تطوير مصادر ليزر عالية الطاقة للصناعة

نبذة مختصرة

على الرغم من اختراع وتوافر مجموعة واسعة من مصادر الليزر ، إلا أن عدد قليل جدًا من الأنواع قد جعل طريقه إلى الاستخدام الصناعي ، والذي يتطلب في كثير من الأحيان تشغيل ثلاث نوبات وثبات عالي وتكاليف تشغيل منخفضة. على مدى فترة طويلة سيطر ليزر غاز ثاني أكسيد الكربون على منطقة معالجة المواد عالية الطاقة ولا يزال يحمل 41.1٪ أكبر حصة في السوق في هذا المجال. إن أكثر أنواع ليزر ثاني أكسيد الكربون الأكثر حداثة وأكثرها موثوقية والأكثر فعالية من حيث التكلفة هو تكوين لوح التبريد المبرد ، والذي يوفر جودة محدودة لشعاع محدود الحيود وهو متوفر حاليًا في نطاق طاقة يصل إلى 8 كيلو واط. تكمن ميزة الليزرات ذات الحالة الصلبة في أنه يمكن توجيه إشعاعها من خلال الألياف الضوئية ، ولكنها عانت من ارتفاع التكلفة وانخفاض الكفاءة. ومع ذلك ، فإن ظهور ليزر الصمام الثنائي كمصدر ضخ فعال وموثوق ، قد عزز تقنية ليزر الحالة الصلبة. ليس فقط جودة الشعاع وكفاءته لتصميم القضبان الكلاسيكية يمكن تحسينها من خلال استبدال مصابيح النطاق العريض بواسطة ليزر دايود أحادي اللون ولكن علاوة على ذلك ، بسبب تألق الليزر الليزري العالي ، يمكن تحقيق مفاهيم جديدة مثل القرص الرفيع والليزر الليفي. وبالأخص الكفاءة العالية ، فإن خفض تكلفة التشغيل بالاقتران مع جودة الحزمة المحسّنة يجعل الليزر الليزري أداة المستقبل ، كلما كانت التطبيقات ثلاثية الأبعاد قيد الدراسة.

  المقدمة

  منذ أكثر من 30 عامًا ، يتم توظيف أشعة الليزر بنجاح في العديد من التطبيقات. كما أثبتت دراسات السوق 1 ، 2 ، فإن القطع هو التطبيق الأبرز (الشكل 1) ؛ لا يتم فقط تقطيع المعادن بواسطة الليزر ، ولكن أيضًا الخشب (مثل الألواح) ، والزجاج (على سبيل المثال لأنابيب الضوء) ، والمنسوجات (مثل الأكياس الهوائية) والبلاستيك والمطاط والمركبات.

  اللحام بالليزر ، التطبيق الثاني الأكثر أهمية يوفر تقنية الربط السريع مع الحمل الحراري المصغر إلى قطعة العمل على أساس تأثير اللحام العميق. لحام الليزر ترتبط أساسا بالمعادن ، على سبيل المثال. يمكن إجراء أجزاء العتاد ، والفراغات المخصصة ، والجسم في الأبيض ، والإسكان أجهزة الاستشعار ، وفوهات الحقن وهلم جرا ، ولكن أيضا لحام البوليمر مع الليزر ، وخاصة ليزر الصمام الثنائي.

  تستفيد عمليات القطع وكذلك (اللحام العميق) من القدرة العالية على التركيز لعزم الليزر ، أي حقيقة أن طاقة الليزر يمكن أن تتركز في مكان صغير جدًا. وفقاً للنظرية ، كلما كانت جودة الحزمة أعلى ، كلما كانت البقعة أصغر والتي يمكن توليدها بواسطة طول بؤري معين أو أكبر مسافة العمل (البعد البؤري) لقطر نقطي معين على التوالي. وبالتالي ، فإن تطوير الليزر هو

الشكل 1: السوق العالمية لأنظمة معالجة مواد الليزر في عام 2005 حسب التطبيق (4،8 مليار يورو) 1 ، 2

من بين أمور أخرى تهدف إلى تحسين جودة الحزمة. أما الليزر الكلاسيكي مثل ليزر غاز ثاني أكسيد الكربون والليزرات ذات الحالة الصلبة من النوع القاعدي ، ولكن المزيد من أنواع ليزر الحالة الصلبة الجديدة في القرص أو التكوين الليفي هي في مركز الاهتمام هنا.

