ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ЛАЗЕРНЫЕ ГОЛОВКИ ДЛЯ СВАРКИ
На рынке лазерной техники компаниями IPG, HighYAC, ScanSonic и Precitec представлены головки, предназначенные для сварки с мощностью излучения от 0,25 кВт (головка HighYAC) до 50 кВт (FLW-D50HP - IPG) с длиной волны 900-1080 нм. Лазерные сварочные головки, состоящие из коллиматора, фокусирующей линзы, защитного стекла и системы подачи сжатого воздуха, опционально могут быть оснащены ССD-камерой, для точного наведения на стык и слежения за процессом сварки в режиме реального времени, системой подачи сварочной проволоки (головки PDT и PDT-B (HighYAG); ALO1 и АLОЗ (ScanSonic), контактным (ALO1 и АLОЗ) или оптическим (FSO (ScanSonic)) датчиком, прижимным устройством в виде "пальцев" или дисков (FSO и RSK (HighYAG)), обеспечивающим не только плотное прилегание свариваемых образцов, но и контроль расстояния от лазерной головки до поверхности изделий. Интересен вариант исполнения сварочной системы Form Welder Plus (Precitec), изготовленной на базе лазерной головки YW30 или YW52, предназначенной для сварки излучением микронной длины волны с мощностью до 6 кВт и до 20 кВт соответственно и перемещаемых вдоль осей Х и У на 50 мм.
В линейке продукции ScanSonic также представлен наиболее простой вариант исполнения лазерной головки (ВО), состоящей из коллиматора и фокусирующей линзы, рассчитанных на мощность излучения до 6 кВт. Головка опционально может быть укомплектована ССD-камерой, картриджем с защитным стеклом, модулем шторной газодинамической защиты, системой автоматического изменения фокусного расстояния, а также противоударным датчиком и иметь как прямое, так и Г-образное исполнение. Интересен вариант исполнения лазерной головки BO-SF, предназначен ной для сварки с мощностью лазерного излучения до 30 кВт и изготовленной на базе головки ВО. Лазерное излучение микронной длины волны формируется практически с равномерным распределением в поперечном сечении при КПД более 98%. Головка, опционально оснащенная фокусирующим зеркалом и коллиматором с различными фокусными расстояниями, предназначена для лазерной сварки металлоконструкций больших толщин в трубостроении, судостроении и других отраслях промышленности.
Компания IPG выпускает лазерные головки FLWD30 (до6 кВт) и FLW-DS0 в модификациях L (до 10 кВт), S (до 30 кВт) и НР (до 5О кВт) в Г-образном, прямом и стандартном (без ССD-камеры) исполнении. Кроме защитного сопла, модуля crossjet, датчика температуры и загрязнения фокусирующей линзы, оптического датчика слежения за стыком и устройства для подачи проволоки, головки опционально могут быть оснащены модулями сканирования лазерного излучения по траекториям в виде линии, круга и "восьмерки" (WоЬЫе), делителем излучения на два луча с одинаковой мощностью (Dual Spot Module) и модулем, обеспечивающим равномерное распределение лазерного излучения (Beam Shaper Module ), предназначенными для передачи излучения мощностью до 10 кВт.
При изготовлении изделий машиностроения (теплообменных аппаратов, герметичных узлов насосов и пр.) возникают задачи по проведению обработки в труднодоступных местах. Для этого рядом компаний (Nutech, GTV, IWS, RPM и др.) разрабатывается специальный технологический инструмент. Примером такого технологического инструмента может служить лазерная головка с допустимой лучевой нагрузкой до 3 кВт с глубиной досягаемости в базовой комплектации до 1000 мм, разработанная в Институте лазерных и сварочных технологий. Головка имеет крепления для установки на линейные манипуляторы, промышленные роботы и другие средства доставки.
На рис.8 представлены схемы головок для сварки поворотных и неповоротных стыков (и поверхностной термообработки ) и примеры ее использования при приварке тонкостенной обечайки к корпусу насоса.
На рис.9 приведен общий вид головки с вращающимся поворотным зеркалом для сварки внутренних неповоротных стыков, установленной на роботизированном модуле доставки. Такая концепция практически не имеет ограничений по глубине досягаемости.
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ЛАЗЕРНЫЕ ГОЛОВКИ ДЛЯ НАПЛАВКИ
Высококонцентрированное лазерное излучение, генерируемое современными лазерными источниками, при лазерной наплавке обладает следующими преимуществами перед иными источниками нагрева: высокой производительностью, низким коэффициентом перемешивания основного металла с наплавляемым, минимальной зоной термического влияния, низкой погонной энергией, низким уровнем остаточных деформаций и локальностью обработки изделия.
Лазерные головки, изготавливаемые для реализации технологии лазерной наплавки должны обладать оптической системой с высокой термической стойкостью, системой точной подачи наплавляемого материала в зону воздействия лазерного излучения, обеспечивающей высокий коэффициент использования материала, а также возможностью варьирования диаметров пятна нагрева и струи порошка в фокальной плоскости в широком диапазоне для обеспечения, как прецизионной, так и производительной наплавки.
Компанией Precitec представлены варианты исполнения головок для лазерной наплавки с коаксиальной подачей порошка через четыре сопла и кольцевое сопло (YСЗО и YС52) (рис.13) и некоаксиальной (рис.14) подачей порошка. Головки отличаются максимальной мощностью транспортируемого лазерного излучения: 2 кВт и 6 кВт соответственно длине волны. Минимальный диаметр струи порошка в области перетяжки в случае его подачи через четыре сопла и при некоаксиальной подаче (головки YСЗО и YС52) равен 2 мм, при струйной кольцевой подаче порошка - 0,7 мм.
