Laser włóknowy jako narzędzie energooszczędne

Laser włóknowy jako narzędzie energooszczędne
Fot. Adobe Stock. Data dodania: 20 września 2022

Pozycja laserów włóknowych [zwanych też błędnie światłowodowymi - przyp. tłum. ugruntowała się w najbardziej różnorodnych zastosowaniach przemysłowych. Zalety tych laserów, jak: doskonała jakość wiązki, solidna (kompaktowa) budowa i możliwość doboru mocy wyjściowej wiązki laserowej w szerokim zakresie doprowadziły do tego, że w wielu zastosowaniach lasery włóknowe wyparły konwencjonalne źródła laserowe lub w ogóle umożliwiły stosowanie technologii laserowych.

Sprawność elektryczna tych laserów (do około 45%) stanowi o tym, że laser włóknowy jest narzędziem energooszczędnym, które minimalizuje nakłady i koszty związane z zasilaniem elektrycznym oraz chłodzeniem.

Artykuł opisuje technologie laserów włóknowych i daje przegląd zastosowań w zakresie mikro- i makroobróbki za pomocą laserów pracujących zarówno w trybie impulsowym, jak i emitujących wiązkę ciągłą (CW) o modzie podstawowym, jak też wiązkę wielomodową.

Zasada działania

Laser włóknowy jest konwerterem promieniowania, który przekształca wielomodową pompującą wiązkę laserową o długości fali 970 nm w wyjściową wiązkę laserową o długości fali 1070 nm i o jakości odpowiadającej wiązce o modzie podstawowym. W przeciwieństwie do konwencjonalnego lasera na ciele stałym wiązka promieniowania lasera włóknowego jest wytwarzana w domieszkowanym światłowodzie aktywnym pompowanym optycznie poprzez sprzęg optyczny światłowodu aktywnego ze światłowodem pompującym (rys. 1).

Wiązka laserowa wychodząca z włókna aktywnego rezonatora jest wprowadzona w światłowód transportujący, który doprowadza tę wiązkę do głowicy procesowej laserowego stanowiska roboczego.

W przypadku laserów włóknowych firmy IPG jako diody pompujące są stosowane pojedyncze emitery, emitujące promieniowanie o długości fali 970 nm. Pochodzą one z rynku telekomunikacyjnego i znajdują zastosowanie tylko w aplikacjach przemysłowych. Pojedyncze diody są chłodzone bezpośrednio, a nie za pomocą mikrokanalików.

Zastosowanie promieniowania laserowego w procesie cięcia lub spawania wiązką skanującą wymaga wysokiej częstotliwości włączania i wyłączania (w zakresie kHz), aby skrócić czas procesu lub ograniczyć ilość ciepła wprowadzonego do materiału. Lasery włóknowe mogą być przełączane w zakresie kHz, diody mają moc modulowaną w zakresie 0-100% bez ograniczenia ich żywotności.

Poszczególne emitery pracują termicznie wzajemnie niezależnie; ciepło może być w prosty sposób odprowadzone. Emitery tego rodzaju są obecnie wytwarzane seryjnie w zakresie mocy 10, 20, 30-70 W.

Blok światłowodu włóknowego jest wyposażony w siatkę Bragga, która jest naniesiona na włókno aktywne. Siatka Bragga przejmuje funkcje zwierciadła zarówno całkowicie odbijającego, jak i półprzepuszczalnego [zwierciadła wyjściowego - przyp. ttum.. Blok światłowodu włóknowego jest chłodzony pasywnie i nigdy nie musi być ponownie justowany czy kalibrowany, ponieważ nie występują w tym wykonaniu osobne komponenty optyczne.

Wszystkie komponenty rezonatora są sprzężone ze światłowodem, co czyni laser odporny zarówno na oddziaływania termiczne, jak też mechaniczne i zabrudzenia. Przez połączenie modułów lasera, można zwiększyć moc urządzenia do wielu kilowatów przy równoczesnym zachowaniu dobrej jakości wiązki promieniowania.

Modułowa koncepcja budowy umożliwia użytkownikom stałe zwiększenie mocy wyjściowej. Sprawia to, że laser włóknowy staje się unikatowym narzędziem.