ومع ذلك ، هناك تطبيقات أخرى لليزرات مثل اللحام بالنحاس والحام بالتوصيل الحراري والمعالجة السطحية (التصلب أو إعادة الصهر أو الكسوة) ، والتي لا تتطلب مثل هذه التركيزات العالية من الطاقة حيث يتم تنفيذها مع حجم بؤري كبير بدلاً من ذلك وبكثافة معتدلة للطاقة . يفضل استخدام هذا النوع من التطبيقات ليزر ليزري ذو طاقة عالية ، والذي يوفر قدرة عالية بكفاءة عالية على حساب جودة الحزمة.

  ليزر غاز

  ومع ذلك ، فإن أشعة ليزر CO2 عالية الموثوقية التي تصل قدرتها إلى 20 كيلوواط كانت متاحة تجاريا ، وقد تم الوصول إلى أكثر من 100 كيلوواط في المختبر أو لأغراض الدفاع 5. تم فحص العديد من مفاهيم التصريف وتدفق الغاز المختلفة وتم تحقيقها. التكوين الأكثر استخدامًا هو إعداد التدفق المحوري السريع ، الذي يتدفق فيه الغازسرعة عالية موازية للمحور البصري ومن خلال مبادل حراري ، يتحرك بواسطة منفاخ جذري أو توربين ؛ بهذه الطريقة ، تتم إزالة الحرارة الزائدة وفي نفس الوقت يتم استبدال الغاز جزئياً بواحد جديد حيث يتحلل خليط الغاز باستمرار أثناء عمل الليزر. هذا المفهوم يضمن قوة عالية وجودة شعاع جيد. على الرغم من هذه الفوائد ، فإن تدفق الغاز يسبب بعض العيوب المتأصلة ، على سبيل المثال. عدم الاستقرار بسبب الاضطرابات ، والتكلفة العالية ، والحجم الكبير ، والوزن الثقيل ، والخدمة المتكررة من منفاخ الجذور أو التوربين والتكلفة الكبيرة من استهلاك الغاز. وبالتالي ، كان التحدي هو تطوير مفهوم ، والذي يسمح بقدرة انتاج نطاق كيلو واط بدون تداول الغاز النشط.

تقنية CO2-SLAB

  تم العثور على الحل في مفهوم لوحة التبريد المبرد ، تم تطويره بشكل متزامن وبراءة اختراع من قبل H. Opower6 في ألمانيا و J. Tulip7 في كندا. تم توضيح المبدأ في الشكل 2: يتم تشكيل دليل موجي واحد الأبعاد بين الأقطاب الكهربائية مع مرايا الرنان البصري. بواسطة شعاع تشكيل خاص يتكون البصرياتمن مرايا كروية واسطوانية بالإضافة إلى مرشح مكاني يمكن توليد شعاع ليزر عالي الجودة مع M²1،1. المسافة بين القطبين الكهربائيين تقترب من المليمتر وبالطبع الدقة والمحاذاة أمران صعبان.

  ومع ذلك ، يمكن إزالة الحرارة مباشرة من خلال الأقطاب المبردة بالماء وليس هناك حاجة لتدفق الغاز. وبالتالي ، لا توجد أجزاء متحركة ضرورية ولا يمكن لأي تقلبات في الغاز أن تزعج الحزمة. علاوة على ذلك ، يمكن أن يبقى الغاز نظيفًا على مدار فترة زمنية طويلة ، مما يؤدي إلى انخفاض كبير في استهلاك الغاز. نظام الغاز هو تكوين شبه مغلق. بمعنى أنه يتم إجلاء المستلم بواسطة مضخة دوارة بسيطة ثم يتم تعبئته بغاز مسبق التخلخل وإيقافه. يمكن استخدام تعبئة غاز واحدة لمدة أسبوع أو أكثر ، اعتمادًا على ظروف التشغيل ، قبل أن يتم استبدالها. زجاجة بريبكس مثبتة في رأس الليزر (الشكل 3) بحجم 10 لترات وملءضغط 150 طناً (وبالتالي يحتوي على 1500 Nl) ، يستمر لمدة تزيد عن سنة ، مما يؤدي إلى انخفاض كبيرتكاليف التشغيل!

