Desarrollo de fuentes láser de alta potencia para la industria.

Resumen

  A pesar de la invención y la disponibilidad de una amplia variedad de fuentes de láser, solo muy pocos tipos se han abierto camino en el uso industrial, lo que a menudo requiere un funcionamiento confiable de tres turnos, alto tiempo de actividad y bajos costos de funcionamiento. Durante mucho tiempo, el láser de gas CO2 ha dominado el área de procesamiento de material de alta potencia y aún mantiene con el 41.1% la mayor participación de mercado en ese campo. El tipo de láser de CO2 más moderno, más confiable y más rentable es la configuración de losa enfriada por difusión, que proporciona una calidad de haz casi limitada a la difracción y actualmente está disponible en un rango de potencia de hasta 8 kW. La ventaja de los láseres de estado sólido es que su radiación puede ser guiada a través de las fibras ópticas, pero sufrieron un alto costo y una baja eficiencia. Sin embargo, la aparición de los láseres de diodo como una fuente de bombeo muy eficiente y confiable ha impulsado la tecnología láser de estado sólido. No solo se podría mejorar la calidad y la eficiencia del haz del diseño clásico de barras variando las lámparas de banda ancha por los láseres de diodo monocromático, sino que además, debido al alto brillo de los láseres de diodo, se pudieron realizar nuevos conceptos como el disco delgado y el láser de fibra. Especialmente la mayor eficiencia, al reducir el costo de funcionamiento en conjunto con la mejora de la calidad del haz, hace que los láseres de estado sólido sean la herramienta del futuro, siempre que las aplicaciones 3D estén bajo consideración.

  Introducción

  Desde hace más de 30 años, los láseres se emplean con éxito en diversas aplicaciones. Como lo demuestran los estudios de mercado 1, 2, el corte es la aplicación más prominente (Fig. 1); no solo se cortan los metales con láser, sino también madera (por ejemplo, para tableros), vidrio (por ejemplo, para tubos de luz), textiles (por ejemplo, para bolsas de aire), plásticos, caucho y materiales compuestos.

  La soldadura por láser, la segunda aplicación más importante, proporciona una tecnología de unión rápida con carga de calor minimizada a la pieza de trabajo basada en el efecto de soldadura de penetración profunda; La soldadura con láser está relacionada principalmente con metales, por ej. piezas de engranajes, piezas en blanco adaptadas, cuerpo en blanco, carcasas de sensores, boquillas de inyección, etc., pero también la soldadura de polímeros se puede realizar con láser, especialmente con láser de diodo.

Las aplicaciones de corte y de soldadura de penetración profunda se benefician de la alta capacidad de enfoque de los rayos láser, es decir, el hecho de que la potencia del láser se puede concentrar en un punto muy pequeño. Según la teoría, cuanto mejor sea la calidad del haz, menor será el punto que puede generar una cierta distancia focal o mayor la distancia de trabajo (distancia focal) para un cierto diámetro del punto, respectivamente. Por lo tanto, el desarrollo del láser es

Fig. 1: Mercado mundial de sistemas de procesamiento de materiales con láser en 2005 por aplicación (4,8 bn €) 1, 2

Entre otros, apuntan a la mejora de la calidad de la viga. Los láseres clásicos como los láseres de gas CO2 y los láseres de estado sólido tipo varilla, pero aún más los nuevos láseres tipo estado sólido en disco o configuración de fibra están en el centro de interés aquí.

  Sin embargo, existen otras aplicaciones para los láseres como la soldadura fuerte, la soldadura por conducción de calor y el tratamiento de superficies (endurecimiento, fusión o revestimiento), que no requieren una concentración de energía tan alta, ya que se realizan con un tamaño focal bastante grande y con densidades de potencia moderadas. . Los láseres de diodo de alta potencia, que proporcionan alta potencia con alta eficiencia a expensas de la calidad del haz, son preferibles para este tipo de aplicaciones.

