Публикации: Применение деформируемых зеркал в лазерных технологических комплексах
Научно-производственное предприятие ТУРН
     

Статьи и публикации

 
На главную страницу
Продукция
Цены
Публикации
ЧаВо
Форум
Контакты
office@turn.ru
 

В.Д. Попов, С.Ю .Сухоросов

Применение деформируемых зеркал
в лазерных технологических комплексах

Лазерная размерная обработка материалов появилась более двадцати лет назад, но до сих пор представляется достаточно экзотической. Это связано прежде всего с высокой стоимостью оборудования, расходных материалов и других ресурсов. В результате даже в высокоразвитых странах существует вопрос рентабельности использования лазерных технологических комплексов. Даже на предприятиях-гигантах этот вопрос решается путем организации максимальной загрузки с привлечением коммерческих заказов. Несмотря на высокую стоимость, лазерные технологии приобретают все большую популярность. По оценкам специалистов [1], только в России насчитывается несколько сот таких комплексов; в мире счет идет на тысячи.

Среди тех, кто знаком с лазерной технологией, можно считать общепризнанным [2], что лазерная резка имеет преимущества в производительности (более 12 м/мин) перед другими методами при сравнительно малых толщинах металла (до 10 мм), а наибольшая толщина разрезаемого металла типичными лазерными технологическими комплексами ограничена примерно 20 мм. Непревзойденными являются точность и качество поверхности при лазерной резке. Так, имеются сообщения о микронной точности получаемых изделий и соответствующей чистоте поверхности [3], т.е. резка, которая традиционно считалась заготовительной операцией, становится одновременно чистовой. Открывается перспектива формообразования машиностроительных деталей непосредственно из заготовки.

Однако, обсуждение преимуществ и недостатков лазерной технологии не входит в основную цель данного сообщения. Авторы исходят из того, что большинство наших слушателей – наши единомышленники, считающие за аксиому, что лазерной технологии – быть.

Для нас принципиально важным является тот факт, что лазерное излучение переносит мощность сравнительно широкими пучками и для произведения полезного технологического эффекта должно быть сфокусировано. Указанные ограничения толщин обрабатываемых материалов обусловлены именно условиями фокусировки лазерного луча.

Действительно, область активного взаимодействия лазерного луча с обрабатываемым материалом можно представить себе в виде двух усеченных конусов, соединенных малыми основаниями. Малые основания - это область фокального пятна или, в терминологии теории лазерных пучков, перетяжка каустики. Два физических явления влияют на параметры фокуса в лазерном технологическом комплексе. Во-первых, диаметр фокуса зависит и примерно пропорционален мощности лазерного излучения. Во-вторых, осевое положение фокуса и угол при вершине конусов связаны с кривизной волнового фронта лазерного луча (сходящегося или расходящегося ) на фокусирующей оптике.

Для технологической обработки материалов необходимо управлять по меньшей мере положением области активного взаимодействия. По способу управления положением области активного взаимодействия лазерные технологические комплексы, применяющиеся для резки и сварки металла, можно разделить на два класса.

К первому классу относятся установки, в которых лазер размещается на портале и движется вместе с ним. К этому классу относятся установки изготавливаемые, например, фирмой Messer [ ]. Преимущество такой компоновки в относительном постоянстве расстояния между лазерной головкой и обрабатываемым материалом. Недостаток – значительный вес и габариты лазера, размещенного на подвижной части лазерного комплекса, вызывают соответствующие требования к несущей способности портала, его весу, габаритам, энергопотреблению, ограничивают диапазон допустимых скоростей и т.д.

Ко второму классу относятся установки, в которых лазер размещен неподвижно, а перемещается оптическая система – так называемые установки с "летающей" оптикой. "Летающая" оптика имеет на 1-2 порядка меньшие веса и габариты, но вследствие значительных расстояний, которые должны обслуживаться, не может обеспечить постоянство положения фокуса и размера пучка в нем. Отсюда – снижение точности и качества поверхности реза, т.е. тех самых характеристик, которые наиболее привлекательны в лазерной технологии.

