Пять основных причин распространённости лазеров с длиной волны 1,06 мкм в промышленности

Первыми в промышленности стали использоваться лазеры на углекислом газе (CO₂) с длиной волны 10,6 мкм, так как именно на них впервые была достигнута мощность излучения свыше 1 кВт. Однако спустя буквально несколько лет им пришлось освободить место сначала для твердотельных лазеров на иттрий-алюминиевом гранате (Nd:YAG), а затем и для волоконных иттербиевых лазеров, генерирующих излучение на 1,06 мкм. Это произошло по ряду причин.

 

 

1. Эффективность поглощения излучения металлами

 

Материалы поглощают лазерное излучение различных длин волн с разной эффективностью. Так, для обработки изделий из древесины, кожи, резины, пластика и других неметаллических материалов лучше использовать CO₂-лазер, тогда как для металлов более подходящими являются Nd:YAG или волоконный лазер. Хотя сварку и резку деталей большой толщины лучше проводить с помощью газового лазера — за счёт его высокой мощности и лучшего качества обработки.

 

 

2. Энергетическая эффективность обработки

 

На энергетическую эффективность обработки материалов влияют три фактора:

• диаметр пятна;
• КПД лазера;
• энергопотребление станка.

Мощность лазера — важный, но не единственный параметр, определяющий производительность технологического процесса. Большую роль играет плотность мощности излучения — величина, показывающая, какая мощность приходится на единицу площади поверхности.

За счёт меньшего диаметра пятна твердотельные и волоконные лазеры позволяют добиться в 100 раз большей интенсивности излучения, чем CO₂-лазер сопоставимой мощности.

А если принять во внимание, что КПД волоконного лазера может в 2 раза превышать аналогичный показатель у CO₂, то повышенный спрос на станки с этим типом лазеров становится понятен.

 

 

3. Возможность введения в волокно

 

Оптические свойства излучения с длиной волны 10,6 мкм таковы, что для системы доставки излучения в зону обработки нужно использовать специальную оптику из германия или других дорогостоящих материалов. Ввести это излучение в волокно тоже невозможно. 

Тогда как излучение 1,06 мкм способно распространяться по волокну и не требует для фокусировки дорогостоящей и сложной оптической системы, что открывает более широкие технологические перспективы, в том числе и обработку материалов в труднодоступных местах.

 

 

4. Ресурс

 

Амортизация оборудования — важная статья при проектировании производственной линии. И волоконные лазеры в этом плане безоговорочно выигрывают. Ресурс CO₂-лазера — до 15 000 часов. Ресурс твердотельного лазера — более 100 000 часов, причём в случае с волоконным лазером этот срок можно продлить при относительно небольших затратах.

 

 

5. Простота обслуживания

 

Волоконные лазеры выигрывают и в простоте обслуживания. По сути, особого ухода им и не требуется, тогда как CO₂-лазер создаёт массу проблем:

• необходимость замены и пополнения газовой смеси;
• необходимость постоянного охлаждения;
• хрупкость газовой трубки;
• необходимость выделения большой площади для станка;
• необходимость регулярной юстировки оптики;
• невозможность обработки материалов с высоким показателем отражения для длины волны 10,6 мкм;
• и другие.

Работать с волоконным лазером сможет даже человек, не прошедший специальной подготовки: подобрать режим можно экспериментально, да и в общем доступе много информации с рекомендациями по обработке тех или иных материалов.

 

 

Итоги

 

Означает ли вышеперечисленное, что твердотельные и волоконные лазеры полностью вытеснят с рынка своих газовых конкурентов? Нет. Конечно, когда мощность CO₂-лазеров на порядки превышала возможности твердотельных и волоконных моделей, они царили на рынке безраздельно. В настоящее же время им пришлось занять собственную нишу и решать задачи, решение которых иными методами либо малоэффективно, либо невозможно. 

CO₂-лазеры по-прежнему держат высокую планку по лазерной сварке и раскройке деталей большой — от 20 мм — толщины.

Использовать их для обработки неметаллических материалов, хорошо поглощающих излучение с длиной волны 10,6 мкм, экономически даже целесообразнее, чем твердотельные и волоконные. Сверхвысокие мощности для этого не нужны, поэтому станок может быть относительно небольших размеров.

Таким образом, при решении, какой станок выгоднее — на базе газового или волоконного лазера — необходимо руководствоваться в первую очередь задачами, которые будут решаться на производстве. В конце концов, волоконные лазеры тоже не лишены недостатков, и не все задачи им поддаются.

Также следует понимать, что вложения на этапе приобретения лазерного оборудования в случае с волоконными технологиями будут существенно выше. Волоконный лазер обойдётся примерно в 1,5 миллиона рублей за кВт мощности, CO₂-лазер — около 500 тысяч рублей за кВт. Но при больших объёмах производства оборудование может окупиться менее чем через год, к тому же эксплуатационные расходы для станка на базе газового лазера существенно выше.

Поэтому если стоящая на производстве задача допускает использование обоих видов лазеров, стоит переплатить на первом этапе и приобрести волоконный — дальнейшая эксплуатация компенсирует более высокую начальную стоимость.

В дальнейших статьях мы обсудим промышленное применение различных видов лазеров и поделимся рекомендациями по выбору оборудования.