  Láseres de gas

  Sin embargo, los láseres de CO2 altamente confiables con una potencia de hasta 20 kW han estado disponibles comercialmente e incluso más de 100 kW se han alcanzado en el laboratorio o con fines de defensa5. Varios conceptos diferentes de descarga y flujo de gas han sido examinados y realizados. La configuración más utilizada es la configuración rápida del flujo axial, en la que fluye el gas.alta velocidad paralela al eje óptico ya través de un intercambiador de calor, movido por un soplador de raíces o una turbina; de esa manera, se elimina el exceso de calor y, al mismo tiempo, se reemplaza parcialmente el gas por uno nuevo, ya que la mezcla de gas se degrada continuamente durante la acción del láser. Este concepto asegura alta potencia y buena calidad de haz. Sin embargo, a pesar de estos beneficios, el flujo de gas causa algunas desventajas inherentes, p. Ej. inestabilidad por turbulencias, alto costo, gran tamaño, peso pesado y servicio frecuente del soplador de raíces o la turbina y considerable costo por consumo de gas. Por lo tanto, el desafío ha sido desarrollar un concepto que permita una potencia de salida de rango de kW sin circulación activa de gas.

La tecnología CO2-SLAB

  La solución se encontró en el concepto de losa enfriada por difusión, desarrollada casi por coincidencia y patentada por H. Opower6 en Alemania y J. Tulip7 en Canadá. El principio se representa en la Fig. 2: una guía de onda unidimensional se forma entre los electrodos junto con los espejos del resonador óptico. Por óptica especial conformadora de haz consistentede espejos esféricos y cilíndricos, así como un filtro espacial, se puede generar un rayo láser de alta calidad con M²1,1. La distancia entre los dos electrodos es de aproximadamente un milímetro y, por supuesto, la precisión y la alineación son difíciles.

Sin embargo, el calor puede eliminarse directamente a través de los electrodos enfriados por agua y no se requiere flujo de gas. Por lo tanto, no son necesarias piezas móviles y no hay fluctuaciones de gas que puedan perturbar el haz. Además, el gas puede mantenerse limpio durante un largo período, lo que conduce a un consumo de gas considerablemente reducido. El sistema de gas es una configuración semi-sellada; es decir, el recipiente se evacua con una simple bomba rotativa y luego se llena con un gas de premezcla y se apaga. Un llenado de gas se puede usar durante aproximadamente una semana o más, dependiendo de las condiciones de operación, antes de que sea necesario reemplazarlo. Una botella de premezcla instalada en el cabezal láser (Fig. 3) con un volumen de 10 litros y un relleno.Presión de 150 atm (por lo tanto, que contiene 1500 Nl), dura más de un año, lo que reduce considerablemente¡correr cuesta!

Fig. 3: Láser de losas de CO2 de la serie ROFIN DC con suministro de gas integrado

  El primer prototipo con una potencia de salida de 1,5 kW se introdujo en 1993. Desde ese momento, la potencia de salida podría incrementarse continuamente (Fig. 4) mediante un mayor desarrollo de los módulos de descarga y los generadores de HF, lo que permitió aumentar el electrodo. Área manteniendo la descarga homogénea. Dado que el láser no necesita un enfriador de gas ni bombas o turbinas, se podría mantener un tamaño compacto para el sistema a pesar del aumento en el área del electrodo y el volumen de gas. La potencia máxima disponible comercialmente en esta tecnología hoy en día es de 8 kW; laSin embargo, el factor de calidad del haz se mantuvo constante en M²1,1,¡Corresponde a un producto de parámetro de haz de aproximadamente 3,5 mm rad! Por lo tanto, la distribución de potencia es un haz gaussiano de forma casi ideal (Fig. 5, izquierda). Sin embargo, algunas aplicaciones de soldadura requieren una costura más ancha y energías de línea más altas respectivamente, lo que hace preferible una ampliación del diámetro focal, así como una modificación del perfil del haz. La configuración especial de resonador del láser de guía de onda no contiene la posibilidad de TEM01 * - (& quot; donut & quot;) - modo, que ha demostrado ser la distribución de energía más adecuada para tales aplicaciones en el largo período de los láseres de flujo axial rápido con ; convencional & quot; resonadores por lo tanto, el modo de rosquilla (Fig. 5, derecha) es generado por una configuración óptica especial en la trayectoria del rayo láser.

