АТС ОСТ

 
  • Increase font size
  • Default font size
  • Decrease font size
  • default color
  • blue color
  • green color

Сравнение СО2 и волоконных лазеров Печать

На сегодняшний день основными типами источников лазерного излучения являются CO2, волоконные, дисковые и диодные лазеры. Если классифицировать их по основному отличительному признаку, а именно длине волны, то можно выделить три указанные ниже группы:

  1. CO2-лазеры с длиной волны 10,6 µm,
  2. твердотельные лазеры с длиной волны около 1 µm,
  3. диодные лазеры с длиной волны от 880 nm до 1040 nm.

Применительно к продукции компании Rofin-Sinar Laser GmbH – это диффузионно охлаждаемые CO2-SLAB лазеры с мощностью 1 – 8 кВт и длиной волны 10,6 µm, а также волоконные лазеры с мощностью 0,5 – 4 кВт и длиной волны от 1070 nm до 1080 nm.

Длина волны – качество луча – абсорбция

Длина волны напрямую влияет на наиболее важные параметры прикладного применения лазера. Так у различных типов лазеров, оснащенных идентичными по характеристикам оптическими системами, нельзя не заметить весьма отчетливых различий как по диаметру точки фокусирования, так и интенсивности в ней лазерного луча. Рис. 1. Фокусируемость луча при одинаковой длине волныЕсли говорить о волоконных лазерах, то уменьшение длины волны на один порядок позволяет получить существенно меньшее пятно луча на обрабатываемой детали.

Сказанное выше полностью справедливо для типичных фокусных расстояний, составляющих около 5 дюймов для резки и до 300 мм для классической сварки. Однако, ориентироваться при выборе конкретного изделия на присвоенный ему унифицированный показатель качества лазерного излучения, например «K» или «M2», не стоит ввиду того, что в данном случае он малоинформативен. Гораздо важнее обратить внимание на показатель качества пучка, теоретический предел которого для SLAB лазера составляет ~3,4 мм/рад, а для волоконного – ~0,34 мм/рад. Решать же вопрос насколько критично малое фокусное расстояние следует, исходя из конкретных целей применения. Для классической сварки основополагающими критериями являются ширина сварного шва, а также его способность выдерживать воздействующие крутящие моменты и силы. Высокая скорость резки тонкого листового материала < 3 мм достижима при малых фокусных расстояниях. Резка же толстого материала сопряжена, как правило, с затрудненностью удаления расплава из зоны резки, поэтому для данного применения эффективнее использовать лазер с увеличенным размером пятна луча.
Кроме этого, длина волны оказывает существенное влияние на абсорбцию лазерного излучения обрабатываемым материалом.  Рис. 2. Абсорбция лазерного излученияС этой точки зрения, идеальным вариантом для резки дерева, синтетики (в том числе стеклопластика), стекла, тканей и бумаги, является CO2-лазер, генерирующий длинноволновое излучение в инфракрасном диапазоне. Для волоконных лазеров с их малой длиной волны абсорбция не играет применительно к этим материалам какой либо значимой роли.
Металлические материалы наоборот лучше абсорбируют коротковолновое излучение. На рис. 2 показана степень абсорбции различных материалов в зависимости от длины волны. Железо и сталь вполне успешно можно обрабатывать с помощью SLAB лазеров. Неплохой результат, к тому же при меньшей мощности, показывают волоконные лазеры. Они же являются практически единственным вариантом для обработки меди. Лазеры с длиной волны ок. 1 µm намного эффективнее длинноволновых при обработке цветных и благородных металлов. Это же относится к алюминию, входящему в состав многих сплавов и обладающему высокой способностью к абсорбции коротковолнового лазерного излучения.

