Ontwikkeling van krachtige laserbronnen voor de industrie

Abstract

Ondanks de uitvinding en de beschikbaarheid van een breed scala aan laserbronnen, zijn er maar heel weinig typen die hun weg hebben gevonden naar het industriële gebruik, wat vaak een betrouwbare werking in drie ploegen, hoge uptime en lage bedrijfskosten vereist. De CO2-gaslaser domineerde lange tijd het gebied van de verwerking van hoog vermogen en heeft nog steeds met 41,1% het grootste marktaandeel op dat gebied in handen. De modernste, meest betrouwbare en meest kostenefficiënte type CO2-laser is de diffusiegekoelde plaatconfiguratie, die een bijna diffractiegrens beperkte bundelkwaliteit biedt en tegenwoordig beschikbaar is in een vermogensbereik tot 8 kW. Het voordeel van solid state-lasers is dat hun straling door optische vezels kan worden geleid, maar dat ze te kampen hebben met hoge kosten en een laag rendement. Het uiterlijk van diodelasers als een zeer efficiënte en betrouwbare pompbron heeft echter een versterkte vastestoflasertechnologie. Niet alleen de kwaliteit van de bundel en de efficiëntie van het klassieke staafontwerp konden worden verbeterd door breedbandlampen te vervangen door monochromatische diodelasers, maar vanwege de hoge glans van de diodelasers konden nieuwe concepten zoals de dunne schijf en de fiberlaser worden gerealiseerd. Vooral de hogere efficiëntie, verlaging van de bedrijfskosten in combinatie met een verbeterde bundelkwaliteit, maakt de Solid State-lasers het instrument van de toekomst, wanneer 3D-toepassingen in overweging worden genomen.

  Invoering

  Al meer dan 30 jaar worden lasers met succes toegepast in verschillende toepassingen. Zoals bewezen door marktonderzoek1, 2, is knippen de meest opvallende toepassing (figuur 1); niet alleen metalen worden gesneden door lasers, maar ook hout (bijvoorbeeld voor die-boards), glas (bijvoorbeeld voor lichte buizen), textiel (bijvoorbeeld voor airbags), kunststoffen, rubber en composieten.

  Laserlassen, de op één na belangrijkste toepassing, biedt een snelle verbindingstechnologie met minimale warmtebelasting van het werkstuk op basis van het diepe penetratie-laseffect; laserlassen heeft voornamelijk betrekking op metalen, b.v. tandwielonderdelen, op maat gemaakte onafgewerkte stukken materiaal, een wit lichaam, sensorbehuizingen, injectiespuitmonden enzovoorts, maar ook polymeerlassen kan worden uitgevoerd met lasers, in het bijzonder diodelasers.

  Snij- en (diepe penetratie) lastoepassingen profiteren van de hoge focusseerbaarheid van de laserstralen, d.w.z. het feit dat het laservermogen kan worden geconcentreerd op een zeer kleine plek. Volgens de theorie geldt: hoe beter de bundelkwaliteit, hoe kleiner de spot die kan worden gegenereerd door een bepaalde brandpuntsafstand of hoe groter de werkafstand (brandpuntsafstand) voor een bepaalde vlekdiameter. Dus, laserontwikkeling is

Fig. 1: Wereldmarkt voor laser-verwerkingssystemen in 2005 door toepassing (4,8 miljard €) 1, 2

onder andere gericht op de verbetering van de lichtbundelkwaliteit. De klassieke lasers zoals CO2-gaslasers en staafvormige halfgeleiderlasers, maar nog meer de nieuwe solid state-type lasers in schijf- of vezelconfiguratie staan ​​hier centraal.

Er zijn echter andere toepassingen voor lasers zoals hardsolderen, warmtegeleidingslassen en oppervlaktebehandeling (verharding, hersmelten of bekleden), die niet zo'n hoge concentratie van de energie vereisen als ze worden uitgevoerd met een vrij grote brandpuntsafstand en met matige vermogensdichtheden . Hoogvermogen diodelasers, die een hoog vermogen met een hoog rendement bieden ten koste van de bundelkwaliteit, hebben de voorkeur voor dergelijke typen toepassingen.