Cechy lasera włóknowego:
  • brak ograniczeń mocy wyjściowej,

  • wysoka jakość wiązki,

  • bardzo wysoka sprawność całkowita,

  • wysoka żywotność diod pompujących,

  • niewielka powierzchnia niezbędna do instalacji,

  • mobilność,

  • niskie koszty inwestycyjne i obsługowe.
Impulsowy laser włóknowy

Impulsowe lasery włóknowe mają konfigurację oscylatora lub wzmacniacza opartego na laserze włóknowym. Za pomocą przełącznika dobroci (Q-switch) oscylator zapewnia krótkie impulsy, w zakresie nanosekund. Wzmacniacz jest modułem lasera włóknowego, który wzmacnia impulsy w zakresie wielu kilowatów. W zależności od użytego światłowodu moc jednego impulsu może sięgać 1 MW, a jego energia 50 mJ.

Impulsowy laser włóknowy w technice solarnej (1)

Przez odwzorowanie na górnej powierzchni płytki krzemowej [modułu fotowoltaicznego - przyp. tłum. niewielkich karbów (odkształceń) przednia i tylna strona [płytek krzemowych ułożonych w stos- przyp. ttum. są od siebie wzajemnie odizolowane [konieczna izolacja krawędzi płytek krzemowych dla prawidłowej pracy półprzewodnikowych warstw typu p i n - przyp. tłum. Wielkość tych odkształceń - szerokość około 40 pm, głębokość 20 pm - sprawia, iż efekt zacienienia [ograniczenia powierzchni czynnej - przyp. ttum. pozostaje niewielki.

Rysunek 2 przedstawia ślad tego rodzaju o szerokości 40 pm, który został wprowadzony w odległości 200 pm od krawędzi płytki.

Ze względu na bardzo dobrą jakość wiązki promieniowania lasery impulsowe wyposażone w robocze głowice skanujące mogą być zastosowane przy dużych odległościach pracy, do 300 mm. W zależności od częstotliwości (i średniej mocy lasera) zwierciadła głowicy skanującej przemieszczają wiązkę promieniowania laserowego z prędkością w zakresie 0,5-2 m/s. Płytki krzemowe mogą zatem zostać obrobione w sekundowym takcie.

Impulsowy laser światłowodowy w technice solarnej (2)

Jeśli laser światłowodowy, impulsowy, o dobrej jakości wiązki promieniowania i względnie niskiej energii impulsu (1 mJ) oraz średniej mocy jest stosowany do znakowania i ablacji, wymaga się, dla szybkiej ablacji powierzchni, impulsów o szczytowej mocy impulsu do 1 MW i średniej mocy do 500 W. Aby osiągnąć przy czyszczeniu powierzchni typową gęstość mocy w zakresie 5x107-1x108 W/cm2, można pracować wiązką o szczytowej mocy impulsu do 1 MW i średnicy obszaru ogniskowania około 1 mm. Można przy tym osiągnąć duże prędkości ablacji, w zakresie większym od 40 cm2/s.

Ważnym zastosowaniem jest usuwanie warstwy w strefie brzegowej cienkowarstwowych modułów fotowoltaicz- nych (rys. 3).

Za pomocą głowicy skanującej włóknowego lasera impulsowego w obszarze brzegowym modułu zdejmowana jest ścieżka o szerokości 15 mm. Możliwe jest przy tym szczelne zasklepienie powierzchni. Aby podczas wieloletniego użytkowania nie wnikała wilgoć, zostają zdjęte z brzegu modułu fotowoltaicznego trzy funkcjonalne warstwy o grubości zaledwie kilku mikrometrów.

Ponieważ cykl wytwarzania cienkowarstwowych modułów fotowoltaicznych o wymiarach 1300x1100 mm nie powinien przekraczać 30 s, zdejmowanie warstw w obszarze brzegowym za pomocą lasera wymaga szybkości usuwania materiału przekraczającej 40 cm2/s.

Zastosowanie laserów włóknowych emitujących wiązkę ciągłą o modzie podstawowym

Lasery włóknowe, emitujące wiązkę ciągłą o modzie podstawowym (M2<1,1), są obecnie oferowane przez firmę IPG Photonics o mocy do 10000 W (rys. 4 i 5).

Na rysunku 6 została przedstawiona zależność wielkości obszaru ogniskowania wiązki promieniowania na elemencie obrabianym w zależności od odległości roboczej i rozbieżności wiązki nieprzetworzonej [niezogniskowanej - przyp. tłum.].