Поляризация – лазерная резка – скорость

Наряду с выше упомянутой абсорбцией, обусловленной длиной волны, не менее важную роль в передаче энергии электромагнитного излучения толще материала играет закон Френеля, согласно которому отражение и преломление для диэлектриков зависит от угла падения света и относительного коэффициента преломления на границе двух сред. Рис. 3 / 4. Абсорбция по Френелю металла при точке плавленияПри этом отражение поверхности зависит как от свойств обрабатываемого материала и угла падения луча, так и направления плоскости его поляризации (перпендикулярного или параллельного). Это открывает фундаментальную возможность для оптимизации передачи энергии материалу применительно к конкретным производственным целям.
Однако, реализовать ее технологически крайне непросто. Ведь фокусирующая головка должна находится в непрерывном вращении для синхронизации направления поляризации с направлением подачи обрабатываемого материала. И оптимального решения этой проблемы пока не найдено. Так, например, чтобы как-то обойти данную техническую проблему и преобразовать линейно поляризованные пучки света в пучки света с круговой поляризацией в конструкцию СО2-лазеров с их технологически обусловленной линейной поляризацией излучения было введено фазосдвигающее зеркало лямбда/4 для сдвига фазы колебаний Рис 5. Скорость резки при 1 µm и 10  µms - и p - составляющих линейно-поляризованного пучка светаотносительно друг друга. Не менее сложным выглядит вопрос с поляризацией для волоконных лазеров, поскольку луч, пройдя по пассивному транспортному волноводу, меняет свое первоначальное направление поляризации на случайное. На рис. 3 и 4 представлены диаграммы абсорбции по Френелю для лазерного излучения с длиной волны 10 µm и 1 µm. Красная кривая относится к лучу со случайной или круговой поляризацией.
Что касается лазерной резки плавлением с использованием азота, то здесь представляется важным учитывать величину наклона луча к фронту резки,  причем угол должен быть тем ближе к 90о, чем толще обрабатываемый материал. Это наглядно демонстрируют диаграммы, приведенные на рис. 3 и 4. Как следует из приведенных графиков, оптимальная абсорбция достигается при обработке волоконным лазером тонколистового материала, CO2-лазером наоборот – материала со значительной толщиной. Это подтверждают также тесты, выполненные в производственных условиях. На рис. 5 показана сравнительная диаграмма скорости резки для обоих типов лазеров мощностью около 2 кВт. Начиная с толщины обрабатываемого материала равной 4 мм наклон луча негативно сказывается на передаче энергии излучения с длиной волны 1 µm, при этом результаты по скорости резки становятся практически идентичными.
Что касается газопламенной резки с использованием кислорода, то ни одному из названных типов лазеров невозможно отдать предпочтение, поскольку достижимая скорость определяется главным образом процессом горения кислорода. Демонстрировать это на графиках мы не будем. Упомянем лишь, что скорость газопламенной резки листового металла толщиной > 5 мм превосходит скорость резки плавлением  и соответственно ниже нее при резке более тонкого материала.
Говоря об абсорбции и скоростных показателях, нельзя не упомянуть, что резка некоторых материалов (например, меди и цветных металлов, а также в большинстве случаев – алюминия) предпочтительна либо вообще возможна, как уже говорилось в предыдущем разделе, только с использованием волоконных лазеров. Рис. 6. Качество кромок при толщине 3 мм
Следует обратить внимание и на другой аспект резки – ее качество, которое не менее важно, чем скорость. Здесь результаты, демонстрируемые CO2- и волоконными лазерами, существенно разняться. Дать детальное объяснение этому – задача современной науки.
Укажем лишь, что качество кромок, получаемое в процессе газопламенной резки, для обоих типов лазеров практически одинаковое. При резке плавлением волоконными лазерами шероховатость резко возрастает с увеличением толщины обрабатываемого материла, что, естественно, не приветствуется производителями.
В заключении обобщим сказанное выше. Волоконные лазеры имеют неоспоримое преимущество при резке плавлением тонколистового материала. Учитывая достаточно хорошее качество кромок при обработке материалов толщиной до 3 мм, эта область может стать в ближайшем будущем их вотчиной. CO2-лазеры демонстрируют высокое качество резки плавлением материалов значительной толщины. В области газопламенной резки показатели обоих типов лазеров примерно одинаковы. Так что производителю следует руководствоваться здесь скорее соображениями стоимости. Но подробнее об этом поговорим в следующем разделе.

