Sviluppo di sorgenti laser ad alta potenza per l'industria

Astratto

  Nonostante l'invenzione e la disponibilità di un'ampia varietà di sorgenti laser, solo pochissimi tipi sono entrati nell'uso industriale, che molto spesso richiede un funzionamento a tre turni affidabile, tempi di attività elevati e bassi costi di esercizio. Da molto tempo il laser a CO2 ha dominato l'area di lavorazione dei materiali ad alta potenza e detiene ancora il 41,1% della più grande quota di mercato in quel settore. Il tipo di laser CO2 più moderno, più affidabile ed economicamente conveniente è la configurazione a lastra raffreddata a diffusione, che offre una qualità del fascio limitata quasi a diffrazione ed è oggi disponibile in una gamma di potenza fino a 8 kW. Il vantaggio dei laser a stato solido è che la loro radiazione può essere guidata attraverso fibre ottiche, ma hanno sofferto di costi elevati e bassa efficienza. L'aspetto dei laser a diodi come fonte di pompaggio molto efficiente e affidabile, tuttavia, ha potenziato la tecnologia laser a stato solido. Non solo la qualità del raggio e l'efficienza del design classico delle aste potrebbero essere migliorate sostituendo le lampade a banda larga con i laser a diodi monocromatici ma, grazie all'elevata brillantezza dei laser a diodi, potrebbero essere realizzati nuovi concetti come il disco sottile e il laser a fibra. Soprattutto la maggiore efficienza, riducendo i costi di gestione in combinazione con una migliore qualità del fascio, rende i laser a stato solido lo strumento del futuro, ogni volta che vengono prese in considerazione le applicazioni 3D.

  introduzione

  Da oltre 30 anni i laser vengono impiegati con successo in varie applicazioni. Come dimostrato dagli studi di mercato1,2, il taglio è l'applicazione più importante (figura 1); non solo i metalli vengono tagliati da laser, ma anche da legno (per esempio per schede), vetro (ad esempio per tubi luminosi), tessuti (ad esempio per airbag), plastica, gomma e materiali compositi.

  La saldatura laser, la seconda applicazione più importante, fornisce una tecnologia di giunzione rapida con un carico termico ridotto al pezzo basato sull'effetto di saldatura a penetrazione profonda; la saldatura laser è principalmente correlata ai metalli, ad es. parti di ingranaggi, grezzi su misura, corpo in bianco, alloggiamenti per sensori, ugelli di iniezione e così via, ma anche la saldatura di polimeri può essere eseguita con laser, in particolare laser a diodi.

Le applicazioni di taglio e di penetrazione (a penetrazione profonda) traggono vantaggio dall'elevata focalizzazione dei raggi laser, ovvero dal fatto che la potenza del laser può essere concentrata in un punto molto piccolo. Secondo la teoria, migliore è la qualità del fascio, minore è lo spot che può essere generato da una certa lunghezza focale o maggiore la distanza di lavoro (lunghezza focale) per un determinato diametro spot rispettivamente. Quindi, lo sviluppo del laser è

Fig. 1: mercato mondiale dei sistemi di trattamento dei materiali laser nel 2005 per applicazione (4,8 mld €) 1, 2

tra l'altro mirando al miglioramento della qualità del fascio. I laser classici come laser a gas CO2 e laser allo stato solido a barre, ma ancora di più i nuovi laser a stato solido nella configurazione a disco o in fibra sono al centro dell'interesse.

  Esistono tuttavia altre applicazioni per i laser come la brasatura, la saldatura per conduzione di calore e il trattamento superficiale (indurimento, rifusione o rivestimento), che non richiedono un'elevata concentrazione di energia poiché vengono eseguite con una dimensione focale piuttosto grande e densità di potenza moderate . I laser a diodi ad alta potenza, che forniscono un'elevata potenza con un'elevata efficienza a scapito della qualità del fascio, sono preferibili per questo tipo di applicazioni.