Мы предлагаем решить проблему применением в оптике лазерных технологических комплексов зеркал с управляемой формой поверхности.

В любом случае применение практически безинерционной фокусирующей оптики дает преимущества, увеличивая производительность и снижая затраты. Например, такая оптика существенно снижает риск непосредственного соприкосновения лазерной головки с обрабатываемым материалом.

Для оптимального управления параметрами фокуса его радиус и положение должны управляться независимо (или почти независимо). Лучший способ достичь такого результата - использовать два деформируемых зеркала: одно вблизи лазерного источника, другое вблизи фокусирующей головки.

Первое зеркало, установленное вблизи лазера, поддерживает постоянной освещенность фокусирующей оптики и размер луча на ней. Поскольку расстояние между лазером и фокусирующей оптикой, как правило, велико (несколько метров) действие этого зеркала на расходимость луча лазера незначительно и, следовательно, невелико влияние на положение самого фокуса.

Второе зеркало, установленное вблизи фокусирующей оптики, в большей степени определяет положение фокуса, практически не влияя на его размер.

В ООО ТУРН с 1993 года ведутся разработки деформируемых зеркал на основе биморфной технологии и налажено производство одноканальных деформируемых зеркал для использования в составе лазерных технологических комплексов.

Внешний вид деформируемых зеркал показан на Рис. 1, а их технические характеристики приведены в таблице 1.

Рисунок 1 . Деформируемые зеркала АТ22 (слева) и АТ24 для лазерных технологических комплексов

Таблица 1

Технические характеристики деформируемых зеркал для технологических лазеров

Наименование параметра Зеркала ООО "ТУРН"
Тип зеркала AT22 AT24
Диаметр апертуры, мм 42 42
Максим. мощность лазерного излучения, кВт 1 10
Максим. частота, Гц > 50 > 50
Принудительное охлаждение Нет Вода
Управляющее напряжение, В +300...-200 +300...-200
Вес, кГ 0.25 0.3
Габаритный размер (диаметр Х длина), мм 60 x 13 70 x 14
Диапазон радиусов кривизны, м +15...-22 +16...-25
Давление охлажд. жидкости, бар   до 2-х
Отражающее покрытие По требованию заказчика

Мы составляем активную конкуренцию компаниям, применяющим традиционную технологию деформируемых зеркал с толкателями. Наиболее активно на рынке действует немецкая фирма Diehl Stiftung & Co., Rothenbach [3].

Как и зеркала фирмы ТУРН это зеркало имеет защитное и отражающее покрытие с коэффициентом отражения 99.8% на длине волны 10.6 мкм и охлаждающую систему. Деформируемые зеркала различных фирм имеют близкие сопоставимые параметры. Однако, поскольку зеркала фирмы ТУРН в 5-6 раз легче и почти в 10 раз короче, они, в отличие от зеркал фирмы Diehl, могут быть встроены в лазерные технологические комплексы, практически не изменяя конструкции, а также позволяют встраивать их внутрь самого лазера. Кроме того, зеркала фирмы ТУРН обладают на несколько порядков лучшими частотными характеристиками, поскольку не имеют массивных движущихся частей.

Наша фирма провела совместную работу в том числе с участием нескольких немецких фирм. Деформируемое зеркало типа АТ24 было встроено в оптическую систему действующего лазерного технологического комплекса "LFP-Laserbeam cutting and Welding System". Комплекс содержал CO2-лазер мощностью до 6 кВт, причем по одной оси перемещался сам лазер, а другая ось обслуживалась "летающей" оптикой. Длина оптического пути от лазера до обрабатываемого изделия достигала 6м. Фокусное расстояние оптической головки составляло около 30 см. Деформируемое зеркало АТ24, установленное около оптической головки, позволяло смещать фокус в пределах 15мм. Зеркало управлялось штатным блоком управления АТ32 с помощью персонального компьютера и штатного программного обеспечения. Необходимо отметить, что, вследствие несоответствия светового диаметра зеркала размеру лазерного пучка, происходило некоторое виньетирование, которое могло отрицательным образом сказаться на эффективности.