الشكل 3: سلسلة ROFIN DC سلسلة ليزر CO2 مع إمدادات الغاز المتكاملة

  تم إدخال أول نموذج أولي بقدرة خرج 1،5 كيلوواط في عام 1993. ومنذ ذلك الوقت يمكن زيادة قوة الخرج بشكل مستمر (الشكل 4) من خلال تطوير المزيد من وحدات التفريغ والمولدات عالية التردد ، مما سمح بزيادة الإلكترود المنطقة مع الحفاظ على التفريغ متجانس. بما أن الليزر لا يحتاج إلى مبرد غاز ولا مضخات أو توربينات ، فإنه يمكن الحفاظ على حجم صغير للنظام على الرغم من زيادة مساحة القطب وحجم الغاز. الطاقة القصوى المتاحة تجاريا في هذه التكنولوجيا اليوم هي 8 كيلو واط. الومع ذلك ، بقي عامل جودة الحزمة ثابتًا عند M1،1 ،المقابلة لمنتج شعاع معلمة من حوالي 3،5 ملم راد! وبالتالي ، فإن توزيع الطاقة هو شعاع غوسي الشكل بشكل مثالي (الشكل 5 ، اليسار). ومع ذلك ، تتطلب بعض تطبيقات اللحام طابعاً أوسع وخط طاقات أعلى على التوالي ، مما يجعل توسيع القطر البؤري مفضلاً بالإضافة إلى تعديل لمظهر الحزم. لا يحتوي تكوين المرن الخاص لليزر الموجي على إمكانية TEM01 * - (& quot؛ دونات & quot؛) - الوضع ، الذي ثبت أنه الأنسب لتوزيع الطاقة لمثل هذه التطبيقات في فترة طويلة من أشعة الليزر المحورية السريعة مع & quot؛ ، التقليدية ومثل. المرنانات. لذلك ، يتم إنشاء وضع دونات (الشكل 5 ، اليمين) بواسطة إعداد بصري خاص في مسار شعاع الليزر.

  إن مفهوم CO2-slab أصبح الآن راسخًا في تطبيقات الليزر الصناعية: لقد أثبتت أكثر من 3000 وحدة في المجال الموثوقية العالية وتكاليف التشغيل المنخفضة لهذه التقنية. علاوة على ذلكقد يشير إلى أن تقنية ليزر بلاطة CO2 قد ساهمت بشكل كبير في وضع تكنولوجيا ليزر ثاني أكسيد الكربون الذي لا يزال قويًا للغاية في معالجة المواد ونمو السوق في السنوات الأخيرة 8.

M² & lt؛ 1،1 (& quot؛ غاوس & quot؛)M² ~ 2،2 (& quot؛ دونات & quot؛)

شكل 5: الوضع الأساسي و دونات ليزر CO2 slab

  تطبيقات ليزر بلازما CO2

  لا يعد استخدام طاقة الليزر وجودة الحزمة بالنسبة للحدود أمرًا مفيدًا إلا إذا كانت هذه المواصفات توفر فائدة لهذه العملية ، في حالة ليزر CO2 ، هذا يعني القطع واللحام: جميع مصادر ليزر CO2 عالية الطاقة (& gt؛ 90٪) (1) kW) تستخدم في هذه المجالات ، أكثر من 60 ٪ للقطع ، ومعظمها في آلات السرير المسطح.