Лазерная сварка – качество – брызгообразование

В процессе сварки лазерным лучом, как и при резке, также образуется расплав металла – с той лишь разницей, что в данном случае отсутствует его удаление под воздействием давления газа. В полной мере применимо к сварке и все то, что  говорилось ранее относительно абсорбции, поляризации и величины наклона лазерного луча (здесь относительно фронта парового капилляра). Нетрудно сделать вывод, что при глубине шва в пределах нескольких миллиметров волоконный лазер обеспечивает в большинстве случаев более высокую рабочую скорость. Но не следует забывать и о качестве, чтобы более полно понять различие между обоими типами лазеров применительно к сварке. Волоконные лазеры, обладающие лучшей фокусируемостью при идентичном качестве пучка, позволяют обеспечить более высокую интенсивность луча за счет использования более короткого фокусного расстояния. Качество сварки во многом зависит от геометрии шва, формы стыка и характеристик материала. Часто именно они обуславливают существенную неровность верхнего валика шва и усиленное брызгообразование. К сожалению, пока не удалось вывести какую-либо четкую закономерность, когда и с какой интенсивностью будет наблюдаться брызгообразование, однако, чаще (но не обязательно) оно проявляется при длине волны около 1 µm.
К обоим типам лазеров можно применить следующие технологическое правило: поперечное сечение сварного шва пропорционально энергии на единицу длины, вычисленную как мощность лазера, поделенная на скорость сварки. Как правило, поперечное сечение рассчитывается заранее, исходя из заданных величин сил и вращающих моментов, которые будут воздействовать на деталь. Скорость сварки определяется временем рабочего такта проектируемой производственной установки. Увеличение скорости при неизменной мощности ведет к уменьшению площади поперечного сечения шва, и наоборот – уменьшение скорости обуславливает формирование шва с большей площадью поперечного сечения. При низких скоростях сварки глубина шва почти не зависит от размера фокусного пятна. При высоких скоростях сварки глубина шва соотносится с мощностью лазера, поделенной на размер фокусного пятна.      
Рис. 7. Примеры сварки Волоконные лазеры, характеризующиеся лучшей абсорбцией излучения при выполнении различных сварочных операций, обеспечивают большую глубину шва при меньшей мощности, чем CO2-лазеры. Адаптация под геометрию шва выполняется обычно путем использования оптических волокон соответствующего диаметра и/или применения двухлучевой оптики. Чтобы адаптировать излучение CO2-SLAB лазеров для целей сварки, в частности, для получения донатовой моды, используют спиралевидные зеркала. 
Кажется, что сравнение обоих лазерных технологий однозначно говорит в пользу волоконных лазеров, однако недостаточно полно изученное брызгообразование может свести это преимущество практически на нет. Например, CO2-лазер показал в одном из практических применений в два раза меньшее образование мелкого и в три с половиной раза крупного сварочного грата, вследствие чего от использования волоконного лазера пришлось отказаться из-за недостаточно высокого качества получаемой поверхности.
Выбор той или иной технологии зависит в первую очередь от конкретного применения. Создать более глубокий сварной шов (начиная с ~ 8 мм) проще с помощью CO2-лазера, чем волоконного лазера, который для этой цели должен обладать существенно большей мощностью, что значительно повышает риск брызгообрзования и получения крайне неровной поверхности верхнего валика шва.   
Для защиты образующейся в процессе сварки ванны расплавленного металла от окисления и формирования ровной поверхности верхнего валика шва применяют защитный инертный газ. При сварке с помощью CO2-лазера его использование считается обязательным для предотвращения возникновения эффекта экранирования образующимся облаком плазмы. Ранее в качестве защитного газа в основном использовали гелий. В настоящее время по соображениям стоимости чаще применяют аргон, CO2 или азот. Понятно, что расходы на газ не могут не сказываться на суммарном увеличении производственных расходов.
Первоначально при сварке лазерами с длиной волны 1 µm защитный газ не использовался, поскольку считалось, что в этом случае эффект экранирования облаком плазмы возникнуть не может. Однако, качество поверхности сварного шва получалось настолько низким (наличие пор, отверстий), что удовлетворительным можно было признать лишь около 80% его длины. Для водо- или газонепроницаемых швов качество поверхности не играет значимой роли, другое дело при сварке деталей автомобильных кузовов, предназначенных для последующей покраски погружением и установки герметизирующих уплотнений.
Кроме этого, возможно возникновение так называемого эффекта рассеяния Ми, т. е. рассеяния электромагнитных волн на сферических частицах, имеющих размер, сравнимый с длиной волны. Частицы, взвешенные в сварочном дыме, как правило отвечают данному критерию, что затрудняет поглощение материалом мощности лазерного излучения. Для подавления эффекта рассеяния сварку лазерами с длиной волны 1 µm часто выполняют в перекрестном сверхзвуковом воздушном потоке, удаляющем частицы и обеспечивающим защиту оптических поверхностей от появления царапин и оседания загрязнений. Разумеется, это опять ведет к увеличению эксплуатационных расходов, в данном случае связанным со снабжением  сжатым воздухом высокой степени очистки.

Заключение

Обе лазерные технологии имеют полное право на существование и присутствие на современном рынке, дополняя и частично перекрывая друг друга. Именно поэтому для потребителя и эксплуатанта крайне важен комплексный подход к выбору оптимального решения, в основе которого лежала бы всесторонняя оценка всех факторов, говорящих «за» и «против». Простое решение вопроса – «либо волоконный, либо CO2-лазер» – представляется явно поверхностным.        
Потребитель должен трезво оценить, сможет ли он за счет более низких затрат на эксплуатацию волоконного лазера покрыть в течение соразмерного временного отрезка более высокую стоимость производственной установки. Ему следует спросить себя, насколько достижимое качество будет удовлетворять его потребностям, явится ли приобретаемая им установка, лазер и периферия тем оптимальным решением, которое ему необходимо. Не следует также упускать из виду еще одну немаловажную величину, которую всегда следует брать в расчет, а именно издержки в расчете на единицу продукции. Она измеряется в евро и определяется, например, что касается сварки, индивидуально применительно к каждому конкретному случаю. Здесь по стоимостным показателям победителем окажется волоконный лазер, но по качеству обработки – CO2-лазер, причем с весомым отрывом. Волоконный лазер – бесспорный лидер в области резки плавлением тонколистовых материалов. Но CO2-лазер, который многие поспешили списать со счетов, не сдается, демонстрируя превосходные результаты в резке материалов большой толщины, а также в газопламенной резке.