Desenvolvimento de fontes de laser de alta potência para a indústria

Abstrato

  Apesar da invenção e da disponibilidade de uma ampla variedade de fontes de laser, apenas alguns poucos tipos entraram no uso industrial, o que muitas vezes requer três turnos confiáveis, alta disponibilidade e baixos custos operacionais. Durante muito tempo, o laser de gás CO2 dominou a área de processamento de material de alta potência e ainda detém 41,1% da maior participação de mercado nesse campo. O tipo de laser de CO2 mais moderno, mais confiável e mais econômico é a configuração de placa difusora de resfriamento por difusão, que fornece uma qualidade limitada de feixe de quase difração e está disponível atualmente em uma faixa de potência de até 8 kW. A vantagem dos lasers de estado sólido é que sua radiação pode ser guiada através de fibras ópticas, mas eles sofrem com alto custo e baixa eficiência. O surgimento dos lasers de diodo como fonte de bombeamento muito eficiente e confiável, no entanto, impulsionou a tecnologia de laser em estado sólido. Não só a qualidade e a eficiência do feixe do design clássico da haste poderiam ser melhoradas substituindo as lâmpadas de banda larga por lasers de diodo monocromáticos, mas além disso, devido ao alto brilho dos lasers de diodo, novos conceitos como o disco fino e o laser de fibra poderiam ser realizados. Especialmente a maior eficiência, reduzindo o custo de operação em conjunto com a qualidade de feixe aprimorada, torna os lasers de estado sólido a ferramenta do futuro, sempre que as aplicações 3D estiverem sendo consideradas.

  Introdução

  Há mais de 30 anos, os lasers são empregados com sucesso em várias aplicações. Conforme comprovado por estudos de mercado1, 2, o corte é a aplicação mais proeminente (fig. 1); não só os metais são cortados por lasers, mas também a madeira (por exemplo, para as matrizes), o vidro (por exemplo, para tubos leves), os têxteis (por exemplo, para airbags), plásticos, borracha e compósitos.

  Soldagem a laser, a segunda aplicação mais importante fornece uma tecnologia de junção rápida com carga de calor minimizada para a peça de trabalho com base no efeito de soldagem de penetração profunda; soldadura a laser está principalmente relacionada com metais, e. peças de engrenagens, espaços em branco sob medida, corpo em branco, caixas de sensores, bicos injetores e assim por diante, mas também a soldagem de polímeros pode ser realizada com lasers, especialmente lasers de diodo.

O corte bem como as aplicações de soldagem (de penetração profunda) se beneficiam da alta focalização dos feixes de laser, isto é, o fato de que a potência do laser pode ser concentrada em um ponto muito pequeno. Segundo a teoria, quanto melhor a qualidade do feixe, menor o ponto que pode ser gerado por uma certa distância focal ou maior a distância de trabalho (distância focal) para um determinado diâmetro de ponto, respectivamente. Assim, o desenvolvimento do laser é

Fig. 1: Mercado mundial de sistemas de processamento de materiais a laser em 2005 por aplicação (4,8 bn €) 1, 2

entre outros, visando a melhoria da qualidade do feixe. Os lasers clássicos, como lasers de gás CO2 e lasers de estado sólido tipo haste, mas ainda mais os novos lasers de estado sólido na configuração de disco ou fibra estão no centro de interesse aqui.

  No entanto, existem outras aplicações para lasers como brasagem, soldagem por condução de calor e tratamento de superfície (endurecimento, refusão ou revestimento), que não exigem concentração tão alta da energia como são realizadas com um tamanho focal bastante grande e com densidades de potência moderadas . Lasers de diodo de alta potência, que fornecem alta potência com alta eficiência à custa da qualidade do feixe, são preferíveis para esse tipo de aplicação.