Wiązka laserowa o modzie podstawowym emitowana przez laser włóknowy wyposażony w optykę ogniskującą o długości ogniskowej 200 mm może być na przykład zogniskowana w obszarze o średnicy 30 pm, podczas gdy wiązka nieprzetworzona jest rozszerzana tylko do 10 mm (1/e2). Sprawia to, iż możliwe jest zastosowanie niewielkiej i smukłej optyki procesowej oraz dynamicznych głowic skanujących wyposażonych w niewielkie zwierciadła.

Głównym zastosowaniem dla tego rodzaju laserów, emitujących wiązkę ciągłą, jest cięcie o wysokiej i bardzo wysokiej precyzji, jak również spawanie punktowe i liniowe. Do precyzyjnego cięcia blach w zakresie submilimetrowym wystarczająca jest już moc rzędu 100 W, umożliwiająca osiągnięcie niezbędnej do cięcia gęstości mocy w zakresie 107-108 W/cm2. W obszarze cięcia precyzyjnego, w zależności od zastosowania i mocy lasera, lasery mogą być zewnętrznie modulowane za pomocą częstotliwości w kilo- hercach, tak że oprócz pracy w trybie wiązki ciągłej możliwy jest tryb pracy impulsowej z wygenerowaniem impulsów w zakresie mikrosekundowym.

Spawanie laserem włóknowym wiązką o modzie podstawowym znajduje zastosowanie w szerokim obszarze, od złączy zakładkowych folii ze stali nierdzewnych (np. przy wytwarzaniu ogniw paliwowych), po łączenie miedzianych wtyczek z miedzianymi ramkami z wyprowadzeniami zewnętrznymi, w przypadku których wymagane jest wtopienie do 2 mm.

Na rysunku 7 pokazano zgład łącznika, w którym miedziana wtyczka została połączona z masywną, miedzianą szyną przewodzącą.

Zaletą laserów włóknowych pracujących w trybie emisji wiązki ciągłej o modzie podstawowym jest, uwarunkowana dobrą jakością wiązki, wysoka gęstość mocy, wymagana w przypadku łączenia stopów miedzi.

W przeciwieństwie do rezonatorów pompowanych lam- powo, emitujących impulsy o czasie ograniczonym do około 100 ms, w przypadku rezonatorów laserów włóknowych emitujących wiązkę ciągłą, nie ma w tym względzie żadnych ograniczeń. W wyniku tego można z jednej strony osiągnąć wymaganą głębokość wtopienia, a z drugiej strony można uniknąć pęknięć, gdy w wyniku dowolnie długiej charakterystyki wygaszania, celowo optymalizowane są warunki chłodzenia stopiwa.

W wyniku dobrej zdolności ogniskowania, już przy niedużej mocy wiązki ciągłej (mniejszej niż 100 W), możliwe jest osiągnięcie gęstości mocy pozwalającej na cięcie i spawanie metali. Ograniczona przez dyfrakcję jakość wiązki, rzędu M2<1,1, prowadzi do smukłego przewężenia wiązki promieniowania, redukując ilość ciepła w spawanym elemencie.

Dalsze przykłady spawania za pomocą lasera włókno- wego o modzie podstawowym zostały przedstawione na rysunkach 8 i 9.

Zastosowanie laserów włóknowych emitujących wiązkę ciągłą wielomodową

Jeśli wymagana głębokość wtopienia lub grubość materiału ciętego jest większa niż 2 mm, przydatny byłby „przełącznik” między wiązką lasera włóknowego o modzie podstawowym a wiązką wielomodową.

Wielomodowy laser włóknowy składa się z połączenia wielu laserów jednomodowych. W zależności od liczby połączonych jednomodowych modułów laserowych można transmitować do 5 kW światłowodem wielomodowym
• średnicy 50 pm i do 20 kW światłowodem wielomodowym o średnicy 100 pm.
Jakość wiązki lasera włóknowego wyposażonego w światłowód 50 pm (BPP=2) i światłowód 100 pm (BPP=4) prowadzi do rozmaitych zastosowań w dziedzinie spawania
• cięcia, których przykłady zostały przedstawione poniżej.

Cięcie

Laser włóknowy wyposażony w światłowód 50 pm lub także 100 pm, emitujący wiązkę ciągłą o mocy do 8 kW, jest już przez wielu dostawców stosowany w maszynach do cięcia płaskiego i wyparł konwencjonalne lasery. Przy niewielkiej mocy laser włóknowy tnie szybciej niż laser CO2, zmniejsza się tym samym zużycie energii.