  El concepto de losa de CO2 ahora está bien establecido en aplicaciones de láser industrial: más de 3000 unidades en el campo han demostrado la alta confiabilidad y los bajos costos de funcionamiento de esta tecnología. AdemásPuede afirmar que la tecnología láser de losa de CO2 ha contribuido considerablemente a la posición aún muy sólida de la tecnología láser de CO2 en el procesamiento de materiales y al crecimiento del mercado en los últimos años8.

M² < 1,1 (& quot; Gauss & quot;)M² ~ 2,2 (& quot; Donut & quot;)

Fig. 5: Modo básico y donut para láser de losa de CO2

  Aplicaciones de láser de losa de CO2.

Llevar la potencia del láser y la calidad del haz hasta los límites solo es útil, si estas especificaciones proporcionan un beneficio para el proceso, en el caso de los láseres de CO2, esto significa para el corte y la soldadura: kW) se utilizan en estos campos, más del 60% para el corte, la mayoría en máquinas de cama plana.

  Aplicaciones de corte

  La ventaja de una fuente de láser con una calidad de haz mejorada para aplicaciones de corte es obvia, ya que el enfoque más pequeño permite un corte más pequeño y, por lo tanto, se debe fundir menos material para el proceso de separación. Esto se mantiene al menos mientrasEl material no es demasiado grueso, ya que en materiales gruesos, el entramado estrecho puede dificultar la eliminación del material fundido. Sin embargo, los leones que comparten en las aplicaciones de corte tienen que ver con el acero dulce, el acero inoxidable o el aluminio en el rango de 1 a 6 mm.

  El resultado demuestra claramente que es mucho menos la potencia del láser que proporciona la mejor calidad de haz. Solo en espesores más altos, más allá de 6 mm, una ventaja mínima del rápido sistema de flujo axial a una potencia más alta es reconocible en términos de velocidad de corte9.

Fig. 6: Comparación de la velocidad de corte en acero dulce: losa de 2,5 kW frente a 4 kW de flujo axial rápido9

  El efecto de una calidad de haz mejorada es aún más impresionante si se considera el corte por fusión de aluminio (Fig. 7). Por debajo de un grosor de 2 mm, la velocidad del láser de losa de 2,5 kW es 20 considerablemente mayor que para el sistema de flujo axial rápido, mientras que es casi igual entre el grosor de 2 y 4 mm. Sin embargo, con 15 espesores más altos, la ranura más ancha generada por el sistema de flujo axial rápido de 4 kW puede tener alguna ventaja.10 Se han observado efectos similares para el corte de acero inoxidable, pero la viga más ancha puede ser ventajosa incluso con un grosor de aproximadamente 2 mm 5. Sin embargo, para un corte a alta velocidad de 1 mm o menos, la ventaja de la alta calidad del haz es bastante considerable. UNASistema especial de corte bidimensional de alta velocidad con unaProfundidad de penetración [mm]De este modo, se reducen la zona afectada por el calor y la distorsión de la pieza.

Fig. 8: Comparación de la velocidad de soldadura para diferentes calidades de haz y láseres, resp.11

  Como ejemplo, una sección transversal de componentes de engranajes,Se usó para la costura en el lado derecho11. A casi la misma profundidad de soldadura, el láser con una calidad de haz inferior produjo una costura más ancha. Por otra parte, la costura más estrecha y la zona de interacción más estrecha entre el rayo láser y las partes a soldar requieren una mejor preparación de los bordes en caso de soldadura a tope, ya que de lo contrario el haz está cayendo a través de & quot; la costura. Además, además de esto, algunas aplicaciones requieren un haz más ancho por razones metalúrgicas, como se señaló en el capítulo 2.1, lo que provocó el requisito del haz en modo de rosquilla.

