Лазерный мир

Чтобы вести речь об особенностях и преимуществах различных типов источников и их конструкций, необходимо упомянуть базовые принципы их работы. Начнем с более подробного рассмотрения CO2-технологии и принципа работы CO2-источника излучения (рис.1). Первоначально в герметичную трубку или корпус закачивается газ – активная среда, представляющая собой трехкомпонентную смесь газов в пропорции, установленной производителем: CO2: N2: He. В случае с установками компании Mitsubishi Electric в смесь дополнительно включается газ CO. При любом конструктивном исполнении резонатора смесь газов находится между электродами. При включении лазера, под действием высокого напряжения, возникающего между электродами, электроны соударяются с молекулами N2, увеличивая амплитуду их осцилляций. За счет столкновения молекул N2 и CO2 между собой молекулы CO2 возбуждаются, что в свою очередь приводит к эмиссии фотонов с длиной волны 10,6 мкм. Входящий в газовую смесь газ CO служит для сохранения качества смеси. Далее фотоны, многократно отражаясь между непрозрачным (TR – TotalReflective) и полупрозрачным (PR – PartialReflective) зеркалом, усиливая процессы испускания фотонов в активной среде, создают генерацию излучения. И как только луч набирает достаточную мощность, он преодолевает полупрозрачное зеркало и, проходя систему зеркал резонатора, по оптическому тракту попадает в режущую головку [1, 2]. По способу и направлению прокачки газа CO2-резонаторы разделяют на два подтипа. Первый – это коаксиальный, высокоскоростной резонатор, его широко применяют разные производители в индивидуальных конструкциях. В нем прокачка лазерного газа осуществляется вдоль оптической оси (рис.2).

Характерный недостаток этой конструкции – сильный нагрев газа в процессе его прохождения вдоль оптической оси, что в свою очередь сказывается на качестве излучения. Решением данной проблемы, помимо использования теплообменника, является применение высокоскоростной турбины, которая значительно увеличивает скорость прокачки газа, не позволяя ему нагреваться. Приблизительная скорость циркуляции газа составляет 200 м/с, что снижает стабильность параметров излучения. При этом возникает вопрос о длительности ресурса этого дорогостоящего турбинного нагнетателя и стоимости его замены. По утверждению производителей, ресурс турбины составляет не более 20 000 часов, что соответствует 5 годам срока эксплуатации оборудования при работе в две смены по 8 часов, а стоимость ее замены составит 25 000–35000 евро. Стоит отметить, что резонаторы такого типа в своей конструкции содержат стеклянные трубки, внутри которых циркулирует газ. Трубки подвержены постепенному перегреву и потере цилиндрической формы, что приводит к необходимости их замены и простою оборудования. Следует принять во внимание и количество зеркал, используемых в резонаторе. От данного параметра зависит стоимость и сложность его обслуживания. В зависимости от конкретного производителя и мощности резонатора, в конструкции содержится от 7 до 24 зеркал. Выбирая мощность коаксиального резонатора, необходимо знать, что в некоторых конструкциях ее увеличение обусловлено увеличением количества зеркал. Напряжение в таких резонаторах обычно передается от нескольких электродов, которые необходимо менять согласно регламенту обслуживания.

Второй подтип – трехосевой резонатор с поперечной прокачкой лазерного газа – Cross-Flow (рис.3). В данном случае газ прокачивается поперек оптической оси, проходя через теплообменник и четыре вентилятора, которые попарно прокачивают газ в противоположных направлениях, исключая искажение направления оптической оси. Разряд подается перпендикулярно потоку газа и оптической оси, таким образом, конструкция резонатора приобретает трех осевую направленность.

Такая конструкция позволяет работать при скорости циркуляции газа 10 м/с, не требуя высокой скорости его прокачки. Это, в свою очередь, увеличивает стабильность излучения и исключает необходимость применения дорогостоящей турбины и большого количества зеркал – в резонаторе содержится всего пять зеркал. Наличие одного керамического электрода, который, согласно регламенту, не требует замены, а только обслуживания, позволяет говорить о еще большей экономии средств. Также одноэлектродная система возбуждения ведет к сокращению потребления электроэнергии при отключении лазера, за счет подачи разряда только в требуемый момент времени. При таком принципе работы создается импульс излучения прямоугольной формы и пиковая мощность поддерживается продолжительное время. Это позволяет минимизировать температурное влияние на металл. У других производителей форма импульса треугольная и характеризуется резкими спадами мощности.

