Волоконные лазеры на Урале

Обмен новогодними поздравлениями с Владимиром Комаровым вылился в обсуждение темы волоконных лазеров.

Комаров Владимир Тимофеевич

Владимир Тимофеевич Комаров, генеральный директор НП «УралЛитц» («Уральский лазерный инновационно — технологический центр»), после прочтения моего репортажа об «ИРЭ-Полюс» прислал мне письмо и отчёт об опробовании иттербиевого волоконного лазера. Получив любезное разрешение Владимира Тимофеевича на публикацию этих материалов, с удовольствием предлагаю их нашим читателям! (письмо - здесь).

УТВЕРЖДАЮ
Генеральный директор
ЗАО «РЦЛ»
А.Г.Сухов
2008г.

ОТЧЁТ
об опробовании иттербиевого волоконного лазера ЛС- 06*
в составе технологической лазерной установки ТЛУ-1000

Зам.Генерального
директора по науке
М.М.Малыш

Руководитель работы:
Начальник отдела научно-
технического развития, к.т.н.
В.Т.Комаров

г. Екатеринбург
2008г.

Введение.

В соответствии с Приказом Генерального директора ЗАО «РЦЛ» №57 от 06.05.08 выполнение работ по созданию и опробованию рабочего макета модернизированной лазерной установки ТЛУ-1000 c иттербиевым волоконным лазером ЛС-06 было поручено временному рабочему коллективу в составе: Комаров В.Т.(руководитель), Пурвинг А.Л., Корчагин П.В., Кетов И.Б...

Задачи, стоящие перед коллективом перед началом работ.
Перед началом своей работы временный коллектив столкнулся со следующими трудностями:
1. Отсутствовала информация о конструкции, оптической схеме и о присоединительно – крепёжных размерах оптической режущей головки.
2. Конструкция оптической режущей головки и её режущего сопла – не позволяли производить «слежение» за поверхностью металлического листа.
3. По условиям эксплуатации волоконного лазера ЛС-06 при работе технологи-ческой установки не допустимы изгибы волоконного кабеля лазера ЛС-06 радиусом менее 200 мм . Ввиду этого не представлялось возможным проложить в установке ТЛУ-1000 волоконный кабель на подобие электрического кабеля или газового шланга с целью передачи лазерного луча на перемещаемую оптическую головку в пределах от 0 до 1250 мм по оси Y и в пределах от 0 до200мм по оси Z.
4. Технологическая лазерная установка ТЛУ-1000 постоянно находилась в работе с целью выполнения производственной программы текущего месяца.
Ввиду этого практически не было возможности разбирать и эскизировать узел крепления оптической головки действующей установки ТЛУ-1000, проводить модернизацию и опробование модернизируемой лазерной установки.
5. ЗАО «РЦЛ» не располагал и не располагает необходимым механообрабатывающим оборудованием, а также некоторыми специфичными материалами (например, капролона или, что тоже самое, полиамида блочного) для изготовления стыковочного узла и модернизированной оптической головки.
Ввиду этого изготовление названных узлов нужно было размещать на других предприятиях.
6. Помещение, где располагалась технологическая лазерная установка ТЛУ-1000 по санитарно-гигиеническим требованиям и условиям безопасности – не соответствовало условиям проведения работ (было стеснённым, захламлённым, грязным, запылённым и пожаро –взрывоопасным).

Результаты проделанной работы.

Несмотря на указанные выше трудности, рабочим коллективом были успешно проведены следующие работы по созданию и опробованию модернизированной технологической лазерной установки ТЛУ-1000:

1. Разработана конструкция оптической режущей головки модернизированной установки ТЛУ-1000 с волоконным лазером ЛС-06, позволяющая осуществлять электрическое слежение за поверхностью разрезаемого листа металла, а также демпфировать возможные механические воздействия на режущую оптическую головку при её столкновениях с поверхностью металла в нештатных режимах работы установки за счёт следующего: электрической «развязки» режущего сопла от корпуса волоконного лазера, улучшенной формы наконечника режущего сопла, введения в состав головки пружинного демпфера ( по рекомендациям П.В.Корчагина).