Pobór mocy lasera włóknowego o mocy wiązki promieniowania 2 kW wynosi 5 kW, podczas gdy moc pobierana przez laser CO2 o mocy wiązki promieniowania 4 kW wynosi 44 kW. Rysunek 10 przedstawia porównanie prędkości cięcia obu urządzeń.

Zaletą laserów włóknowych jest prosta transmisja wiązki za pomocą światłowodów, przy tym lepsza sprawność, jak też oszczędność energii. Swobodne prowadzenie wiązki promieniowania w laserach CO2 [system transmisji określany mianem tzw. „latającej optyki” - przyp. tłum. jest istotnie droższe.

W przeszłości poczyniono duże postępy w odniesieniu do optymalizacji parametrów procesu w zakresie optyki, doprowadzenia gazu i geometrii dyszy, jak też ustalenia właściwych parametrów lasera - mocy i modulacji, tak aby zagwarantować jakość cięcia, do której jest przyzwyczajony użytkownik przecinarek wyposażonych w lasery CO2. Po wielu latach prac nad optymalizacją parametrów procesu cięcia dla laserów włóknowych widzimy dziś doskonałą jakość cięcia w pełnym zakresie grubości i rodzaju materiałów oraz ogromną wydajność procesu. Przykład zastosowania cięcia laserem włóknowym, wielomodowym stanowi cięcie przestrzenne (3D) słupków typu B nadwozia samochodu osobowego ze stali wysokowytrzymałej. Rysunek 11 przedstawia prędkości procesu możliwe do osiągnięcia przy cięciu blach o grubości 1-2 mm laserem o mocy 1-5 kW.

Spawanie

W przypadku spawania uwidacznia się opłacalność doboru mocy w szerokim zakresie, wynikająca z modułowej koncepcji urządzenia. W zależności od pożądanej głębokości wnikania wiązki promieniowania i prędkości roboczej wybiera się wymaganą moc lasera, przez zestawienie odpowiedniej liczby modułów lasera. Rysunek 12 przedstawia głębokość wnikania wiązki promieniowania i prędkość spawania dla laserów włóknowych o mocy 1-5 kW.

W produkcji komór paleniskowych stosowanych w elektrowniach lub w przypadku maszyn ciężkich jest wymagana głębokość wtopienia do 30 mm, która musi zostać uzyskana w procesie wytwarzania. Na rysunku 13 przedstawiono złącze doczołowe przygotowane na I płyt ze stali stopowej o grubości 32 mm. Laser włóknowy umożliwia spawanie elementów gru- bościennych, które mogły być spawane tylko w procesie wielościegowego spawania łukowego lub, przy dużym nakładzie, w komorze próżniowej za pomocą wiązki elektronów.

Podsumowanie

Ze względu na unikatową konstrukcję lasery włóknowe zastąpiły lasery konwencjonalne, umożliwiając odkrywanie wciąż nowych zastosowań. Producentem wysokiej mocy laserów włóknowych stosowanych w wycinarkach, spawarkach i innych systemach do procesów laserowej obróbki materiałów jest firma IPG Photonics.
×

DALSZA CZĘŚĆ ARTYKUŁU JEST DOSTĘPNA DLA SUBSKRYBENTÓW STREFY PREMIUM PORTALU WNP.PL

lub poznaj nasze plany abonamentowe i wybierz odpowiedni dla siebie. Nie masz konta? Kliknij i załóż konto!

Zamów newsletter z najciekawszymi i najlepszymi tekstami portalu

Podaj poprawny adres e-mail
W związku z bezpłatną subskrypcją zgadzam się na otrzymywanie na podany adres email informacji handlowych.
Informujemy, że dane przekazane w związku z zamówieniem newslettera będą przetwarzane zgodnie z Polityką Prywatności PTWP Online Sp. z o.o.

Usługa zostanie uruchomiania po kliknięciu w link aktywacyjny przesłany na podany adres email.

W każdej chwili możesz zrezygnować z otrzymywania newslettera i innych informacji.
Musisz zaznaczyć wymaganą zgodę

KOMENTARZE (0)

Do artykułu: Laser włóknowy jako narzędzie energooszczędne

NEWSLETTER

Zamów newsletter z najciekawszymi i najlepszymi tekstami portalu.

Polityka prywatności portali Grupy PTWP

Logowanie

Dla subskrybentów naszych usług (Strefa Premium, newslettery) oraz uczestników konferencji ogranizowanych przez Grupę PTWP

Nie pamiętasz hasła?

Nie masz jeszcze konta? Kliknij i zarejestruj się teraz!