Помимо сказанного, отметим, что данная конструкция подразумевает закачку газа в герметичный корпус. Тогда обеспечивается минимальное потребление лазерного газа – 1–3 л/ч. В этом отличие от коаксиального резонатора, где подкачка газа происходит в течение всего времени работы резонатора, и соответственно потребление газа достигает 10–20 л/ч.

Возвращаясь к вопросу о составе смеси газа для резонатора Cross-Flow, еще отметим, что и здесь для клиента есть возможность экономии средств. Самой дорогой составляющей смеси лазерного газа является гелий (He). Для резонатора Mitsubishi Electric долевое содержание этого элемента составляет 28%, в то время как у других производителей его доля составляет от 60 до 80%, что свидетельствует о меньшей стоимости 1 баллона лазерного газа для резонатора Cross-Flow.

Все перечисленные достоинства позволяют говорить о высокой надежности резонатора Cross-Flow производства Mitsubishi Electric и о низкой стоимости его обслуживания. Известно, что она в 2–3 раза ниже стоимости обслуживания CO2-лазера аналогичной мощности любого другого производителя (рис.4, 5).

Сегодня многие производители говорят о том, что не существует идеального источника для всех задач лазерной резки. Каждый источник имеет свое применение, и эта точка зрения, безусловно, вызывает солидарность. Однако наличие в индустриальной лазерной системе резонатора Cross-Flow позволяет говорить о ее широком применении для резки различных металлов, имеющих разную толщину.

Выбирая твердотельный источник излучения, пользователь часто аргументирует свой выбор задекларированными во всех источниках преимуществами этой технологии: стоимостью обслуживания и его простотой, высокой производительностью, толерантностью к светоотражающим материалам, низкими эксплуатационными затратами.

Но так ли явно и всегда ли выражаются эти преимущества в сравнении с применением CO2-технологии и, в частности, Cross-Flow? Для того чтобы действительно разобраться в этом, необходимо ознакомиться с особенностями твердотельных резонаторов. Основными твердотельными источниками, которые получили широкое промышленное применение, являются: стержневой YAG-, дисковый и волоконный лазеры, их основное отличие – активная среда. Постараемся рассмотреть все аспекты, по которым эти конструкции отличаются друг от друга, и сопоставим их с СО2-лазером с резонатором Cross-Flow.

Первоначально на рынке появился YAG-лазер, где в качестве активной среды использован стержень алюмоиттриевого граната цилиндрической формы, а источником накачки служит высокомощная лампа, реже – диоды накачки. В конструкции по-прежнему присутствуют зеркала. Но основным недостатком, ограничивающим полноценное промышленное применение этого источника, всегда являлась нестабильность качества излучения и его ограничение по мощности из-за возникновения эффекта тепловой линзы. Дело в том, что стержень в резонаторе этого лазера располагается между лампами накачки вдоль оптической оси и подвержен постоянному внешнему и внутреннему нагреву. Охлаждение стержня производится только через его внешнюю поверхность. Таким образом, он подвержен температурным деформациям и принимает эллиптическую форму, если лампа накачки расположена с одной стороны, или форму двойного эллипса, если энергия накачки действует на стержень с двух сторон. Все это приводит к ухудшению качества лазерного излучения и требует дорогостоящего обслуживания. Проблема охлаждения была решена изменением геометрии активной среды твердотельного YAG-лазера. Таким образом, появились два современных варианта твердотельного источника: дисковый резонатор (увеличен диаметр стержня и уменьшена его длина) и волоконный резонатор (уменьшен диаметр, но увеличена длина активной среды). Эти два варианта стали решением вопроса охлаждения активной среды.

В дисковом резонаторе в качестве активной среды применяется кристалл в форме диска, а в качестве элементов, выделяющих энергию накачки, – диодные линейки. Охлаждается диск через площадь поверхности благодаря покрытию с высокими отражающими свойствами или через теплоотводящий элемент. Длина волны такого лазера приблизительно 1,064 мкм. Одним из недостатков источника излучения такого типа является наличие зеркал в конструкции резонатора, что ставит под вопрос значительную простоту в обслуживании и его меньшую стоимость в сравнении с резонатором Cross-Flow.

Волоконный лазер представляет собой активную среду в виде оптического волокна, легированного редкоземельными элементами. В качестве элементов накачки используются одиночные лазерные диоды. В такой конструкции резонатора полностью отсутствуют оптические элементы, а функцию отражения постороннего излучения внутри активного волокна выполняют брэгговские решетки. Длина волны волоконного источника приблизительно равна 1,07 мкм.