Perfil y soldadura de tubos con láser de losa de CO2.

Fig. 9: comparación de soldaduras de costura con láseres de diferente calidad de haz a la misma velocidad11

Se podría alcanzar una mejora considerable de la velocidad en comparación con el procedimiento convencional de soldadura TIG utilizando un láser de placa de CO2 de 4,5 kW.(ROFIN DC045) para la soldadura de tubos, hechos de acero inoxidable: se fabrican tubos de 18 x 1 [mm] en un molino de tubos de 16 m / min, en comparación con 5,5 m / min, que fueron alcanzados por el TIG Proceso de soldadura anterior12. Y esta alta velocidad está limitada por un proceso siguiente y no por el propio proceso de soldadura por láser. Para esta tarea se emplea un sistema completo de guía de haz con sensores de proceso integrados, reconocimiento de brechas y seguimiento de costura con un láser de guía de ondas de CO2 (ROFIN PWS, Profile Welding System, Fig. 10 y Fig. 11). El sistema de sensores sin contacto, los accionamientos de motor lineal, un controlador basado en PC y un PLC integrado aseguran un posicionamiento exacto del punto láser con una precisión de 20 µm incluso a la velocidad de producción más alta de 60 m / min. El cabezal de soldadura, montado en un sistema x-y-z-c proporciona una alta flexibilidad por diferentes distancias focales, varias boquillas y el suministro de gas. Los ejemplos de soldadura se muestran en la Fig. 12.

Fig. 10: Sistema ROFIN PWS (croquis)

Fig. 11: Sistema de soldadura de perfiles ROFIN PWS con láser de losa de CO2 de 6 kW

Fig. 12: secciones transversales de tubos de acero inoxidable soldados con láser (1.4301)

Sistema de soldadura remoto (RWS)

Hasta ahora, la calidad de haz mejorada proporcionada por el concepto de losa de CO2 se ha utilizado para generar una mayor densidad de potencia en un punto focal más pequeño. Sin embargo, la mayor densidad de potencia no siempre es necesaria. La densidad de potencia razonable es suficiente para la soldadura de lámina delgada. En tal situación, la calidad mejorada del haz se puede traducir a una gran distancia de trabajo en el rango de un metro o más. Tal idea ha conducido a un concepto, que aplica una tecnología de escaneo de haz similar a la que se usa en las aplicaciones de marcado a un proceso de soldadura de alta potencia en el llamado sistema de soldadura por láser remoto. El principio general se explica en el esquema de la Fig. 13: Un espejo montado en cardán puede mover el enfoque muy rápidamente en una superficie esférica; para compensar esto, es decir, para llevar el enfoque a un campo plano en el plano de trabajo, la lente de enfoque puede cambiarse (z). Finalmente, el espejo se puede mover también linealmente para extender el campo de trabajo en la dirección z. De esta manera, el enfoque se puede colocar muy rápidamente en un área de 1500 mm x 2400 mm y con un rango de altura de 650 mm. En la Fig. 14 se presenta un sistema completo (sin cámara de trabajo). La ventaja de tal sistema es obvia: debido al rápido movimiento, la tecnología del sistema de soldadura remota puede aumentar el número de soldaduras por puntos o líneas en un ciclo dado tiempo por un factor de hasta diez. La variedad ilimitada de contornos de soldadura dentro de la envoltura de trabajo abre nuevas y emocionantes posibilidades en diseño y construcción. Las partes más prominentes son las puertas de automóviles, el capó o la cubierta del baúl y las columnas. Por supuesto, el tiempo de procesamiento depende de la parte individual y de la longitud, la forma y el número de soldaduras, pero como una estimación aproximada, se pueden realizar aproximadamente 100 costuras de soldadura típicas en aproximadamente 40 segundos. Se necesitan sistemas de sujeción especiales para reparar las piezas y proporcionar gas de protección si es necesario.

                                                   Fig. 13: Esquema de la configuración del sistema de soldadura por láser remoto (RWS)Fig. 14: Sistema de producción RWS.