  Laser a gas

  Tuttavia, laser CO2 altamente affidabili con potenza fino a 20 kW sono stati disponibili in commercio e anche superiori a 100 kW sono stati raggiunti in laboratorio o per scopi di difesa5. Sono stati esaminati e realizzati diversi concetti di flusso di scarico e gas. La configurazione maggiormente utilizzata è la rapida impostazione del flusso assiale, in cui scorre il gasalta velocità parallela all'asse ottico e attraverso uno scambiatore di calore, mosso da un soffiatore di radici o da una turbina; in questo modo, il calore in eccesso viene rimosso e contemporaneamente il gas viene parzialmente sostituito da quello fresco, in quanto la miscela di gas si degrada continuamente durante l'azione del laser. Questo concetto garantisce un'elevata potenza e una buona qualità del raggio. Nonostante questi benefici, tuttavia, il flusso di gas causa alcuni svantaggi intrinseci, ad es. instabilità da turbolenze, costi elevati, grandi dimensioni, pesantezza e frequenti interventi del soffiatore di radici o della turbina e costi considerevoli dal consumo di gas. Pertanto, la sfida è stata quella di sviluppare un concetto che consenta la potenza in uscita in kW senza la circolazione del gas attiva.

La tecnologia CO2-SLAB

  La soluzione è stata trovata nel concetto di lastra a diffusione raffreddata, quasi per coincidenza sviluppata e brevettata da H. Opower6 in Germania e J. Tulip7 in Canada. Il principio è illustrato in Fig. 2: Una guida d'onda monodimensionale è formata tra gli elettrodi insieme agli specchi del risonatore ottico. Con l'ottica di formazione del fascio speciale costituitadi specchi sferici e cilindrici oltre a un filtro spaziale può essere generato un raggio laser di alta qualità con M²1,1. La distanza tra i due elettrodi è di circa un millimetro e, naturalmente, l'accuratezza e l'allineamento sono impegnativi.

Tuttavia, il calore può essere rimosso direttamente attraverso gli elettrodi raffreddati ad acqua e non è richiesto alcun flusso di gas. Pertanto, non sono necessarie parti mobili e nessuna fluttuazione del gas può disturbare il raggio. Inoltre, il gas può essere mantenuto pulito per un lungo periodo, il che comporta un consumo di gas notevolmente ridotto. Il sistema gas è una configurazione semi-sigillata; cioè il destinatario viene evacuato da una semplice pompa rotativa e quindi riempito con un gas premiscelato e spento. Un riempimento di gas può essere utilizzato per circa una settimana o più, a seconda delle condizioni operative, prima che sia necessario sostituirlo. Una bottiglia premiscela installata nella testina laser (Fig. 3) con un volume di 10 litri e un riempimentopressione di 150 atm (quindi, contenente 1500 Nl), dura per più di un anno, portando a considerevolmente ridottocosti di gestione!

Fig. 3: laser a lastra CO2 della serie ROFIN DC con alimentazione del gas integrata

  Il primo prototipo con una potenza di uscita di 1,5 kW è stato introdotto nel 1993. Da quel momento la potenza di uscita potrebbe essere aumentata continuamente (Fig. 4) con l'ulteriore sviluppo dei moduli di scarica e dei generatori HF, che ha permesso di aumentare l'elettrodo area mantenendo la scarica omogenea. Poiché il laser non ha bisogno né di un refrigeratore di gas né di pompe o turbine, è possibile mantenere una dimensione compatta per il sistema nonostante l'area dell'elettrodo e il volume del gas aumentati. La potenza massima disponibile in commercio in questa tecnologia oggi è di 8 kW; ilil fattore di qualità del fascio, tuttavia, è rimasto costante a M²1,1,corrispondente a un prodotto con parametri del raggio di circa 3,5 mm rad! Pertanto, la distribuzione di potenza è un fascio gaussiano di forma quasi ideale (Figura 5, a sinistra). Tuttavia, alcune applicazioni di saldatura richiedono rispettivamente una cucitura più ampia e più alte energie di linea, il che rende preferibile un ingrandimento del diametro focale e una modifica del profilo del fascio. La configurazione speciale del risonatore del laser a guida d'onda non contiene la possibilità della modalità TEM01 * - ("ciambella"), che si è dimostrata la distribuzione di energia più adatta per tali applicazioni nel lungo periodo di laser a flusso assiale veloce con & quot; ; convenzionale & quot; risonatori; pertanto, la modalità ciambella (figura 5, a destra) viene generata da una speciale configurazione ottica nel percorso del raggio laser.

