Функциональность лазерных головок

А. Оптическая функция
Естественно, что главная функциональность – оптическая, или функция преобразования оптического потока, выходящего из транспортного оптического волокна лазера. Световое излучение выходит из среза в виде конуса с полным углом 0.2...0.4 радиана (в зависимости от модового типа волокна) и в этом виде непригодно для термических операций. Хотя есть и исключения – можно выполнять сварку тонких металлов просто излучением, выходящим из кварцевого волокна – за счет очень высокой стойкости кварца срез разрушается довольно медленно. Это единственный нам известный способ использования волоконного лазера без лазерной головки – но все равно необходимо подавать защитный газ и выполнять модуляцию мощности излучения.

Естественно, что главная функциональность – оптическая, или функция преобразования оптического потока, выходящего из транспортного оптического волокна лазера. Световое излучение выходит из среза в виде конуса с полным углом 0.2...0.4 радиана (в зависимости от модового типа волокна) и в этом виде непригодно для термических операций. Хотя есть и исключения – можно выполнять сварку тонких металлов просто излучением, выходящим из кварцевого волокна – за счет очень высокой стойкости кварца срез разрушается довольно медленно. Это единственный нам известный способ использования волоконного лазера без лазерной головки – но все равно необходимо подавать защитный газ и выполнять модуляцию мощности излучения.

Оптическая функция (см. рис. 1) состоит в формировании области высокой концентрации лучевой энергии в зоне обработки. Часть технологических процессов с использованием мощных лазеров (сварка и резка) с точки зрения физики процесса – существенно трехмерны и, таким образом, важен не только диаметр пятна фокусировки d_f, но и характерная длина перетяжки пучка g_f . Эти величины можно оценивать, исходя из указанного в паспорте волоконного лазера параметра качества излучения BPP (Beam Production Parameter) и угла фокусировки выходного пучка a, который можно оценивать как отношение фокусного расстояния выходной линзы F и апертуры пучка D до этой линзы a = D/F (эти параметры указываются в спецификации лазерной головки):

Следует учитывать, что распределение интенсивности потока в лазерном пучке неоднородно и приведенные оценки дают характерные размеры высокоэнергетической зоны пучка, причем для «хорошо» спроектированной системы с минимальной сферической аберрацией. Для многих технологических применений неоднородность пучка весьма вредна, так, для термической закалки она приводит к тому, что в центре металл доводится до плавления, а на периферии глубина закалки недостаточна. Поэтому в состав оптических функций нужно дополнительно включать выравнивание интенсивности – либо статическим методом (рис. 2), скажем за счет использования асферической оптики, или динамическим, за счет быстрого сканирования (развертки) лазерного пучка по поверхности по оптимальному закону. Сканирование также необходимо в ряде случаев для сварки больших толщин, оно обеспечивает расширение парогазового канала, улучшение дегазации и исключение пор и других дефектов сварного шва.

 Кроме всей этой функциональности важно, чтобы оптическая система передавала лучевую мощность с малыми потерями и не ухудшала качество лазерного пучка. В настоящее время есть фактически только один оптический материал, пригодный для изготовления линз для волоконных лазеров мощностью 500…20000 Вт – кварцевое стекло разных марок с качественным просветляющим покрытием. Характерные потери на одной линзе для таких элементов составляют 0.3…0.5%, а общие потери мощности в лазерной головке не превосходят 1.5…3%. Передаваемая мощность ограничивается как лучевой стойкостью оптических элементов, так и формированием термических линз изза изменения показателя преломления кварцевого стекла при нагреве в зоне прохождения лазерного пучка. Для кварца эффект всегда положительный, то есть в первом приближении тепловые линзы эквивалентны появлению положительных линз в системе, так что проявляется этот эффект на практике в смещении точки фокуса в сторону к лазерной головке. Моделирование по методикам [1] показывает, что характерное время формирования тепловой линзы составляет 2…20 с, так что эффект возникает практически сразу, а не «при длительной работе», как часто ошибочно считается.

Лучевая стойкость высококачественных линз весьма велика и превышает значение 5 кВт/см², а вот термические линзы могут возникать при существенно меньшей плотности мощности и именно они могут ограничивать предельную рабочую мощность системы. Если воспользоваться практическим опытом лидера в производстве лазерных головок Precitec, то можно, исходя из доступной технической документации, построить график необходимой апертуры системы от мощности передаваемого потока (рис. 3) и определить, что практическое значение рабочей плотности мощности, усредненное по апертуре составляет около 0.6…0.7 кВт/см². Весь набор оптической функциональности сведен в таблицу 1.