  Gaslasers

Zeer betrouwbare CO2-lasers met een vermogen van maximaal 20 kW zijn echter in de handel verkrijgbaar en zelfs boven de 100 kW zijn in het laboratorium of voor defensiedoeleinden bereikt5. Verschillende verschillende ontladings- en gasstroomconcepten zijn onderzocht en gerealiseerd. De meest gebruikte configuratie is de snelle axiale flow-opstelling, waarin het gas stroomthoge snelheid evenwijdig aan de optische as en door een warmtewisselaar, bewogen door een wortelluchtblazer of een turbine; op die manier wordt de overtollige warmte verwijderd en tegelijkertijd wordt het gas gedeeltelijk vervangen door vers gas, terwijl het gasmengsel tijdens de laserwerking voortdurend afbreekt. Dit concept zorgt voor een hoog vermogen en een goede bundelkwaliteit. Ondanks deze voordelen veroorzaakt de gasstroom echter enkele inherente nadelen, b.v. instabiliteiten door turbulenties, hoge kosten, grote afmetingen, zwaar gewicht en frequente service van de wortelluchtblazer of de turbine en aanzienlijke kosten door gasverbruik. De uitdaging was dus om een ​​concept te ontwikkelen dat het uitgangsvermogen van het kW-bereik mogelijk maakt zonder actieve gascirculatie.

De CO2-SLAB-technologie

  De oplossing werd gevonden in het door diffusie gekoelde plaatconcept, bijna toevallig ontwikkeld en gepatenteerd door H. Opower6 in Duitsland en J. Tulip7 in Canada. Het principe is afgebeeld in Fig. 2: Een eendimensionale golfgeleider wordt gevormd tussen de elektroden samen met de spiegels van de optische resonator. Door speciale straalvormende optica bestaandevan zowel bolvormige en cilindrische spiegels als een ruimtelijk filter kan een laserstraal van hoge kwaliteit met M²1,1 worden gegenereerd. De afstand tussen de twee elektroden is ongeveer een millimeter en uiteraard zijn nauwkeurigheid en uitlijning een uitdaging.

  De warmte kan echter direct via de watergekoelde elektroden worden verwijderd en er is geen gasstroom nodig. Er zijn dus geen bewegende delen nodig en geen gasfluctuaties kunnen de straal verstoren. Verder kan het gas over een lange periode schoon worden gehouden, wat leidt tot een aanzienlijk verminderd gasverbruik. Het gassysteem is een semi-afgesloten configuratie; d.w.z. de ontvanger wordt geëvacueerd door een eenvoudige roterende pomp en dan gevuld met een voormenggas en uitgeschakeld. Eén gasvulling kan ongeveer een week of langer worden gebruikt, afhankelijk van de bedrijfsomstandigheden, voordat deze moet worden vervangen. Een voormengfles geïnstalleerd in de laserkop (fig. 3) met een inhoud van 10 liter en een vullingdruk van 150 atm (dus 1500 Nl), duurt meer dan een jaar, wat leidt tot aanzienlijk minderlopende kosten!

Afb. 3: CO2-plaatlaser ROFIN DC-serie met geïntegreerde gastoevoer

Het eerste prototype met een uitgangsvermogen van 1,5 kW is geïntroduceerd in 1993. Sinds die tijd kon het uitgangsvermogen continu worden verhoogd (figuur 4) door de ontladingsmodules en de HF-generators verder te ontwikkelen, waardoor de elektrode toenam gebied terwijl de homogene ontlading gehandhaafd blijft. Omdat de laser geen gaskoeler of pompen of turbines nodig heeft, kan ondanks het toegenomen elektrodeoppervlak en het gasvolume een compact formaat voor het systeem worden gehandhaafd. Het maximale vermogen dat tegenwoordig commercieel beschikbaar is in deze technologie is 8 kW; dede bundelkwaliteitsfactor bleef echter constant op M² 1,1,komt overeen met een bundelparameterproduct van ongeveer 3,5 mm rad! De vermogensverdeling is dus een bijna ideaal gevormde Gauss-straal (figuur 5, links). Sommige lastoepassingen vereisen echter respectievelijk een bredere naad en hogere lijnenergieën, wat een vergroting van de brandpuntsdiameter de voorkeur geeft, evenals een wijziging van het straalprofiel. De speciale resonatorconfiguratie van de golfgeleiderlaser bevat niet de mogelijkheid van TEM01 * - ("donut") - modus, waarvan is bewezen dat deze de meest geschikte energiedistributie is voor dergelijke toepassingen in de lange periode van snelle axiale stroomlasers met & quot; ; conventionele & quot; resonatoren; daarom wordt de donutmodus (Fig. 5, rechts) gegenereerd door een speciale optische opstelling in het laserstraalpad.

