также небольших отверстий и точных углов на толстой пластине MS.

РИСУНОК 4. Узкие элементы с высоким соотношением сторон в представленных деталях, вырезанных из мягкой стальной пластины с 4-кратным коронарным лазером; узкая полоса шириной 0,110 дюйма и толщиной 1 дюйм.

Мы также исследовали резку мягкой стали , нержавеющей стали, алюминия и меди с использованием волоконно-оптического лазера Corona длиной 4 кВт в среде азота. В большинстве случаев наименьшая настройка Индекса обеспечивает максимальную производительность, скорость резания и качества кромки аналогичны стандартным волоконно-оптическим лазером 4 кВт. Этот результат ожидаем, потому что Индекс 0 обеспечивает наивысшую плотность мощности на заготовке. Тем не менее, для резки азотом некоторых более толстых материалов более высокие настройки Индекса обеспечивают лучшее качество кромок для некоторых приложений со снижением в скорости из-за меньшей плотности мощности. В этих случаях оптимальная настройка Индекса зависит от приложения, а Corona позволяет интегратору станка или конечному пользователю адаптировать характеристики кромки к приложению.

НАДЕЖНОСТЬ
Все волоконные лазеры nLIGHT включают надежную аппаратную защиту от обратных отражений от детали, что обеспечивает беспрерывную обработку материалов с высокой отражающей способностью. Corona сохраняет эту высокую устойчивость к обратному отражению, а волоконные лазеры Corona используются для резки и сварки меди и других отражающих материалов.
Мы охарактеризовали время жизни Corona в ускоренных тестах на срок службы. Волоконный лазер Corona подвергался циклическому переключению через его настройки Индекса с интервалом 100 мс при каждой настройке, и диаметр луча измерялся периодически, чтобы искать дрейф или ухудшение характеристик. Более 13,4 млн. смены Индекса, диаметр луча для всех настроек Индекса остался в пределах 4% без каких-либо систематических изменений или дрейфа. Т.о., лазеры Corona обеспечивают длительный срок службы и не требующие обслуживания показатели, характерные для высокопроизводительных волоконных лазеров.
Волоконный лазер Corona представляет собой значительный прогресс по сравнению со стандартными волоконными лазерами и превосходит предыдущие технологии для обеспечения настраиваемого качества луча с преимуществами, которые включают:
• Инновационная, полностью волоконная конструкция устраняет все недостатки производительности и надежности, связанные с внешней пространственной оптикой.
• Волоконный лазер Corona устраняет необходимость использования внешних волоконно-оптических соединителей и переключателей, моторизованной оптики или устройств изменения фокусног расстояния в головке.
• Переключение происходит очень быстро (<30 мс), и лазер может работать при полной мощности при изменении формы луча.
• Не требуется обслуживания или калибровки, даже после того, как Индексы изменяются миллионы раз, сохраняя длительный срок службы волоконного лазера.
• Добавление Corona не увеличивает потребление энергии, не снижает эффективность или не увеличивает требования к размеру, весу или наладке волоконного лазера.
• Лазерная платформа Corona для волоконной оптики имеет широкую применимость. Она применима ко многим другим размерам луча, формам, расходимости и к другим уровням мощности лазера.

Сегодня настраиваемое качество луча Corona позволяет разрабатывать универсальные инструменты для оптимизации резки широкого диапазона металлов и толщин. Job shop или фабрика больше не вынуждены выбирать между компромиссной производительностью, закупкой нескольких инструментов и / или использованием сложных, дорогих и хрупких оптических технологий внешней пространственной оптики.

Перевод: https://www.industrial-lasers.com/articles/print/volume-33/issue-5/features/fiber-laser-technology-improves-metal-cutting.html