Главная Биржа Тендеры Форум


Вход


-= ВНИМАНИЕ! =- Эта регистрация действует только на ПОРТАЛЕ. На ФОРУМЕ и БИРЖЕ СТАНОЧНИКОВ нужно регистрироваться отдельно!



Главная Статьи Стартуйте с лазерных технологий
Стартуйте с лазерных технологий PDF Печать E-mail
Рейтинг пользователей: / 32
ХудшийЛучший 
Автор: С.Н. Колпаков, А.А. Приемко   
20.11.2012 05:55

Стартуйте с лазерных технологий

Лазерная технологическая установка HTS-PRECISE. рис.1

Рис.1. Лазерная технологическая установка HTS-PRECISE

Внедрение в производство лазерных технологий, подчиняясь закону «бабочки» (читайте Р. Брэдбери «И грянул гром...»), может в будущем дать эффект, о котором сегодня даже мечтать сложно. Поэтому пристальное изучение этого вида оборудования для дальнейшей покупки и эксплуатации на предприятии стоит того. Тем более, когда в области лазерных технологий работают специалисты, хорошо владеющие данной темой и готовые всегда оказать реальную и экономически эффективную помощь в осуществлении задуманного. Любая лазерная система, предназначенная для размерной обработки материалов, характеризуется следующими параметрами:

  • скоростью обработки (реза, гравировки и т. п.);
  • разрешающей способностью;
  • точностью обработки;
  • размером рабочего поля;
  • диапазоном материалов обработки (черные металлы, цветные металлы, дерево, пластмасса и т. д.);
  • диапазоном размеров и массы изделий, предназначенных для обработки;
  • конфигурацией изделий (например, гравировка на плоской, цилиндрической, волнообразной поверхностях);
  • необходимым временем изменения выполняемых задач (смена рисунка гравировки, конфигурации линии реза, изменение материала обработки и т. п.);
  • временем установки и позиционирования изделия;
  • параметрами условий окружающей среды (диапазон температур, влажность, запыленность), в которых может эксплуатироваться система;
  • требованиями к квалификации обслуживающего персонала.


Исходя из этих параметров, выбирается тип лазера, устройство развертки луча, разрабатывается конструкция крепежа изделия, уровень автоматизации системы в целом, решается вопрос о необходимости написания специализированных программ для подготовки файлов рисунков, линий реза и т. д.

Основными техническими характеристиками, определяющими характер обработки, являются энергетические параметры лазера — энергия, мощность, плотность энергии, длительность импульса, пространственная и временная структура излучения, распределение плотности мощности излучения в пятне фокусировки, условия фокусировки, физические свойства материала (теплофизические, отражательная способность, температура плавления и т. д.).

Рассмотрим основные типы лазеров и характеристики их излучения. В качестве активных сред лазеров используются твердые тела, жидкости и газы. В лазерах на твердых телах активными средами являются кристаллические или аморфные вещества с примесями некоторых элементов. Известно большое количество твердых веществ, пригодных для использования в лазерах, однако в практике обработки материалов широко используются только некоторые: Аl2O3 с примесью окиси хрома (рубин); стекло, иттрийалюминиевый гранат Y3Al5O12 и вольфрамат кальция CaWO4, активированные неодимом. Указанные среды позволяют, по сравнению с другими материалами, создавать лазеры с большой выходной энергией и высоким к.п.д. По принципу действия к твердотельным лазерам близки жидкостные лазеры, у которых в качестве активной среды используются жидкие диэлектрики с растворенными примесями.

Установки серии COMBOLASER предназначены для выплнения операций  лезерной наплавки, в том числе ремонта деталей , пресс-форм, штампов и отливок. Рис 2

Рис.2. Установки серии COMBOLASER предназначены для выплнения операций  лезерной наплавки, в том числе ремонта деталей , пресс-форм, штампов и отливок

Энергия импульса излучения твердотельных и жидкостных лазеров (в режиме свободной генерации) изменяется от десятых долей джоуля до 103 Дж и выше, а в режиме модулированной добротности до нескольких десятков и сотен джоулей. Мощность излучения импульсных лазеров в зависимости от режима работы может изменяться от сотен киловатт (свободная генерация) до гигаватт (модулированная добротность). Различие между среднеинтегральной за импульс мощностью и мощностью отдельного пичка при пичковом режиме работы (неупорядоченная генерация) может достигать двух порядков. Указанная разница несколько меньше для импульса с упорядоченной структурой (регулярный импульс). Среднеинтегральная — незначительно отличается от мощности квазистационарного импульса излучения в любой момент времени. Поэтому квазистационарный режим генерации представляет практический интерес для сварки и обработки материалов благодаря незначительному нагреву. Его использование уменьшает вынос материала из зоны воздействия.