Не будем останавливаться на сравнении двух последних видов твердотельных источников лазерного излучения между собой, выделении их преимуществ и недостатков по отношению друг к другу. В данном случае мы говорим только об их общем участии в применимости твердотельной технологии в сравнении с CO2-технологией Mitsubishi Electric, и ее соответствии всем требованиям пользователя. Вернемся к тем аспектам, на которые клиент обращает внимание, выбирая лазерную установку, и подробно проанализируем каждый из них.

Начнем с наименее значимого отличия для нашего рынка – это безопасность эксплуатации. В данном случае основной аспект, влияющий на нее, – это длина волны излучения. При λ≈1 мкм, излучение находится в ближнем ИК-диапазоне спектра. Такое излучение негативно воздействует на зрение человека, поэтому при поставке лазерных установок с твердотельными источниками излучения производители оборудования, зарекомендовавшие себя как обеспечивающие все условия безопасности работы персонала, обязательно устанавливают защитные стекла для визуализации зоны резки. Кабина станка накрывается крышей, обеспечивая полную защиту оператора во время работы. СO2-источники более безопасны, так как в данном случае рабочая длина волны в 10,6 мкм находится в дальней ИК-области спектра. Рабочая зона таких установок обычно также защищена со всех сторон кожухами, но уже без крыши и специальных защитных стекол.

Необходимо подчеркнуть действительно неоспоримые достоинства дискового и волоконного лазеров в лазерной резке. Одно из них – низкое потребление электроэнергии установкой за счет более высокого КПД лазера, что снижает эксплуатационные расходы. Это преимущество неоспоримо. Например, у дискового резонатора КПД достигает 25%, у волоконного – 25–30%, в то время как у CO2-лазера КПД составляет 10–12%.

Вторым преимуществом является устойчивость дисковых и волоконных резонаторов к обработке материалов с высоким коэффициентом отражения, таких как латунь и медь. Однако полное использование этого преимущества возможно только в ситуациях, когда существует постоянная потребность в обработке именно этих материалов. В противном случае, когда клиентам необходимо обрабатывать эти материалы с толщиной до 3 мм и в небольших объемах. Названные преимущества исчезают, так как в этом диапазоне могут работать и CO2-лазеры, но с учетом дополнительной подготовки поверхности обрабатываемого металла.

Говоря о простоте и стоимости обслуживания, необходимо аккуратно подходить к сравнению этих двух технологий. Изначально надо принять тот факт, что лазерные установки с CO2-резонаторами производятся уже более 30 лет. Они эволюционировали в цене и уровне производительности. Уже достоверно известна стоимость их регламентного обслуживания и достаточно точные ресурсы работы основных компонентов. С другой стороны, технологии с их использованием твердотельных источников развиваются лишь последние 5–6 лет, соответственно, лазерные установки с такими резонаторами проработали сравнительно недолгое время. Регламентировать конкретный ресурс компонентов, а соответственно и итоговую стоимость обслуживания таких резонаторов, довольно сложно. Предположительно, стоимость обслуживания коаксиального высокоскоростного резонатора любого производителя аналогичной по мощности установки действительно будет выше стоимости обслуживания рассматриваемых твердотельных источников ввиду необходимости в очистке и замене большого количества зеркал, стеклянных трубок, электродов, а главное – замене турбины по окончании определенного ресурса.

Если смотреть более подробно, то в парном сравнении каждого твердотельного источника с аналогичным по мощности CO2-источником результат будет разным ввиду характерных особенностей дискового и волоконного резонаторов. Например, в дисковом резонаторе присутствуют зеркала, которые по-прежнему необходимо обслуживать и периодически менять. В волоконном резонаторе их нет. Также заметим, что в волоконном и дисковом лазерах используются разные элементы накачки энергии. У дисковых лазеров элементами накачки являются диодные линейки, у волоконных – одиночные диоды, которые также имеют разный заявленный ресурс работы. Но ключевым плюсом этих технологий по отношению к CO2-лазерам все же является отсутствие оптической системы передачи луча в режущую головку. Вместо этого используется волоконный кабель. Но если сравнивать эти технологии с CO2 Cross-Flow, то это сравнение несет противоположный знак, так как эта конструкция резонатора исключает все вышеописанные сложности обслуживания, кроме обслуживания тракта и затраты на замену комплектующих. Этот вывод сделан на основе уже имеющейся первичной практики, полученной компанией Mitsubishi Electric при обслуживании CO2- и волоконных лазерных установок, сравнимых по мощности. Поэтому резкое суждение о том, что стоимость обслуживания твердотельного источника ниже, чем стоимость обслуживания CO2-лазера Cross-Flow, спорно.