  Het CO2-plaatconcept is nu goed ingeburgerd in industriële lasertoepassingen: meer dan 3000 units in het veld hebben de hoge betrouwbaarheid en lage bedrijfskosten voor deze technologie bewezen. Bovendienkan stellen dat de CO2-plaatlasertechnologie aanzienlijk heeft bijgedragen aan de nog steeds zeer sterke positie van de CO2-lasertechnologie in de materiaalverwerking en de marktgroei in de afgelopen jaren8.

M² < 1,1 (& g; gauss & quot;)M² ~ 2,2 ("Doughnut")

Fig. 5: Basismodus en doughnutmodus voor CO2-plaatlaser

  CO2-plaat lasertoepassingen

  Het in de limiet brengen van laservermogen en bundelkwaliteit is alleen nuttig als deze specificaties een voordeel bieden voor het proces, in het geval van CO2-lasers betekent dit snijden en lassen: bijna alle (> 90%) CO2-laserbronnen met hoog vermogen (1 kW) worden in deze velden gebruikt, meer dan 60% voor het snijden, het merendeel in machines met een vlak bed.

  Toepassingen snijden

  Het voordeel van een laserbron met een verbeterde bundelkwaliteit voor snijtoepassingen ligt voor de hand, omdat de kleinere focus een kleinere inkeping mogelijk maakt en dus minder materiaal moet worden gesmolten voor het scheidingsproces. Dit geldt minstens zo lang als dehet materiaal is niet te dik, omdat bij dikke materialen de smalle zaagsnede het verwijderen van het gesmolten materiaal kan hinderen. De leeuwen delen echter op snijtoepassingen met zacht staal, roestvrij staal of aluminium in het bereik van 1 tot 6 mm.

Het resultaat toont duidelijk aan dat veel minder vermogen voldoende is van de laser die de verbeterde bundelkwaliteit levert. Alleen bij hogere dikte, groter dan 6 mm, wordt een minimaal voordeel van het snelle axiale doorstroomsysteem bij het hogere vermogen herkenbaar in termen van snijsnelheid9.

Fig. 6: Vergelijking van snijsnelheid in zacht staal: 2,5 kW plaat versus 4 kW snel-axiale flow9

  Het effect van een verbeterde straalkwaliteit is nog indrukwekkender 25 als fusiesnijden van aluminium wordt overwogen (Fig. 7). Onder een dikte van 2 mm is het toerental voor de 2,5 kW plaatlaser 20 aanzienlijk hoger dan voor het snelle axiale stroomsysteem, terwijl het bijna hetzelfde is tussen 2 en 4 mm dikte. Bij een grotere 15 dikte kan de bredere kerf die wordt gegenereerd door het 4 kW snelle axiale stromingsysteem enig voordeel hebben.10 Soortgelijke effecten zijn waargenomen voor het snijden van roestvrij staal, maar de bredere balk kan zelfs bij een dikte van ongeveer 2 mm 5 voordelig zijn. Voor snijden met hoge snelheid op of onder 1 mm is het voordeel van de hoge bundelkwaliteit echter aanzienlijk. EENspeciaal tweedimensionaal snijsysteem met hoge snelheid met aPenetratiediepte [mm]zo worden door warmte beïnvloede zone en vervorming van het deel gereduceerd.

Fig. 8: Vergelijking van lassnelheid voor verschillende straalkwaliteiten en lasers, resp.11

  Als voorbeeld, een dwarsdoorsnede van versnellingscomponenten,werd gebruikt voor de naad aan de rechterkant11. Bij bijna dezelfde lasdiepte produceerde de laser met een inferieure bundelkwaliteit een bredere naad. Aan de andere kant vereist een smallere naad en smallere interactiezone tussen de laserstraal en de te lassen onderdelen een verbeterde randvoorbereiding in het geval van stomplassen, omdat anders de bundel "door" valt. de naad. Bovendien, naast dit, vereisen sommige toepassingen een bredere bundel voor metallurgische redenen, zoals uiteengezet in hoofdstuk 2.1, die de vereiste veroorzaakte voor de staaf met donutmodus.