Б. Функции юстировки
Из­за неточностей изготовления деталей головки, в том числе оптических, посадок, сборочных отклонений и.т.п. возникает необходимость согласования пространственного положения элементов головки и положения лазерного пучка (рис. 4). Особенно это важно для процесса лазерной резки, где фокусированный лазерный пучок проходит через небольшое (0.5…1.5 мм) отверстие в сопле. Поэтому в конструкцию лазерной головки вводят элементы, обеспечивающие согласование оптической оси лазерного пучка и оси газового сопла – обычно это механические элементы (набор регулировочных винтов), обеспечивающие такую юстировку за счет взаимного смещения узлов головки. Ничто, в принципе, не мешает эту функцию автоматизировать и следует ожидать появления лазерных головок, обеспечивающих автоматизированное совмещение осей.

Далее нужно установить оптимальное положение точки фокуса пучка относительно среза сопла. Для этого в большинстве головок имеется микрометрический механизм смещения фокусирующей линзы относительно корпуса. Проблема, однако, состоит в том, что изза разницы показателя преломления кварца для мощного пучка с длиной волны 1080 нм и для длины волны встроенного в лазер пилотного источника (красный, около 630 нм) точки фокуса смещены на расстояние 2…5 мм, и по пилотному пучку без учета этого смещения выполнить операцию установки оптимального расстояния Dz не удается. В результате пользователю приходится проводить экспериментальные работы на материалах (например, выполнять серии треков на мощном пучке) для выяснения реального положения фокуса мощного пучка.

Технология обработки требует, чтобы точка фокуса пучка находилась на заданном расстоянии Df от поверхности материала, если смещение Dz установлено, то необходимо просто поддерживать требуемое значение расстояния от среза сопла до детали Df+ Dz (c учетом знаков, так как фокус может быть и заглублен под поверхность). Функция поддержания расстояния в большинстве головок реализуется на основе введения в конструкцию емкостного датчика расстояния от сопла до детали. Сопло конструктивно изолируется от корпуса головки диэлектрическим элементом, и специальная электроника измеряет емкость между промежутком сопло­металлический лист и преобразует в электрический сигнал, несущий информацию о расстоянии, который передается в систему управления координатной системой для выполнения корректировки положения головки.

Иногда технология качественной лазерной резки может включать управление положением точки фокуса относительно листа. Так раскройные столы фирмы Trumpf с СО₂ лазерами включают режимы врезки с перемещением точки фокуса относительно листа с использованием адаптивного зеркала. Следовательно, функция осевого перемещения точки фокуса в технологических головках для волоконных лазеров – также прямой кандидат на автоматизацию и перевод на электронное управление, но пока реализована только в нескольких моделях головок.

В. Технологические функции

Лазерный технологический процесс требует также подачи в зону обработки веществ (газов, наплавочных материалов). Все эти потоки должны быть согласованы и синхонизированы с потоком лучевой энергии. Простейший вариант – подача режущего газа через коаксиальное сопло при лазерной резке. В качестве газа используется чистый кислород, сжатый воздух, азот, а также смеси газов. Избыточное давление газа в выходной камере перед соплом может составлять от 0.3 до 15 атм, а в технологии лазернокислородной резки листов большой толщины LasOx [2] до 40 атм. Следовательно, конструкции выходных камер головок для резки должны быть рассчитаны на высокое статическое давление газа.

Технология лазерной сварки выдвигает иные требования к газовой системе. Во­первых, требуется защитить ванну расплава инертным газом (как правило, аргоном). Во­вторых, подавать в зону активного взаимодействия лазерного пучка с металлом и парами газовые смеси для управления процессом. Последнее обязательно при лазерной сварке СО₂ лазерами при мощности выше 24 кВт [3], но является пока дискуссионным для лазерной сварки волоконными лазерами. Пока, как правило, плазмоподавляющие и управляющие смеси не используют, но есть экспериментальные данные, что и в случае лазерной сварки мощными волоконными лазерами можно эффективно управлять сварочным процессом за счет использования газовых смесей. На рис. 5 представлена сопловая часть лазерной головки VF001M, в которой реализована двойная газовая схема – лазерный пучок проходит через центральное коаксиальное отверстие, через систему отверстий вблизи оси подается контролируемая газовая смесь в зону активного взаимодействия, а периферийная зона формирует окутывающий ламинарный поток аргона для защиты сварного шва. Такая головка не очень пригодна для скоростной сварки линейных швов, так как зона защиты шва при высоких скоростях недостаточна по длине, но идеально годится для качественной сварки с максимальной глубиной проплавления и контурной сварки в том числе и таких критических материалов, как титановые сплавы.