Предельное значение к.п.д. лазеров обусловливается преимущественно внутренними потерями в кристалле активной среды и эффективностью использования энергии накачки. Так, для лазеров на рубине величина реального к.п.д. не превышает 1 %, а для лазеров на стекле с неодимом — 2 %.

Не менее интересны газовые лазеры, активной средой которых служит газ, смесь нескольких газов или смесь газа с парами металла. К газовым относятся и химические лазеры, так как для них применяются газообразные активные среды, возбуждение которых происходит в результате быстропротекающих химических реакций. Активными частицами в газовых лазерах являются нейтральные атомы, ионы и молекулы газов. Лазеры на нейтральных атомах позволяют генерировать излучение с длиной волны преимущественно в инфракрасной области видимого спектра, и лишь некоторые — в красной.

Ионные газовые лазеры дают излучение в основном видимое и ультрафиолетовое. Молекулярные газовые лазеры генерируют излучение с длиной волны 10-100 мкм (инфракрасный и субмиллиметровый диапазоны). Мощность лазеров на нейтральных атомах, например гелий-неонового, в непрерывном режиме не превышает 50 мВт; ионного (аргоновый) — достигает 500 Вт, наиболее мощный из них — молекулярный. Его к.п.д. достигает 20 %, в то время как лазеров на нейтральных атомах и ионах практически не превышает 0,1 %. Например, молекулярные лазеры на углекислом газе дают в непрерывном режиме выходную мощность в несколько десятков киловатт.

Лазерный комплекс для нанесения пробирных клейм на изделия из драгметаллов Рис.3
Рис.3. Лазерный комплекс для нанесения пробирных клейм на изделия из драгметаллов


Наиболее перспективными для использования во многих технологических процессах являются волоконные лазеры. В настоящее время на рынке представлены одномодовые волоконные лазеры со средней выходной мощностью до 2 кВт, маломодовые до 10 кВт и многомодовые системы с выходной мощностью до 50 кВт. Наибольшие уровни мощности достигнуты в лазерах на Yb-активированном волокне. Они генерируют излучение длиной волны 1,07 мкм, которое поглощается металлами лучше, чем излучение длиной волны 10,6 мкм. Кроме того, излучение, имеющее на порядок меньшую длину волны, лучше фокусируется. Этим объясняется тот факт, что даже относительно маломощные 100-ваттные одномодовые лазеры режут сталь толщиной 1,5 мм со скоростью до 4 м/мин. Технические характеристики волоконных лазеров позволяют реализовать режим дистанционной сварки, что существенно упрощает их встраивание в современные роботизированные комплексы и резко увеличивает производительность.

Но не только в мощности и расходимости пучков дело. Еще один параметр, который резко выделяет волоконные лазеры, — высокая энергетическая эффективность. Накачка активированного волокна осуществляется лазерными диодами, к.п.д. которых превышает 60 %, благодаря чему полный (или «от розетки») к.п.д. волоконных лазеров составляет 28-30 % (во много раз выше, чем у лучших промышленных лазеров на СO2, а также твердотельных лазеров с полупроводниковой и ламповой накачкой). Благодаря этому эксплуатационные расходы на их энергопотребление и охлаждение оказываются в 5-8 раз меньше, чем лазеров на СО2, и примерно в 20-50 раз меньше, чем твердотельных лазеров с ламповой накачкой. Этот факт, а также отсутствие в волоконных лазерах юстируемых узлов, выполнение их в виде интегральных волоконных устройств, обеспечивают высокую надежность систем в целом. Конструктивно и с точки зрения эксплуатации волоконные лазеры ближе к чисто электронному оборудованию, чем к промышленным лазерам других типов. К этому следует добавить, что они практически не требуют регламентного обслуживания.

Хорошей интегрируемости волоконных лазеров в современное технологическое оборудование способствует и то, что их выходное излучение прекрасно транспортируется без потери мощности и пространственных характеристик по тонким кварцевым волокнам, защищенным от механических воздействий гибкими металлорукавами диаметром 8 ...15 мм. Длина подобных волоконных кабелей достигает 200 м и при необходимости может быть увеличена.