Испытания проводились в режимах пробивки отверстий и резки.

В режиме пробивки отверстий в образцах нержавеющей стали толщиной 8мм зафиксировано двукратное повышение производительности при сохранении всех остальных параметров технологического процесса.

В режиме резки отмечено существенное повышение чистоты поверхности реза такой же стали при сохранении всех других параметров процесса (и несмотря на отмеченное виньетирование). На Рис. 2 приведены фотографии характерных обрабатываемых деталей, вид реза показан на Рис. 3.

Рисунок 2. Характерные детали, полученные методом лазерной резки

Рисунок 3. Поверхность реза при включении деформируемого зеркала. Образец - нержавеющая сталь толщиной 8 мм. Скорость резания 0.46 м/мин.

Мы также провели испытания наших зеркал при установке их внутрь лазера.

Совместно с СП "Лазертех" была проведены испытания лазера типа "ХЕБЪР-1А" (Россия – Болгария), имеющего выходную мощность до 1 кВт, с встроенным деформируемым зеркалом. Был легко реализован импульсно-периодический режим, причем частотно-временные параметры импульсного излучения лазера определялись аналогичными характеристиками управляющего напряжения. При этих испытаниях отмечено, что при прочих равных условиях в импульсно-периодическом режиме улучшается распределение мощности в пятне излучения по сравнению с работой лазера в непрерывном режиме.

В аналогичных испытаниях CO2 лазера "Гарпун-2000"(Россия) с выходной мощностью до 2 кВт, проведенных совместно с СНПП "Исток-Лазер" был не только реализован импульсно-периодический режим, но и устойчиво получен режим модулированной добротности. В этом режиме в начале каждого импульса выходной мощности излучения, частотно-временные характеристики которого также определяются управляющим напряжением на деформируемом зеркале, возникает специфический выброс мощности, превышающий среднюю мощность излучения в 2-3 раза.

Таким образом, в непрерывных лазерах "ХЕБЪР-1А" и "ГАРПУН-2000" были реализованы импульсно-периодический режим и режим модулированной добротности, существенно расширяющие их эксплуатационные характеристики и технологические возможности.

В настоящий момент ООО ТУРН ведет работу по расширению и удешевлению производства выпускаемых зеркал. Заканчивается изготовление ранее разработанного 19-ти канального деформируемого зеркала, предназначенного для компенсации термодеформаций активной среды твердотельного лазера. Планируется выпуск сравнительно дешевого зеркала, по габаритным размерам подходящего для установки в серийные технологические лазеры до 1 кВт (типа "Хебър-1А"). Ведутся работы по выпуску на рынок зеркала со световым диаметром 70 мм.

Необходимо отметить, что все технологические возможности, которые открываются перед лазерными технологическими комплексами с управляемыми зеркалами, практически не исследованы, так как во всем мире только-только приступают к эксплуатации таких интеллектуальных машин.

Кроме тех преимуществ, которые уже были перечислены, применение деформируемых зеркал сулит преодоление технических трудностей при пробивке длинных отверстий, когда требуется их цилиндричность, и при резке сравнительно толстого материала, если нежелательна характерная Х-образная форма реза.

Нет никаких сомнений, что использование деформируемых зеркал внутри и (или) вне резонатора лазерного технологического комплекса позволяет улучшить его эксплуатационные характеристики и расширить технологические возможности: получить большую производительность резки или сварки, лучшую чистоту поверхности реза (шва), увеличить диапазон толщин и номенклатуру обрабатываемых материалов.

Список литературы.

  1. Г.В.Шепелев, Лазер-информ,15(174), авг.1999.
  2. R.Schmiedl, Photonics Spectra, 33,127 (1999).

 

 
 
 

[Главная] [Продукция] [Цены] [Публикации] [ЧаВо] [Форум] [Контакты] [Mail]

 
© Компания "ТУРН", 2001. Тел.: +7 (095) 256-61-08, факс: +7 (095) 363-68-79, E-mail: office@turn.ru