В простейшем варианте при лазерной термообработке не используются сопловые системы и защитные газы, но в идеале требуются специальные насадки для защиты металла от окисления или для активации диффузионных процессов насыщения поверхностного слоя металла из газовой фазы.

Лазерная наплавка требует подачи в зону нагрева порошковых материалов или проволок, если смотреть на опыт развития наплавочных процессов на основе СО₂ лазеров, то это могут быть достаточно сложные и гибко управляемые системы с пространственной раскладкой порошковых струй сканирующими соплами.

Гибридные способы лазерной сварки требуют интеграции в сварочной насадке лазерной части с дуговыми сварочными инструментами. В простейшем случае это почти механическая суперпозиция систем, как в гибридной головке фирмы Precitec (рис. 6 а), в более сложных системах – это сквозная интеграция – (рис.6 б).

Г. Контроль и безопасностьГ. Контроль и безопасность

Лазерная технологическая головка является энергетически нагруженным объектом, передающим большую мощность, поэтому разумно ее снабжать сенсорами и защитными функциями. Сюда можно отнести следующие опции:

• мониторинг температуры корпуса или отдельных зон, который может давать информацию о деградации оптических элементов и ошибках юстировки системы;

• прямой мониторинг состояния оптики;

• встроенный контроль мощности лучевого потока;

• датчики давления или расхода технологических газов.

Все это важно, особенно для полностью автоматизированных процессов, так как мониторинг состояния позволит предотвратить не только выпуск бракованной продукции, но и разрушение довольно дорогого устройства.

В этот же раздел можно добавить функции защиты оптики, поскольку материальный процесс лазерной обработки непременно связан с активным выделением паров, брызг и других потоков, способных разрушить оптические свойства выходной поверхности. В процессе лазерной резки достаточно использовать сравнительно дешевый элемент – защитное стекло (как расходный материал), так как присутствует естественная защита в виде осевого потока режущего газа. При лазерной сварке и некоторых других процессах такая защита отсутствует, и приходится использовать шторные газодинамические завесы перед защитными стеклами, основанные на использовании щелевых сопел, формирующих плоский защитный воздушный экран.

Д. Функции, обеспечивающие адаптивность процесса

При использовании лазерных головок в роботизированных комплексах возникает необходимость функций предварительного, текущего и финишного контроля процесса. Наиболее явно это можно пояснить на процессе лазерной сварки – подготовленные под сварку элементы никогда не обладают абсолютной точностью ни по геометрии элементов, ни по зазорам, ни по пространственному положению относительно координатной системы манипулятора. Поэтому возникает задача предварительного сканирования расположения стыка и зазора между элементами в пространстве и последующей корректировки программы движения. Это не будет идеальным решением, так как в ряде случаев зазор может меняться непосредственно во время сварочного процесса изза термических напряжений. Поэтому идеальное решение будет состоять в использовании встроенных в головки трех систем сенсоров, формирующих, по терминологии фирмы Precitec, сквозную систему контроля качества лазерной сварки LWQC – Laser Welding Quality Control. Система должна содержать:

• сенсоры предварительного измерения геометрии сварного шва – STS – Seam Tracking Systems,

• сенсоры текущего контроля LWM – Laser Welding Monitor,

• сенсоры контроля финишной геометрии сварного шва SGM – Seam Geometry Monitor.

Это в равной мере касается и других технологических процессов, например, лазерной закалки и лазерной очистки.