2. Оформлены и запущены в производство (через коммерческий отдел) эскизы деталей, входящих в состав нового стыковочного узла и модернизированной оптической режущей головки.

3. Из изготовленных по п.2 деталей собраны новый стыковочный узел и модернизированная оптическая режущая головка.

4. Проработаны три схемы возможной прокладки волоконного кабеля от лазера к оптической режущей головке, позволяющие перемещать манипулятор установки ТЛУ-1000 в выше указанных пределах с соблюдением требования критического изгиба волоконного кабеля.
Одна из них ( наиболее простая) была реализована в модернизированной установке при проведении экспериментов по лазерной резке различных материалов.

5. Проведена проверка волоконного лазера ЛС-06 на штатном стенде до монтажа волоконного лазера ЛС-06 в технологическую установку ТЛУ-1000.
Проведённая проверка позволила разобраться в тонкостях юстировки режущего сопла штатной головки лазера ЛС-06, а также убедиться в том, что мощность излучения лазера ЛС-06 варьируется в пределах от 0 до 100% т.е. от 0 до 630 Вт ( на основании паспортной градуировки); непосредственно измерить мощность излучения иттербиевого волоконного лазера не представилось возможным из-за отсутствия измерителя мощности в ЗАО «РЦЛ».

6. Перед проведением стыковки волоконного лазера с установкой ТЛУ-1000, в помещении эта установка размещена, была высвобождена территория вокруг лазерной установки от посторонних предметов и хлама, а также проведена уборка, наведён относительный порядок и чистота с целью дополнительного размещения рядом с установкой волоконного лазера.

7. Проведен монтаж волоконного лазера ЛС-06 в действующую установку ТЛУ-1000. Особенностью этого монтажа было то, что он проводился без демонтажа стыковочного узла и режущей головки канала СО2 –лазера в целях оперативного возобновления работ по изготовлению деталей производственной программы ЗАО «РЦЛ» мая месяца!

8. Проведена лазерная резка различных материалов модернизированной лазерной установкой ТЛУ-1000. Она позволила судить о технологических возможностях этой установки и об особенностях лазерной резки этих материалов.
Установлено, что модернизированная лазерная установка ТЛУ-1000 позволяет достаточно хорошо резать чёрные углеродистые стали, нержавеющую сталь, алюминий и алюминиевые сплав, поранит и резину, хуже чем СО2 –лазер – фанеру и практически совсем не режет стекло органическое листовое прозрачное!
Результаты лазерной резки различных материалов иттербиевым волоконным лазером ЛС- 06 в составе модернизированной технологической лазерной установки ТЛУ-1000 приведены в прилагаемой Таблице 1.

Из Таблицы 1 видно, что максимальные толщины разрезаемых материалов: стали типа ст3, нержавеющей стали типа 12Х18Н10Т и алюминиевого сплава Д16 составляют, соответственно, 12,0; 6,0 и 4,0 мм.

Для сравнения отметим, что лазерная резка указанных материалов и такой толщины СО2 –лазером возможна лишь при мощности излучения СО2 –лазера равной 1,0 – 1,5 кВт.! Для сравнения также отметим, что мощность, потребляемая модернизирован-ной лазерной установкой ТЛУ-1000 составляет ориентировочно 6,5 кВ., в то время как для штатной лазерной установки ТЛУ-1000 – она должна быть не менее 26 кВт (с учётом работы системы охлаждения, блока питания лазера и приводов манипулятора).

Недостатки, выявленные в ходе работ по модернизации установки ТЛУ-1000.

1. Неожиданно сильным оказалось действие лазерного и инфракрасного излучения нагретых лазером тел на глаза работающих людей.
Основная причина этого в том, что в комплекте поставки волоконного лазера ЛС-06 не были предусмотрены специальные защитные очки, защищающие как от лазерного излучения так и от излучения нагретых тел; те очки, которые были в комплекте поставки маркёров и которыми мы воспользовались,– не защищали работающих от слепящей яркости нагретых тел.

