Лазерный мир

Межевов В.С., к.ф.-м.н.(НТО «ИРЭ-Полюс»), Петровский В.Н., к.ф.-м.н.(Лазерный центр МИФИ) // Журнал «Ритм машиностроения», 2008, с: 49-50

Стремительный прогресс в разработке и развертывании серийного выпуска мощных (до нескольких десятков киловатт) волоконных лазеров заложил основу их широкого применения для различных технологических процессов, требующих высоких плотностей лазерной мощности — резки, сварки, локальной термообработки и др.
По сравнению с традиционными промышленными СО2 и ND:YAG лазерами мощные волоконные лазеры облают существенными преимуществами:

• высоким КПД (до 30% «от розетки»);
• в несколько раз меньшими габаритами и весом;
• высокой стабильностью выходных параметров (около 1% по выходной мощности);
• высоким качеством излучения;
• волоконной доставкой лазерного излучения на десятки метров
• высокой надежностью и большим ресурсом основных элементов и систем.

Тем не мeнee, у ряда специалистов ведущих фиpм, производящих лазерные комплексы (Тrumpf, Вystronics и др.), наблюдается определенный скептицизм относительно использования мощных волоконных лазеров для резки металлов, особенно большой толщины (свыше 10 мм). Это связано прежде всего с тем, что всего в мире находится в эксплуатации до тридцати тысяч лазерных комплексов на основе СО2 -лазеров, производство которых поставлено на поток, и их замена потребует как серьезных вложений от производителей, так и существенных затрат со стороны пользователей этого оборудования, а сам процесс модернизации займет не один год. Существенным фактором является также то, что волоконные лазеры киловаттного и мультикиловаттного уровня производятся серийно только международной группой IPG, частью которой является российская компания НТО «ИРЭ-Полюс» (г.Фрязино, Mocковская обл.).
В России в настоящее время действует около тысячи лазерных комплексов для резки, причем значительную долю в этом парке составляет «Second hand» западных фирм, а также оборудование, давно выработавшее свой ресурс и морально устаревшее. В связи с улучшением экономической ситуации в стране все большее количество компаний ориентируется на приобретение нового оборудования. Это создает благоприятные условия для ускоренного переоснащения ведущих отраслей промышленности современным лазерным технологическим оборудованием с мощными волоконными лазерами.
Необходимым условием быстрого внедрения лазерных технологий в различные отрасли является постоянная отработка технологических режимов для решения конкретных задач потребителей. Подобные работы ведутся рядом предприятий и научно-производственных центров в Москве, Московской области, Санкт-Петербурге, Воронеже, Самаре, Нижнем Новгороде, Ульяновске и других городах страны. Результаты работ, как в этих центрах, так и за рубежом показывают, что для толщины металла до 10 мм скорости резки волоконными лазерами могут быть в 2-3 раза выше, чем при тех же мощностях СО2 -лазеров. В наибольшей мере преимущества волоконных лазеров проявляются при резке алюминиевых сплавов, что связано с более высоким коэффициентом поглощения на длине волны иттербиевого лазера (1.07 мкм) по сравнению с СО2-лазерами (10,6 мкм) и высокой плотностью мощности в фокусе режущей лазерной головки. Достигнуты хорошие результаты по резке металлов большой толщины (рис.1-3).
НТО «ИРЭ-Полюс» (разработчик и производитель мощных волоконных лазеров в России) совместно с Лазерным центром Московского инженерно-физического института (Университета) проводят на территории Лазерного центра МИФИ в Москве широкий спектр технологических работ по процессам резки, сварки, закалки, маркировки и другим операциям с использованием волоконных лазеров различных типов. В ближайшее время в Лазерном центре будет установлено несколько современных лазерных систем на основе роботов и высокоскоростных координатных столов для демонстрации возможностей мощных волоконных лазеров и ускорения внедрения этих технологий в промышленность. До недавнего времени использование мощных лазеров для лазерной сварки серьезно сдерживалось такими факторами, как сложность транспортировки излучения CO2-лазеров к трехмерным объектам с необходимостью движения по нескольким осям и недостаточной фокусировке излучения длиннофокусными оптическими системами, необходимыми для проведения дистанционной сварки, а также громоздкостью и низким КПД ND:YAG-лазеров мощностью более 1 кВт.
С появлением мощных волоконных лазеров интерес к лазерной сварке, особенно дистанционной, значительно возрос. Ряд крупных зарубежных компаний, занимающихся производством автомобилей, приобрели мощные волоконные лазеры для отработки сварки корпусов автомобилей с использованием роботов. В Лазерном центре МИФИ произведена качественная сварка образцов деталей из алюминиевого сплава толщиной 0,3-0,5 мм (рис.4) и проводится отработка технологии сварки алюминиевых теплообменников. В технологической лаборатории фирмы IPG Laser GmbH (Германия), проведена успешная сварка образцов из стали толщиной более 50 мм (рис.5).
Следует отметить, что лазерная сварка требует разработки оснастки практически для каждого технологического процесса, поэтому ведётся совместная работа технологов и производителей лазерного оборудования для промышленной реализации процесса.
Благодаря высокому коэффициенту поглощения металлов на длине волны излучения волоконных лазеров эффективность лазерной термообработки, по сравнению с CO2-лазерами, существенно возрастает. Как показывают проведенные работы по термоупрочнению ряда материалов, возможно изменение структуры материала на глубину порядка одного миллиметра без оплавления поверхности и со скоростями несколько метров в минуту.
Помимо обработки металлов, волоконные лазеры с успехом можно применять для очистки внутренних поверхностей труб от накипи (в Лазерном центре МИФИ была выполнена отработка этого процесса) и для резки бетонных конструкций.
Таким образом, надежные, эффективные и стабильные промышленные волоконные лазеры, обладающие уникальными для подобного оборудования характеристиками, позволяют создавать разнообразные лазерные комплексы для широкого применения в различных отраслях.

Полное содержание статьи: http://www.ntoire-polus.ru/ritm34_pp49-50.pdf