Возвращаясь к разговору об оптическом тракте, отметим, что в СО2-лазерах при передаче излучения в режущую головку их необходимо продувать вспомогательным газом. Для установок мощностью до 4 кВт в качестве продувочного газа применяют воздух, в лазерах мощностью выше 4 кВт – азот. Это дополнительные эксплуатационные затраты. В то же время как в твердотельных источниках азот используется в абсолютно небольших количествах только для продувки оптики в режущей головке. Можно принять во внимание и характерное отличие оптики, используемой в этих двух типах источников. Дело в том, что оптика для твердотельных источников очень восприимчива к загрязнениям. Рекомендуется даже не чистить линзу, а сразу заменять ее новой. Для предотвращения попадания частиц расплавленного металла или пыли на линзу, в режущей головке лазерных установок с твердотельным источником устанавливается защитное стекло. Но рассчитать ресурс этого стекла трудно – он зависит и от обрабатываемого металла, и от навыков оператора. Стоимость же оригинального стекла составляет определенную строку затрат при эксплуатации таких установок. В CO2-установках защитные стекла не используются, и линза более устойчива к загрязнениям, к тому же существует возможность ее периодической очистки. Но тут же нужно отметить, что, несмотря на то, что ресурс линзы для CO2-установок выше, ее стоимость превышает стоимость линзы для установок с твердотельным резонатором.

Что касается качества получаемой кромки, то при резке на установках с CO2-резонатором оно выше, особенно это заметно на средних и больших толщинах нержавеющей стали.

И наконец, один из самых важных аспектов сравнения – это производительность. Действительно, характеристики твердотельных источников позволяют быстрее расплавлять металл за счет меньшей длины волны. Это хорошо видно при обработке тонколистовой нержавеющей стали, где скорость резки отличается приблизительно в 3 раза. Часто этот факт принимают за непреложный аргумент при выборе установки лазерной резки для всех материалов, но на самом деле ярко выраженное преимущество достигается только при обработке нержавеющей стали толщиной до 6 мм. Напомним, что скорости обработки конструкционной стали толщиной до 4 мм с помощью разных лазерных источников незначительно различаются между собой. Для резки металлов толщиной выше этой границы наиболее приемлемым оказывается CO2-лазер. Из практики известно, что в ряде случаев твердотельные источники проигрывают в скорости даже при обработке тонколистовой малоуглеродистой стали. Все связано с тем, что процесс резки здесь протекает с участием процесса горения, при применении в качестве режущего газа кислорода. Помимо этого, разницу в скорости обеспечивает различный уровень комплексной сборки установки, а также заложенные в ее программное обеспечение параметры обработки материалов и толщин. Ведь на производительность влияет не только максимальная скорость подачи, а еще многие другие факторы – скорость обхода углов и раскроя отверстий, диаметр сопла, давление режущего газа.

Заключение

В заключение можно сделать вывод о сравнительных качествах твердотельной и CO2-технологии Cross-Flow, говоря только о наиболее важных критериях выбора лазерной установки. Технология твердотельных источников известна весомой экономичностью электроэнергии и оптимально применима для резки тонколистовой нержавеющей стали, но не обладает высокой надежностью. Причина кроется в наличии элементов накачки энергии. Они имеют свой ресурс, по истечении которого их отказ в работе вызывает потерю мощности установки и связан со сложностью ее дальнейшей эксплуатации на максимальных значениях рабочих параметров, до замены дорогостоящего модуля. Отметим, что к настоящему моменту компания Mitsubishi Electric еще ни разу не получала заявку от клиента на замену резонатора ни на одной установке. Этот источник характеризуется минимальными затратами на регламентное обслуживание, отличным качеством получаемой кромки реза и высокой производительностью на широком диапазоне толщин различных материалов. Резонатор Cross-Flow имеет высочайший ресурс работы, поэтому является воплощением понятия «надежность» в области производства и эксплуатации лазерных установок.

Литература

1. Maintenance Manual CO2-Laser Processing System Mitsubishi Electric. – Mitsubishi Electric, 2012.

2. Пат. PCT/JP2004/003317 Япония. 3-axis cross gas flow excitation CO2-laser processing machine.