2. Практически сразу же после стендовой поверки волоконного лазера на защитном стекле оптической режущей головке волоконного лазера был обнаружен прогар оптического покрытия с обеих сторон защитного стекла.
Главная причина этого, по нашему мнению, а также, по-видимому, разработчика лазера: НТО «ИРЭ-ПОЛЮС», заключается в том, что защитное стекло в штатном варианте режущей головки лазера ЛС-06 располагается вблизи фокуса объектива и работает в условиях воздействия на него больших плотностей мощности лазерного излучения, т.е. при плотностях мощности излучения близких к пределу лучевой стойкости просветляющих покрытий защитного стекла. Кроме того, не маловажным является то, что в комплекте поставки лазера ЛС-06 не предусмотрены дополнительные защитные стёкла.

3. При лазерной резке листового металлопроката на ряде образцов имел место значительной грат.
Одной из возможных причин этого – являлось то, что на оптическую режущую головку подавался режущий газ относительно низкого давления: 5-8 атм., т.к. конструкция оптической режущей головки, на наш взгляд, не позволяла пода-вать на неё газ более высокого давления: 13-18 и даже 25 атм..., как это делается в таких современных и совершенных лазерных комплексах как TCL-3030 (Германия), Вystar-3015 (Швейцария) для выполнения качественной резки нержавеющей стали, алюминия и других металлов и сплавов.
В связи с тем, что в штатной головке лазера ЛС-06 подвод режущего газа осуществляется по полиуретановым трубкам с внутренним диаметром 4,0 мм и наружным диаметром 6,0 мм, рассчитанных на давление до 6-8 атм. (через отверстие диаметром 2,5 мм) на наш взгляд необходима доработка конструкции штатной режущей головки для обеспечения возможности подачи режущего газа давлением до 25 атм...

Предложения по дальнейшему проведению работ по внедрению
иттербиевого волоконного лазера

1. В течение 2 недель рабочего времени создать 1-2 месячный задел деталей, изготавливаемых на технологической лазерной установке ТЛУ-1000 для изделий выпускаемых ЗАО «РЦЛ», с целью создания резерва времени на проведение работ по внедрению иттербиевого волоконного лазера в установки ТЛУ-1000.
2. Срочно приобрести 3-4 пары специальных очков для работы с волоконным лазером.
3. Срочно сделать запрос в НТО «ИРЭ-ПОЛЮС» о доработке конструкции оптической режущей головки, поставке доработанных деталей, а также дополнительных защитных стёкол.

4. Провести основательную перепланировку рабочего места в помещении установки ТЛУ-1000, избавиться от посторонних и переместить нужные материалы с тем, чтобы можно было работать там с более мощным волоконным лазером ЛС-2,3 в нормальных рабочих условиях.

5. Провести доработки установки ТЛУ-1000 в части обеспечения
— возможности работы модернизированной установки в режиме реальной работы («закрытия затвора», врезок, холостых перемещений и т.п.);
— существенного повышения надёжности работы системы управления приводами манипулятора установки ТЛУ-1000 (ТЛУ-1000М) !!

6. Проработать вопрос возможности работы ТЛУ-1000 с двумя режущими оптическими головками: для СО2 –лазера и для иттербиевого волоконного лазера с тем, что бы обеспечить эффективную резку всей гаммы обрабатываемых материалов.

7. Подобрать номенклатуру деталей производственной программы ЗАО «РЦЛ» и заказать под них соответствующие материалы для «загрузки» модернизированной лазерной установки ТЛУ-1000М, исходя из того, что размеры режущего стола установок ТЛУ-1000 и ТЛУ-1000М равны 1250 х 2000мм.

*Волоконный лазер был получен ЗАО «РЦЛ» в рамках создания Центра коллективного пользования (ЦКП) «Лазерные и оптические технологии».

Таблица 1