  تطبيقات القطع

  إن ميزة مصدر الليزر بجودة الشعاع المحسنة لتطبيقات القطع واضحة ، حيث أن التركيز الأصغر يسمح للشق الأصغر وبالتالي ، يجب إذابة مواد أقل لعملية الفصل. هذا يحمل على الأقل ما دامالمواد ليست سميكة للغاية ، كما هو الحال في المواد السميكة قد يعيق الشق الضيق إزالة المادة المنصهرة. ومع ذلك ، فإن حصة الأسود في قطع التطبيقات تتعامل مع الفولاذ المعتدل ، الفولاذ المقاوم للصدأ أو الألومنيوم في نطاق 1 إلى 6 ملم.

  تظهر النتيجة بوضوح أن طاقة أقل بكثير من الليزر توفر جودة الحزمة المحسنة. فقط عند السماكة الأعلى ، ما بعد 6 مم ، تصبح ميزة الحد الأدنى من نظام التدفق المحوري السريع عند أعلى القدرة معترف بها من حيث سرعة القطع 9.

الشكل 6: مقارنة سرعة القطع في الفولاذ الطري: 2،5 كيلو واط لوح مقابل 4 كيلوواط سريع التدفق المحوري 9

  إن تأثير جودة الشعاع المحسّن يكون أكثر إثارة للإعجاب 25 إذا تم النظر في عملية قطع الألمنيوم (الشكل 7). أقل من سمك 2 مم تكون سرعة ليزر بلازما 2.5 كيلو واط 20 أعلى بكثير من نظام التدفق المحوري السريع ، في حين أنها تقارب بين 2 و 4 مم. ومع ذلك ، عند 15 سُمكًا أعلى ، قد يكون الشق الأعرض الناتج عن نظام التدفق المحوري السريع بسرعة 4 كيلو واط بعض المزايا.10 وقد لوحظت آثار مماثلة لقطع الفولاذ المقاوم للصدأ ، ولكن قد يكون شعاع أوسع مفيدة حتى في حوالي 2 مم 5 سمك. ومع ذلك ، بالنسبة للقطعة العالية السرعة عند أو أقل من 1 ملم ، فإن ميزة جودة الشعاع العالي كبيرة جدًا. اخاص ثنائي الأبعاد عالية السرعة نظام القطع مععمق الاختراق [mm]وبالتالي ، يتم تقليل الحرارة المنطقة المتضررة وتشويه الجزء.

التين. 8: مقارنة سرعة اللحام لمختلف الصفات وأشعة الليزر ، resp.11

  على سبيل المثال ، مقطع عرضي من مكونات الترس ،كان يستخدم للحل في الجانب الأيمن 11. في نفس عمق اللحام نفسه ، أنتجت ليزر ذات جودة شعاع أدنى شحنة أوسع. من ناحية أخرى ، فإن خط التماس الأضيق ومنطقة التفاعل الضيقة بين شعاع الليزر والأجزاء المراد لحامها تتطلب إعدادًا محسّنًا للحواف في حالة اللحام الخانق وإلا فإن العارضة & quot؛ تسقط من خلال & quot؛ التماس. علاوة على ذلك ، بالإضافة إلى ذلك ، تتطلب بعض التطبيقات شعاعًا أعرضًا لأسباب التعدين ، كما هو موضح في الفصل 2.1 ، الذي تسبب في الحاجة إلى حزمة نمط الدونات.

لحام الأنبوب الجانبي مع ليزر CO2-slab

التين. 9: مقارنة اللحامات التماس مع أشعة الليزر من نوعية شعاع مختلفة في السرعة نفسها 11