  Il concetto di lastra CO2 è ormai consolidato nelle applicazioni laser industriali: oltre 3000 unità sul campo hanno dimostrato l'elevata affidabilità e bassi costi di gestione di questa tecnologia. inoltrepotrebbe affermare che la tecnologia laser a lastra di CO2 ha contribuito in modo considerevole alla posizione ancora molto forte della tecnologia laser a CO2 nella lavorazione dei materiali e alla crescita del mercato negli ultimi anni8.

M² < 1,1 (& quot; Gauss & quot;)M² ~ 2,2 (& quot; Donut & quot;)

Fig. 5: modalità di base e ciambella per laser lastra CO2

  Applicazioni laser a lastre di CO2

Guidare la potenza del laser e la qualità del raggio ai limiti è utile solo se queste specifiche forniscono un beneficio al processo, nel caso dei laser CO2 questo significa per il taglio e la saldatura: Quasi tutte le sorgenti laser CO2 ad alta potenza (+ 90%) (1 kW) sono utilizzati in questi campi, oltre il 60% per il taglio, la maggior parte nelle macchine a letto piano.

Applicazioni di taglio

  Il vantaggio di una sorgente laser con una migliore qualità del raggio per le applicazioni di taglio è ovvio, poiché la messa a fuoco più piccola consente un taglio più piccolo e, quindi, meno materiale deve essere fuso per il processo di separazione. Questo vale almeno fino a quando ilil materiale non è troppo spesso, come nei materiali spessi il contorno stretto può ostacolare la rimozione del materiale fuso. Tuttavia, la condivisione dei leoni sulle applicazioni di taglio riguarda acciaio dolce, acciaio inossidabile o alluminio nella gamma da 1 a 6 mm.

  Il risultato dimostra chiaramente che molto meno energia è sufficiente dal laser che fornisce la migliore qualità del fascio. Solo a spessori maggiori, oltre i 6 mm, un vantaggio minimo del sistema di flusso assiale veloce alla potenza più elevata diventa riconoscibile in termini di velocità di taglio9.

Fig. 6: Confronto della velocità di taglio in acciaio dolce: lastra da 2,5 kW vs. 4 kW a flusso assiale9

  L'effetto di una migliore qualità del fascio è ancora più impressionante se si considera il taglio a fusione dell'alluminio (Fig. 7). Sotto lo spessore di 2 mm la velocità del laser da lastra da 2,5 kW è 20 notevolmente superiore rispetto al sistema a flusso assiale veloce, mentre è quasi uguale tra 2 e 4 mm di spessore. Con uno spessore maggiore di 15, tuttavia, il taglio più ampio generato dal sistema di flusso assiale rapido da 4 kW può avere qualche vantaggio.10 Effetti simili sono stati osservati per il taglio dell'acciaio inossidabile, ma il fascio più largo può essere vantaggioso anche con uno spessore di circa 2 mm 5. Tuttavia, per un taglio ad alta velocità pari o inferiore a 1 mm, il vantaggio della qualità degli abbaglianti è piuttosto considerevole. UNspeciale sistema di taglio ad alta velocità bidimensionale con aProfondità di penetrazione [mm]quindi, la zona interessata dal calore e la distorsione della parte sono ridotte.

Fig. 8: Confronto della velocità di saldatura per diverse qualità di raggio e laser, resp.11

  Ad esempio, una sezione trasversale di componenti dell'ingranaggio,è stato utilizzato per la cucitura sul lato destro11. A quasi la stessa profondità di saldatura, il laser con qualità del raggio inferiore ha prodotto una cucitura più ampia. D'altra parte la zona di interazione più stretta e più stretta tra il raggio laser e le parti da saldare richiede una preparazione del bordo migliorata in caso di saldatura di testa, altrimenti il ​​fascio "sta cadendo attraverso". la cucitura. Inoltre, oltre a ciò, alcune applicazioni richiedono un raggio più ampio per ragioni metallurgiche, come sottolineato nel capitolo 2.1, che ha causato l'esigenza del fascio in modalità ciambella.