Сотрудниками IWS (Fraunhofer ) изготовлены сопла серии Соах для коаксиальной кольцевой подачи порошка при наплавке с мощностью лазерного излучения 3-8 кВт и производительностью 10-150 г/ми н в зависимости от исполнения. Также IWS производит сопла для некоаксиальной подачи и для щелевой симметричной подачи порошка Соах 11 с возможностью изменения ширины щели (рис.16). Сопло обеспечивает наплавку валика с шириной 8-22 мм. Головки предназначены для использования в составе технологических комплексов, изготовленных на базе СО 2, диодного, волоконного, твердотельного лазеров мощностью до 10 кВт.
Также интересен вариант исполнения лазерной головки для лазерной наплавки с коаксиальной подачей проволоки CoaxBrazer (Precitec ) и CoaxWire (IWS, Fraunhofer). В случае использования головки CoaxBrazer наплавка осуществляется при кольцевом распределении мощности лазер ного излучения, обеспечивающем предвари тельный подогрев подложки с целью улучшения ее сцепления с наплавляемым материалом. Головка CoaxWire оснащена делителем лазерного луча на три сходящихся в зоне обработки пучка и при использовании проволоки диаметром 0,4-1,6 мм и максимальной мощности излучения 4 кВт обладает производительностью 3 кг/ч. Опционально головка может быть оснащена ССD-камерой и пирометром. Технология лазерной наплавки с использованием проволоки обладает рядом преимуществ перед технологией лазер ной наплавки металлическим порошком из-за доступности сварочной проволоки на отечественном рынке и приближающегося к 100% коэффициента использования проволоки. Головка предназначена для использования с волоконными, твердотельными и диодными лазерными источниками (рис.17). На рис.18. представлена лазерная головка для восстановления внутренних, труднодоступных поверхностей от компании Nutech.
Отдельно хотелось бы отметить головку CoaxPowerLine, предназначенную для лазерной наплавки диодным лазером с мощностью излучения до 15 кВт с сопутствующим индукционным подогревом мощностью индуктора от 20 до 50 кВт. Использование индукционного подогрева повышает производительность наплавки до 18 кг/ч. По оценкам производителей, применение индукци онного нагрева обрабатываемого изделия позволяет при мощ-ности лазерного излучения 4 кВт получать производительность, сравнимую с производительностью наплавки при мощности лазерного излучения 8-10 кВт (рис.19).
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ЛАЗЕРНЫЕ ГОЛОВКИ ДЛЯ ПОВЕРХНОСТНОГО ТЕРМОУПРОЧНЕНИЯ
Технология лазерного термоупрочнения реализуется за счет нагревания поверхностного слоя изделия при его кратковременном взаимодействии с высококонцентрированным лазерным излучением до температур, незначительно превышающих температуры полиморфного превращения, и последующего охлаждения с высокой скоростью, благодаря отводу тепла внутрь изделия. Высокие скорости охлаждения подавляют диффузию углерода при полиморфном превращении, образуя в поверхностном слое изделия мартенситную фазовую составляющую, обладающую высокими трибологическими характеристиками. Для реализации технологии лазерного термоупрочнения в большей степени подходят волоконные, твердотельные и диодные лазерные источники, генерирующие лазерное излучение, поглощаемое материалом изделия с повышенным коэффициентом поглощения по сравнению с излучением, генерируемым СО2-лазером. С целью обеспечения высокой производительности процесса, а также создания равномерно закаленного по глубине слоя предпочтительнее использовать лазерные головки с равномерным распределением излучения в поперечном сечении. К таким головкам в первую очередь необходимо отнести лазерные сварочные головки IPG мощностью до 10 кВт FLW-D50L с дополнительно встроенным модулем Beam Shape Module, головки Kugler с зеркалами, обеспечивающими равномерное распределение лазерного излучения, а таюке лазерные сварочные головки компании LaserLine.
Равномерный нагрев поверхности можно реализовать также при осциллировании лазерным пучком поперечно относительно направлению обработки. Для реализации данной технологии успешно применяются лазерные головки компании IPG FLW D30 WоЬЫе и FLW-D50 WоЬЫе с максимальной мощностью излучения 6 кВт и 10 кВт. Головка RLH-A (ScanSonic ) кроме гальванометрического сканатора, обеспечивающего перемещение лазерного излучения в поперечном направлении, образуя закаленный слой шириной до 30 мм , также оснащена пирометром, расположенным коаксиально лазерному излучению и измеряемым температуру обрабатываемой зоны в диапазоне от 800 до 1600 °С. Оптическая система лазерной головки способна передавать лазерное излучение, генерируемое волоконным или твердотельным, или диодным лазерами с максимальной мощностью до 6 кВт (рис.20).
ВЫВОДЫ
Результаты проведенного анализа показали, что подавляющее большинство лазерных головок предназначено для работы в составе технологических комплексов на базе диодных, волоконных и твердотельных лазеров. Головки изготавливают по модульному принципу, обеспечивающему возможность подбора требуемой комплектации в зависимости от поставленных перед ними задач. Основные усилия компаний-производителей лазерных головок направлены на изготовление компонентов оптических систем, обладающих высокой термической стойкостью, и дополнительных систем, поставляемых в составе лазерных головок и обеспечивающих полную автоматизацию технологического процесса.
АВТОР СТАТЬИ
Кузнецов Михаил Валерьевич
Занимаемые должности:
Директор - Российско-Германский центр лазерных технологий
Доцент - Научно-образовательный центр «Конструкционные и функциональные материалы»
Заведующий научно-исследовательской лабораторией - Научно-исследовательская лаборатория «Лазерные и аддитивные технологии»