На данном этапе развития конст­рукций лазерных головок эта функциональность реализована в минимальной стадии. В серийные лазерные головки обязательно встроена возможность подключения емкостного сенсора расстояния, и некоторые производители встраивают в головки модуль видеосенсора, который позволяет производить предварительное обучение робота по положению стыка (рис. 7). На выставке «Машиностроение 2009» фирма Trumpf демонстрировала полностью автоматический процесс сварки коробчатых деталей, в котором использовался встроенный видеосенсор для предварительного сканирования положения стыка деталей, а сварка производилась на втором проходе. Из беседы со специалистами фирмы выяснилось, что система надежно работает только при применении высококачественного полированного металла заготовок, это только подтверждает, что системы адаптации процесса сварки пока находятся в самом зачаточном состоянии.

Из альтернативных решений следует упомянуть лазерные сварочные головки фирмы ScanSonic (рис. 8), снабженные системой механического слежения по стыку на основе щупа или подаваемой присадочной проволоки в случае гибридных способов сварки. Такую систему можно отнести к классу LWM, так как сварка и слежение выполняются в едином проходе. Тем не менее, вряд ли это решение имеет большую перспективу для лазерной сварки, следует ожидать активного развития именно оптических сенсоров, особенно на основе LPFкамер с лазерной подсветкой.

Обзор изделий на рынке

Большинство лазерных головок для волоконных лазеров выполнены по схеме рис. 9.

Первая часть представляет собой кварцевый дублет и служит для преобразования расходящегося пучка в параллельный (поэтому ее называют коллиматором). Вторая часть – фокусирующая одиночная кварцевая линза, которая и производит конечную фокусировку лучевой мощности на обрабатываемом изделии. Эта схема обладает приемлемыми, хотя и не идеальными оптическими параметрами и является основой большинст­ва лазерных головок. Обычно фокусное расстояние выходной линзы f в 1.5…2.5 раз больше фокусного расстояния коллиматора f_k.В качестве примера приведем лазерные головки фирмы Optoskand (рис. 10). Многие пользователи приобретают такие головки как полуфабрикат изза умеренной цены и заменяют только выходную сопловую часть под конкретные задачи. Выходная линза в этих головках размещена в механизме продольного перемещения, что позволяет осуществлять регулирование положения точки фокуса относительно среза сопловой насадки.

В большинстве головок фирмы Precitec использована эта же оптическая схема, в некоторых головках с минимальными фокусными расстояниями для улучшения фокусировки опционально может быть не одиночная фокусирующая линза, а набор двух линз. Фирма также предлагает модификации с поворотным зеркалом в тракте, что в ряде случаев удобно для применения с роботами и встраивания видеосенсоров. На примере изделия YW52 можно проследить тенденции модульности и унификации (рис. 11), система компонуется из стандартных модулей форматом 74х74 мм с проходной апертурой около 48 мм, достаточной для передачи мощности до 20 кВт. Пользователь имеет возможность самостоятельно компоновать систему нужной геометрии с нужными параметрами фокусировки, так как можно изменять как фокусное расстояние коллиматора (100, 125, 150, 200 мм), так и фокусное расстояние фокусирующей линзы (150…1000 мм).

Модульная система имеет значительную массу и высокую цену, поэтому для более массовых головок для лазерной резки фирма не использует модульный подход и предлагает оптимизированные по массе и габаритам головки серий YR30,YK52 для работы с роботами. Отличительной особенностью этих насадок является улучшенная емкостная система слежения за поверхностью  Lasermatic® Z, способная работать с минимальными по размеру сопловыми наконечниками, что обеспечивает малую чувствительность к боковым элементам изделия при 3Dрезке роботами.

Следует упомянуть также довольно популярную на российском рынке режущую головку для потальных раскройных систем HPSSL (рис. 12), имеющую катрижный вариант смены оптики, что позволяет оперативно обслуживать оптику на станках и быстро менять параметры фокусировки.

Для технологии лазерной наплавки фирма Precitec разработала два базовых варианта наплавочных головок YC50 (рис. 13), снабженных одноканальной (аксиальной) или четырехканальной системой подачи порошков. В этих разработках, созданных на базе популярной сварочной головки YW50, пока еще не реализованы опции сканирования ни лазерного пучка, ни порошкового потока, но можно только приветствовать появление на рынке первых серийных головок для этих перспективных процессов.