Saldatura di profili e tubi con laser a lastre di CO2

Fig. 9: confronto delle saldature con laser di diversa qualità del fascio alla stessa velocità11

  Un notevole miglioramento della velocità rispetto alla procedura di saldatura TIG convenzionale potrebbe essere raggiunto utilizzando un laser a lastra CO2 di 4,5 kW(ROFIN DC045) per la saldatura di tubi, realizzati in acciaio inossidabile: 18 x 1 [mm] -tubi sono prodotti in un mulino a tubi con 16 m / min, rispetto a 5,5 m / min, che sono stati raggiunti dal TIG - processo di saldatura prima12. E questa alta velocità è limitata da un processo successivo piuttosto che dal processo di saldatura laser stesso. Per questo compito viene impiegato un sistema completo di guida del fascio con sensori di processo integrati, riconoscimento di spazi vuoti e tracciamento delle giunzioni con un laser a guida d'onda CO2 (ROFIN PWS, sistema di saldatura del profilo, Fig. 10 e Fig. 11). Il sistema di sensori senza contatto, azionamenti di motori lineari, un controllore basato su PC e un PLC integrato per garantire un posizionamento preciso del punto laser con una precisione di 20 μm anche alla massima velocità di produzione di 60 m / min! La testa di saldatura, montata su un sistema x-y-z-c, offre un'elevata flessibilità da diverse lunghezze focali, vari ugelli e alimentazione di gas. Gli esempi di saldatura sono mostrati in Fig. 12.

Fig. 10: sistema ROWIN PWS (schizzo)

Fig. 11: Sistema di saldatura del profilo ROFIN PWS con laser a lastra CO2 da 6 kW

Fig. 12: sezioni trasversali di tubi in acciaio inossidabile saldato al laser (1.4301)

Sistema di saldatura a distanza (RWS)

  Finora la qualità del raggio migliorata fornita dal concetto di lastra di CO2 è stata utilizzata per generare una maggiore densità di potenza in un punto focale più piccolo. Tuttavia la densità di potenza più alta non è sempre necessaria. La densità di potenza ragionevole è sufficiente per la saldatura a foglio sottile. In tale situazione, la qualità del raggio migliorata può essere tradotta in una grande distanza di lavoro nel raggio di un metro o più! Tale idea ha portato a un concetto che applica una tecnologia di scansione dei raggi simile a quella utilizzata nelle applicazioni di marcatura per un processo di saldatura ad alta potenza in un cosiddetto sistema di saldatura laser a distanza. Il principio generale è spiegato nel disegno di Fig. 13: Uno specchio a sospensione cardanica può spostare la messa a fuoco molto rapidamente su una superficie sferica; per compensare questo, cioè per portare la messa a fuoco su un campo piatto nel piano di lavoro, la lente di messa a fuoco può essere spostata (z). Infine, lo specchio può essere spostato anche in modo lineare per estendere il campo di lavoro in direzione z. In questo modo, la messa a fuoco può essere posizionata molto rapidamente su un'area di 1500 mm x 2400 mm e con un intervallo di altezza di 650 mm. Un intero sistema (senza camera di lavoro) è presentato in Fig. 14. Il vantaggio di un tale sistema è ovvio: grazie al rapido movimento la tecnologia del sistema di saldatura remota è in grado di aumentare il numero di punti o saldature di linea in un dato ciclo tempo di un fattore fino a dieci. La varietà illimitata di contorni saldati all'interno della busta di lavoro apre nuove ed entusiasmanti possibilità di progettazione e costruzione. Le parti più importanti sono le portiere, il cofano o il cofano del bagagliaio e le colonne. Naturalmente il tempo di elaborazione dipende dalla singola parte e dalla lunghezza, dalla forma e dal numero di saldature, ma come stima approssimativa circa 100 giunzioni di saldatura tipiche possono essere eseguite entro circa 40 secondi. Speciali sistemi di bloccaggio sono necessari per fissare le parti e fornire gas di protezione se necessario.

                                                   Fig. 13: Schema della configurazione del sistema di saldatura laser remota (RWS)Fig. 14: sistema di produzione RWS