  يمكن الوصول إلى تحسين كبير في السرعة مقارنةً بإجراءات اللحام TIG التقليدية باستخدام ليزر بلازما CO2 بقدرة 4،5 كيلو وات(ROFIN DC045) لحام الأنابيب ، مصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ: يتم إنتاج أنابيب 18 × 1 [مم] في مطحنة الأنبوب مع 16 م / دقيقة ، مقارنة مع 5،5 م / دقيقة ، والتي تم التوصل إليها من قبل TIG عملية اللحام قبل 12. وتقتصر هذه السرعة العالية على العملية التالية بدلاً من عملية لحام الليزر نفسها. يتم استخدام نظام توجيه كامل للحزمة مع أجهزة استشعار عملية متكاملة ، وتعرف على الفجوات وتتبع التماس باستخدام ليزر موجه موجات ثاني أكسيد الكربون (ROFIN PWS ، ونظام لحام الملف الشخصي ، الشكل 10 والشكل 11) لهذه المهمة. نظام المستشعر اللامتناهي ، محركات السيارات الخطية ، جهاز تحكم يعتمد على الكمبيوتر الشخصي و PLC متكامل لضمان دقة تحديد موضع بقعة الليزر بدقة تصل إلى 20 ميكرومتر حتى في أعلى سرعة إنتاج تصل إلى 60 متر / دقيقة! يوفر رأس التلحيم ، المُركب على نظام x-y-z-c مرونة عالية من خلال أطوال بؤرية مختلفة ، وفوهات متنوعة بالإضافة إلى إمدادات الغاز. أمثلة اللحام موضحة في الشكل 12.

الشكل 10: نظام ROFIN PWS (رسم تخطيطي)

الشكل 11: نظام اللحام ROFIN الشخصي PWS مع 6 كيلو واط CO2 ليزر بلاطة

الشكل 12: مقاطع عرضية من أنابيب الفولاذ المقاوم للصدأ الملحومة بالليزر (1.4301)

نظام اللحام عن بعد (RWS)

  وحتى الآن ، تم استخدام جودة الشعاع المحسَّنة التي يوفرها مفهوم ألواح CO2 لتوليد كثافة طاقة أعلى في نقطة بؤرية أصغر. ومع ذلك ، لا تكون كثافة القدرة أعلى دائمًا ضرورية. كثافة الطاقة المعقولة كافية لحام الورق الرقيق. في مثل هذه الحالة ، يمكن ترجمة جودة الحزمة المحسنة إلى مسافة عمل كبيرة في نطاق متر أو أكثر! وقد أدت هذه الفكرة إلى مفهوم ، والذي يطبق تقنية مسح شعاع مماثل حيث يتم استخدامه في وضع علامات على التطبيقات لعملية لحام عالية الطاقة في ما يسمى بنظام اللحام بالليزر البعيد. تم توضيح المبدأ العام في الرسم التوضيحي في الشكل 13: يمكن للمرآة المركبة gimbal تحريك التركيز بسرعة كبيرة على سطح كروي. للتعويض عن هذا ، أي جعل التركيز إلى مجال مسطح في مستوى العمل ، يمكن تحويل عدسة التركيز (z). وأخيرًا ، يمكن تحريك المرآة أيضًا خطيًا لتوسيع مجال العمل في اتجاه z. وبهذه الطريقة ، يمكن وضع التركيز بسرعة كبيرة على مساحة 1500 ملم × 2400 ملم وبارتفاع يصل إلى 650 ملم. ويرد في الشكل 14 نظام كامل (من دون حجرة عمل). وتعد ميزة هذا النظام واضحة: نظرًا للحركة السريعة ، تستطيع تقنية نظام اللحام عن بعد زيادة عدد اللحامات النقطية أو الخطية في دورة معينة الوقت بعامل يصل إلى عشرة. مجموعة متنوعة غير محدودة من ملامح اللحام داخل غلاف العمل يفتح إمكانيات جديدة ومثيرة في التصميم والبناء. وأبرز الأجزاء هي أبواب السيارات وغطاء المحرك أو غطاء الصندوق والأعمدة. بالطبع يعتمد وقت المعالجة من الجزء الفردي ومن الطول والشكل وعدد اللحامات ، ولكن كتقدير تقريبي يمكن إجراء حوالي 100 لحام لحام نموذجي خلال حوالي 40 ثانية. أنظمة لقط خاصة ضرورية لإصلاح الأجزاء وتوفير الغاز الحماية إذا لزم الأمر.

                                                   شكل 13: رسم تخطيطي لنظام اللحام بالليزر البعيد (RWS)الشكل 14: نظام إنتاج RWS