  Lasers a gás

  Entretanto, lasers de CO2 altamente confiáveis ​​com potência de até 20 kW estão disponíveis comercialmente e até mesmo acima de 100 kW foram alcançados no laboratório ou para fins de defesa5. Vários conceitos diferentes de vazão e fluxo de gás foram examinados e realizados. A configuração mais utilizada é a rápida configuração do fluxo axial, na qual o gás está fluindoalta velocidade paralela ao eixo óptico e através de um trocador de calor, movido por um soprador de raízes ou uma turbina; Dessa forma, o excesso de calor é removido e, ao mesmo tempo, o gás é parcialmente substituído por um novo, à medida que a mistura de gases se degrada continuamente durante a ação do laser. Este conceito garante alta potência e boa qualidade de feixe. Apesar destes benefícios, no entanto, o fluxo de gás causa algumas desvantagens inerentes, e. instabilidades por turbulências, alto custo, tamanho grande, peso pesado e serviço freqüente do soprador de raízes ou a turbina e custo considerável pelo consumo de gás. Assim, o desafio tem sido desenvolver um conceito que permita a potência de saída de potência de kW sem circulação ativa de gás.

A tecnologia CO2-SLAB

  A solução foi encontrada no conceito de placas de resfriamento por difusão, quase coincidentemente desenvolvido e patenteado por H. Opower6 na Alemanha e J. Tulip7 no Canadá. O princípio é mostrado na Fig. 2: Um guia de onda unidimensional é formado entre os eletrodos em conjunto com os espelhos do ressonador óptico. Por ótica especial de formação de vigasde espelhos esféricos e cilíndricos, bem como um filtro espacial, pode ser gerado um feixe de laser de alta qualidade com M²1,1. A distância entre os dois eletrodos é de cerca de um milímetro e, é claro, a precisão e o alinhamento são desafiadores.

No entanto, o calor pode ser removido diretamente através dos eletrodos resfriados a água e nenhum fluxo de gás é necessário. Assim, nenhuma peça móvel é necessária e nenhuma flutuação de gás pode perturbar o feixe. Além disso, o gás pode ser mantido limpo durante um longo período, o que leva a um consumo de gás consideravelmente reduzido. O sistema de gás é uma configuração semi-vedada; isto é, o recipiente é evacuado por uma simples bomba rotativa e depois enchido com um gás de pré-mistura e desligado. Um preenchimento de gás pode ser usado por cerca de uma semana ou mais, dependendo das condições de operação, antes de precisar ser substituído. Um frasco de pré-mistura instalado na cabeça do laser (Fig. 3) com um volume de 10 litros e um recheiopressão de 150 atm (assim, contendo 1500 Nl), dura mais de um ano, levando a consideravelmente reduzidocustos de funcionamento!

Fig. 3: Laser laje de CO2 série ROFIN DC com fornecimento de gás integrado

  O primeiro protótipo com uma potência de saída de 1,5 kW foi introduzido em 1993. Desde então, a potência de saída pode ser continuamente aumentada (Fig. 4) pelo desenvolvimento dos módulos de descarga e dos geradores HF, o que permitiu aumentar o eletrodo área, mantendo a descarga homogênea. Como o laser não precisa de um resfriador a gás nem de bombas ou turbinas, um tamanho compacto para o sistema pode ser mantido apesar do aumento da área do eletrodo e do volume de gás. A potência máxima comercialmente disponível nesta tecnologia hoje é de 8 kW; afator de qualidade do feixe, no entanto, permaneceu constante em M²1,1,correspondendo a um produto de parâmetro de feixe de cerca de 3,5 mm rad! Assim, a distribuição de energia é um feixe Gaussiano quase idealmente modelado (Fig. 5, à esquerda). No entanto, algumas aplicações de soldagem exigem uma costura mais ampla e energias de linha mais altas, respectivamente, o que torna preferível uma ampliação do diâmetro focal, bem como uma modificação do perfil do feixe. A configura�o de ressonador especial do laser de guia de ondas n� cont� a possibilidade do modo TEM01 * - ("donuts") - que provou ser a melhor distribui�o de energia adequada para tais aplica�es no longo per�do de lasers de fluxo axial r�ido com & quot; "convencional" ressonadores; portanto, o modo rosca (Fig. 5, à direita) é gerado por uma configuração ótica especial no caminho do feixe de laser.