Модульный подход к конструкции лазерных головок дает пользователю достаточную гибкость в выборе параметров процесса, но только на стадии разработки технологического процесса. Другой подход к гибкости и модульности представлен в лазерной головке VF001M российской фирмы «Электроресурс». В этой головке использована перестраиваемая оптическая система, за счет которой можно плавно менять фокусное расстояние (или угол фокусировки), а, следовательно, размер фокального пятна d_f и длину перетяжки g_f. Для изменения фокусировки вообще не нужно выполнять разборку системы, более того, вся перестройка выполняется электронным путем под управлением встроенного микропроцессора, так что робот или ЧПУ система могут выполнять перестройку параметров автоматически по ходу выполнения программы. Внешний вид лазерной вариоголовки представлен на рис. 14, процессорный блок может при необходимости размещаться не на корпусе головки, а в любом удобном для управления месте, хотя он используется в основном для предварительной настройки. Принцип модульности в головке VF001M также используется, но только для быстрой замены технологических насадок (сварка, резка, закалка), которые фиксируются на стыковочном узле с помощью магнитного фиксатора.

Ниже перечислены полезные функции, которые обеспечивает такой конструктивный подход:

• можно оперативно перестраивать параметры пучка (фокусное расстояние, положение фокуса) для оптимизации производительности и качества операции. В принципе, это может выполнять ЧПУ система автоматически.
• положение точки фокуса относительно среза сопла также управляется электронным образом, более того реализован режим «имитации» точки фокусировки мощного пучка, то есть при переходе в режим «R» с пульта на головке или по команде ЧПУ точка фокуса видимого пилотного источника подсвечивает точку фокуса мощного пучка, что существенно упрощает операции настройки.
• за счет магнитной фиксации технологической насадки имеется быстрый оперативный доступ к контейнеру с защитным стеклом для промывки или замены.
• технологические насадки содержат встроенную систему емкостного измерения расстояния от сопла до листа, причем связь с управляющим процессором осуществляется по беспроводному каналу (оптическая), поэтому при смене насадки не требуется никаких операций по отключению разъемов.
• магнитная фиксация технологических насадок надежно защищает лазерную головку от ударов и наездов на непредвиденные препятствия.

ВЫВОДЫ:

1. Процесс разработки лазерных технологических головок для волоконных лазеров в целом продвигается успешно. В настоящее время на рынке есть выбор головок для лазерной сварки и резки, появились первые модели наплавочных головок.

2. Можно проследить основные тенденции в дизайне лазерных головок – модульность, перестраиваемость, насыщение сенсорами и контрольными функциями.

3. Отсутствуют технологические головки для высококачественной закалки, легирования и очистки.

4. В области создания головок с адаптивными возможностями разработчиками сделаны пока только первые шаги, но адекватно поставленные разработчиками цели позволяют надеяться, что развитие адаптивных технологий – дело ближайших лет.

Литература:

1. Г.Б. Альтшулер, М.В. Иночкин. «Нелинейные линзы и их применения» УФН, т.163, №7, Июль, 1993 г.

2. Ross Hancock. Laser 'Turbocharges' Oxygen Cutting of Steel Slabs  Welding Journal, August, http://www.aws.org/wj/aug03/feature2.html

3. Проплавление металлов непрерывным излучением СО₂ лазера / А.Г. Игнатов, В.А. Игнатов, А.В. Козлов, А.И. Скрипченко // Судостроительная промышленность. Серия “Сварка”. 1987. Вып.3. С.319.

К.т.н. А.И. Скрипченко,
ООО НТЦ «Электроресурс»

Статья написана в рамках Комплексной программы исследовательских работ по технологии обработки волоконными лазерами.

ПРИГЛАШЕНИЕ

Участники Комплексной программы приглашают все заинтересованные организации присоединиться к Программе в статусе «ассоциированных участников».

Ассоциированные участники регистрируются после заполнения Заявления на сайте www.elres.ru/fiberlaser-tr и подтверждения членства на очередном заседании Коордионационного совета. Список Ассоциированных участников публикуется на сайте Программы.

Ассоциированные участники имеют право:

• Получать регулярные информационные рассылки о деятельности в рамках Программы, включая результаты научнотехнологических исследований.
• Участвовать с совещательным голосом в заседаниях Коордионационного совета и иных рабочих совещаниях, формируемых в рамках программы.
• Подавать свои предложения об участии в исследовательских программах, в том числе и предложения по финансированию работ, представляющих для них коммерческий или научный интерес.