Profiel- en buislassen met CO2-plaatlaser

Fig. 9: vergelijking van naadlassen met lasers van verschillende bundelkwaliteit met dezelfde snelheid11

  Aanzienlijke verbetering van de snelheid ten opzichte van de conventionele TIG-lasprocedure kon worden bereikt door een CO2-plaatlaser van 4,5 kW te gebruiken(ROFIN DC045) voor het lassen van buizen, gemaakt van roestvrij staal: 18 x 1 [mm] -buizen worden geproduceerd in een buismolen met 16 m / min, vergeleken met 5,5 m / min, die werden bereikt door de TIG -lasproces vóór12. En deze hoge snelheid wordt beperkt door een volgend proces in plaats van door het laserlasproces zelf. Hiervoor wordt een compleet bundelgeleidingssysteem met geïntegreerde processensoren, gap recognition en naadtracering met een CO2-golfgeleiderlaser (ROFIN PWS, Profile Lelding System, Fig. 10 en Fig. 11) gebruikt. Het contactloze sensorsysteem, lineaire motoraandrijvingen, een pc-gebaseerde controller en een geïntegreerde PLC zorgen voor een exacte positionering van de laserspot met een nauwkeurigheid van 20 μm, zelfs bij de hoogste productiesnelheid van 60 m / min! De laskop, gemonteerd op een x-y-z-c-systeem, biedt een hoge flexibiliteit door verschillende brandpuntsafstanden, verschillende spuitmonden en de gastoevoer. Lasvoorbeelden worden getoond in Fig. 12.

Fig. 10: ROFIN PWS-systeem (schets)

Afb. 11: ROFIN-profiellasinstallatie PWS met 6 kW CO2-plaatlaser

Fig. 12: doorsneden van buizen van lasergelast roestvrij staal (1.4301)

Lassen op afstand (RWS)

  Tot dusverre is de verbeterde bundelkwaliteit geleverd door het CO2-plaatconcept gebruikt voor het genereren van een hogere vermogensdichtheid in een kleiner brandpunt. De hoogste vermogensdichtheid is echter niet altijd nodig. Een redelijke vermogensdichtheid is voldoende voor lassen met dunne platen. In een dergelijke situatie kan de verbeterde bundelkwaliteit worden vertaald in een grote werkafstand in het bereik van een meter of meer! Een dergelijk idee heeft geleid tot een concept, dat een vergelijkbare beam-scantechnologie toepast, zoals deze wordt gebruikt bij het markeren van toepassingen op een lasproces met hoog vermogen in een zogenaamd laserlassen op afstand. Het algemene principe wordt uitgelegd in de schets in Fig. 13: Een cardanus gemonteerde spiegel kan de focus zeer snel verplaatsen op een bolvormig oppervlak; om dit te compenseren, d.w.z. om de focus naar een vlak veld in het werkvlak te brengen, kan de focusseerlens worden verschoven (z). Ten slotte kan de spiegel ook lineair worden bewogen om het werkveld in z-richting uit te breiden. Op die manier kan de focus zeer snel worden geplaatst op een oppervlak van 1500 mm x 2400 mm en met een hoogtebereik van 650 mm. Een volledig systeem (zonder een werkkamer) is weergegeven in figuur 14. Het voordeel van een dergelijk systeem ligt voor de hand: vanwege de snelle beweging kan de lassysteemtechnologie op afstand het aantal puntlassen of lijnlassen in een gegeven cyclus vergroten tijd met een factor van maximaal tien. De onbeperkte verscheidenheid van lascontouren binnen de werkomslag opent nieuwe en opwindende mogelijkheden in ontwerp en constructie. De meest opvallende onderdelen zijn autodeuren, kap of kofferbakafdekking en kolommen. Natuurlijk hangt de verwerkingstijd af van het individuele deel en van lengte, vorm en aantal lassen, maar als ruwe schatting kunnen ongeveer 100 typische lasnaden binnen ongeveer 40 seconden worden uitgevoerd. Speciale klemsystemen zijn nodig om de onderdelen te bevestigen en indien nodig beschermgas te leveren.

                                                   Fig. 13: Schets van de opstelling van het externe laserlassysteem (RWS)Fig. 14: RWS-productiesysteem