  O conceito de placas de CO2 está agora bem estabelecido em aplicações industriais a laser: mais de 3000 unidades no campo comprovaram a alta confiabilidade e os baixos custos operacionais dessa tecnologia. Além dissoPode afirmar-se que a tecnologia laser de CO2 contribuiu consideravelmente para a posição ainda muito forte da tecnologia laser de CO2 no processamento de materiais e para o crescimento do mercado nos últimos anos8.

M² < 1,1 ("Gauss")M 2 ~ 2,2 ("Donut")

Fig. 5: Modo básico e rosquinha para laser de placa de CO2

Aplicações de laser de laje de CO2

  Conduzir a potência do laser e a qualidade do feixe para os limites só é útil, se essas especificações fornecerem um benefício ao processo, no caso de lasers de CO2 isso significa para corte e soldagem: Quase todas (> 90%) fontes de laser CO2 de alta potência kW) são utilizados nestes campos, mais de 60% para o corte, a maioria em máquinas de leito plano.

  Aplicações de corte

  A vantagem de uma fonte de laser com qualidade de feixe aprimorada para aplicações de corte é óbvia, já que o foco menor permite um corte menor e, portanto, menos material deve ser fundido para o processo de separação. Isso é válido pelo menos enquanto oo material não é muito espesso, pois em materiais espessos o corte estreito pode impedir a remoção do material fundido. No entanto, os leões compartilham em aplicações de corte está lidando com aço carbono, aço inoxidável ou alumínio na faixa de 1 a 6 mm.

  O resultado demonstra claramente que muito menos energia é suficiente do laser, proporcionando a qualidade melhorada do feixe. Somente em espessuras maiores, além de 6 mm, uma vantagem mínima do sistema de fluxo axial rápido na potência mais alta torna-se reconhecível em termos de velocidade de corte9.

Fig. 6: Comparação da velocidade de corte em aço macio: laje de 2,5 kW vs. fluxo rápido de 4 kW9

  O efeito da melhoria da qualidade do feixe é ainda mais impressionante 25 se for considerado o corte por fusão de alumínio (Fig. 7). Abaixo de uma espessura de 2 mm a velocidade para o laser de placa de 2,5 kW é 20 consideravelmente mais alta do que para o sistema de fluxo axial rápido, enquanto é quase a mesma entre 2 e 4 mm de espessura. No entanto, com espessura 15 mais alta, o kerf mais amplo gerado pelo sistema de fluxo axial rápido de 4 kW pode ter alguma vantagem.10 Efeitos semelhantes foram observados no corte de aço inoxidável, mas o feixe mais largo pode ser vantajoso mesmo com uma espessura de cerca de 2 mm 5. No entanto, para cortes de alta velocidade com ou abaixo de 1 mm, a vantagem da alta qualidade de feixe é bastante considerável. UMAsistema especial de corte bidimensional de alta velocidade comProfundidade de penetração [mm]Assim, a zona afetada pelo calor e a distorção da peça são reduzidas.

Fig. 8: Comparação da velocidade de soldagem para diferentes qualidades de feixe e lasers, resp.11

  Como exemplo, uma seção transversal de componentes de engrenagem,foi usado para a costura no lado direito11. Quase com a mesma profundidade de solda, o laser com qualidade de feixe inferior produziu uma costura mais ampla. Por outro lado, a zona de interacção mais estreita e mais estreita entre o feixe de laser e as partes a serem soldadas requer uma melhor preparação das bordas no caso de soldadura de topo, caso contrário o feixe "está a cair através de". a costura. Além disso, algumas aplicações requerem um feixe mais amplo por razões metalúrgicas, como indicado no capítulo 2.1, o que causou a necessidade do feixe de rosca.