Первым этапом создания лазерной технологической установки является разработка технического задания. Во многих случаях заказчики стараются перестраховываться и закладывать в него характеристики, намного превышающие реальные потребности производства. В результате стоимость оборудования увеличивается на 30-50 %. Как ни парадоксально, но причиной этого является, как правило, именно относительная дороговизна лазерных систем. Многие руководители предприятий рассуждают следующим образом: «... если я покупаю новое дорогое оборудование, то по характеристикам оно должно превышать необходимые на данный момент нормы, «авось», когда-то мне это пригодится.». В результате потенциальные возможности оборудования никогда не используются, а время окупаемости его увеличивается.

Примером такого подхода может служить вариант перехода от механической маркировки деталей к лазерной. Основными критериями маркировки являются контрастность надписи и устойчивость к стиранию. Контрастность определяется соотношением ширины и глубины линии гравировки. Минимальная ширина линии при механической гравировке приблизительно 0,3 мм. Для получения контрастной надписи ее глубина должна быть порядка 0,5 мм. Поэтому во многих случаях при составлении технического задания на лазерную установку исходят из этих параметров. Но ширина линии при лазерной гравировке 0,01-0,03 мм, соответственно, глубину надписи можно сделать 0,05 мм, т. е. на порядок меньше, чем при механической. Поэтому соотношение между мощностью лазера и временем нанесения маркировочной надписи может быть оптимизировано относительно стоимости системы. В результате снижается цена лазерной установки, и как следствие, время её окупаемости.

Внедрение лазерных технологий во многих случаях позволяет решать «старые» задачи принципиально новыми методами. Классическим примером этого является нанесение защитных надписей, клейм и т. п. на продукцию для обеспечения защиты от подделок. Возможности лазерной техники позволяют идентифицировать защитную надпись по отдельно взятой линии в надписи. Возможность применения криптографических методов позволяет реализовывать «динамическую» защиту от подделок, т. е. при сохранении общего рисунка через определённое время меняются некоторые элементы, узнаваемые только экспертами или специальным оборудованием. Недосягаемым для механических методов подделок является возможность создания лазером небольшого бортика (3-10 мкм) из выбросов металла на края линии гравировки. Комплексное использование подобных методик минимизирует вероятность подделки и делает ее экономически невыгодной.

Внедрение сегодня лазерных технологий — всего лишь один из путей развития высокотехнологического производства. Те небольшие фирмы, которые используют у себя несколько лазерных систем подобного рода, подтвердили на практике одного из законов диалектики: перехода количества в качество. Новое оборудование требует принципиально новых методов обслуживания, предполагающих повышенного внимания персонала и поддержания «чистоты» в помещении, где оно расположено. т. е. происходит переход на качественно новый уровень культуры производства. При этом обычно, количество сотрудников уменьшается, и руководители меньше отвлекаются на решение вопросов внутри «трудового коллектива», тем самым больше уделяют внимание оптимизации работы самого предприятия. Из истории развития многих крупных технологических фирм известно, что в некоторый момент времени в начале пути, с ними происходила подобная эволюция. Возможно, и мы сегодня находимся на таком этапе, когда относительно малые вложения в новые технологии дадут в дальнейшем серьезные дивиденды. В синергетике, — науке о самоорганизующихся системах — подобная ситуация подчиняется закону «бабочки» (Р. Брэдбери «И грянул гром.»), описывающем процесс, когда малые изменения в прошлом или настоящем приводят к глобальным последствиям в будущем.

Работа не претендует на полный охват возможных лазерных технологических операций, поскольку многие задачи, в которых могут быть использованы современные лазеры, еще не нашли своего окончательного решения. Доступность и экономическая эффективность надежного лазерного оборудования будут в дальнейшем определять широкое практическое применение лазерной техники.

С.Н. Колпаков

А.А. Приемко к.т.н.

ООО "Альт Лазер"



Следующие материалы:
Предыдущие материалы:

Обновлено 03.04.2013 21:14
 

Просьба оставлять свои комментарии. Этим вы поможете развитию сайта, сделав его содержание более полезным! Также в комментариях можно писать о замеченных ошибках и неработающий ссылках.


Защитный код
Обновить