Solda de perfil e tubo com laser de laje de CO2

Fig. 9: comparação de soldas de costura com lasers de diferentes qualidades de feixe na mesma velocidade11

Melhoria considerável da velocidade em comparação com o procedimento convencional de soldagem TIG- poderia ser alcançado usando um laser de placa de CO2 de 4,5 kW(ROFIN DC045) para a soldagem de tubos, fabricados em aço inoxidável: tubos de 18 x 1 [mm] são produzidos em um moinho de tubos com 16 m / min, comparado a 5,5 m / min, que foram alcançados pelo TIG processo de soldadura antes de 12. E essa alta velocidade é limitada por um processo a seguir, e não pelo próprio processo de solda a laser. Um sistema de orientação de feixe completo com sensores de processo integrados, reconhecimento de lacunas e rastreamento de costura com um laser de guia de ondas de CO2 (ROFIN PWS, Sistema de Soldagem de Perfil, Fig. 10 e Fig. 11) é empregado para essa tarefa. O sistema de sensores sem contato, acionamentos de motores lineares, um controlador baseado em PC e um PLC integrado para garantir um posicionamento exato do spot a laser com uma precisão de 20 µm mesmo com a maior velocidade de produção de 60 m / min! A cabeça de soldagem, montada em um sistema x-y-z-c, oferece alta flexibilidade por diferentes distâncias focais, vários bicos e o suprimento de gás. Exemplos de soldagem são mostrados na Fig. 12.

Fig. 10: Sistema ROFIN PWS (sketch)

Fig. 11: Sistema de soldagem por perfil ROFIN PWS com laser de laje de CO2 de 6 kW

Fig. 12: Secções transversais de tubos de aço inoxidável soldados a laser (1.4301)

Sistema de soldagem remota (RWS)

Até agora, a qualidade de feixe melhorada fornecida pelo conceito de placa de CO2 tem sido usada para gerar maior densidade de potência em um ponto focal menor. No entanto, a maior densidade de potência nem sempre é necessária. A densidade de potência razoável é suficiente para a soldagem de folhas finas. Em tal situação, a qualidade melhorada do feixe pode ser traduzida em uma grande distância de trabalho na faixa de um metro ou mais! Tal idéia levou a um conceito, que aplica uma tecnologia similar de varredura de vigas, como é usada na marcação de aplicações para um processo de soldagem de alta potência em um sistema de solda a laser remoto. O princípio geral é explicado no esboço da Fig. 13: Um espelho montado no cardan pode mover o foco muito rapidamente em uma superfície esférica; para compensar isto, isto é, para trazer o foco para um campo plano no plano de trabalho, a lente de focagem pode ser deslocada (z). Finalmente, o espelho pode ser movido também linearmente para estender o campo de trabalho na direção z. Dessa forma, o foco pode ser posicionado muito rapidamente em uma área de 1500 mm x 2400 mm e com uma faixa de altura de 650 mm. Um sistema completo (sem uma câmara de trabalho) é apresentado na Fig. 14. A vantagem de tal sistema é óbvia: Devido ao movimento rápido, a tecnologia do sistema de soldagem remota é capaz de aumentar o número de soldas por ponto ou linha em um dado ciclo tempo por um fator de até dez. A variedade ilimitada de contornos de solda dentro do envelope de trabalho abre novas e excitantes possibilidades em design e construção. As partes mais proeminentes são as portas dos carros, capô ou porta-malas e colunas. É claro que o tempo de processamento depende da parte individual e do comprimento, forma e número de soldas, mas como uma estimativa aproximada, cerca de 100 cordões de solda típicos podem ser realizados em cerca de 40 segundos. Sistemas especiais de fixação são necessários para fixar as peças e fornecer gás de proteção, se necessário.

                                                   Fig. 13: Esboço da configuração do sistema de solda a laser remoto (RWS)Fig. 14: Sistema de produção RWS