Скидка на подшипники из наличия!
Уже доступен
Волоконный лазер (fiber laser) — твердотельный лазерный источник, в котором генерация излучения происходит непосредственно в активном оптическом волокне. Длина волны иттербиевых промышленных систем составляет 1 060–1 080 нм, мощность — от 0,5 до 30 кВт и выше, электрооптический КПД (wall-plug efficiency) стандартных промышленных серий — более 40%. Технология занимает лидирующее положение в лазерной резке металлов, вытесняя CO2-установки по ключевым производственным параметрам.
Волоконный лазер относится к классу твердотельных лазеров. В качестве активной среды используется кварцевое оптическое волокно, легированное ионами редкоземельных элементов — чаще всего иттербия (Yb³⁺). Именно иттербиевое легирование обеспечивает эффективную генерацию излучения на длине волны около 1 070 нм, наиболее востребованной в промышленной обработке металлов. Эрбиевые системы генерируют на длине волны 1 530–1 565 нм, тулиевые — около 2 000 нм.
Ключевое конструктивное отличие от других твердотельных лазеров: активная среда распределена по длине волокна, которое в высокомощных источниках (20–30 кВт) может достигать нескольких десятков метров. Такая конфигурация обеспечивает высокое суммарное оптическое усиление при относительно низкой плотности мощности на единицу длины, что снижает риск нелинейных эффектов и разрушения активной среды.
Длина волны волоконного лазера 1 070 нм в 10 раз короче, чем у CO2-лазера (10 600 нм). Это фундаментальное различие определяет принципиально иное взаимодействие с металлической поверхностью: коэффициент поглощения меди, алюминия и других высокоотражающих металлов значительно выше именно на длине волны 1 мкм.
Источником энергии служат полупроводниковые лазерные диоды. Их излучение вводится в оболочку активного волокна через специальные световоды накачки. Внешняя оболочка волокна выполнена как многомодовый волновод: она принимает мощное излучение диодов в различных пространственных модах и обеспечивает его перекрытие с одномодовой легированной сердцевиной. В сердцевине происходит передача энергии ионам иттербия и последующая вынужденная эмиссия лазерного излучения.
Такая конструкция называется волокном с двойной оболочкой (double-clad fiber). Внешняя многомодовая оболочка принимает мощные диодные пучки, одномодовая легированная сердцевина формирует высококачественный лазерный луч. Это позволяет достигать высокой выходной мощности без ущерба для качества луча — проблема, ограничивавшая первые поколения волоконных лазеров.
Оптический резонатор формируется волоконными брэгговскими решётками (FBG, Fiber Bragg Grating), вписанными непосредственно в волокно. Первая решётка с высоким коэффициентом отражения выполняет роль глухого зеркала резонатора, вторая — полупрозрачного выходного зеркала. Это полностью исключает из конструкции юстируемые оптические зеркала, которые являются главным источником нестабильности, потерь мощности и эксплуатационных затрат в CO2-лазерах.
Выходное излучение транспортируется к режущей или сварочной головке по гибкому транспортировочному волокну. Диаметр сердцевины транспортировочного кабеля составляет 25–50 мкм для одномодовых источников (высокое качество луча, BPP около 2 мм·мрад) и 50–300 мкм для многомодовых промышленных систем мощностью 1–20 кВт. Длина транспортировочного кабеля — до 50 м без изменения качества луча. Транспортировка по гибкому волокну принципиально отличает fiber-лазеры от CO2-систем с жёстким зеркальным трактом доставки луча.
Одномодовые (SM, Single-Mode) источники распространяют только основную (фундаментальную) пространственную моду. Параметр качества луча BPP — около 2 мм·мрад для 50 мкм выходного волокна, у Trumpf TruFiber P с 25 мкм волокном — ещё ниже. Фокусное пятно на материале — порядка 50–100 мкм, что обеспечивает максимальную плотность мощности при скоростной резке тонколистового металла.
Многомодовые (MM, Multi-Mode) источники сочетают высокую суммарную мощность с несколько более крупным пятном фокусировки. Параметр BPP для промышленных многомодовых систем — в диапазоне 3–10 мм·мрад в зависимости от диаметра транспортировочного волокна. Применяются для резки толстого листового проката и сварки с глубоким проплавлением. По оценке IPG Photonics, значение BPP около 4 мм·мрад является практически оптимальным для большинства задач промышленной лазерной резки.
Основная сфера применения fiber-лазеров в металлообработке — раскрой листового металла на координатных станках с ЧПУ. Источники мощностью 3–6 кВт обеспечивают скоростную резку нержавеющей стали толщиной до 12 мм, конструкционной стали — до 20–25 мм. Системы мощностью 12–30 кВт позволяют резать конструкционную сталь толщиной 40–60 мм и более. Нержавеющая сталь толщиной 1 мм режется источником 6 кВт на скорости свыше 40 м/мин.
Качество поверхности реза при лазерной обработке регламентируется действующим стандартом ГОСТ Р ИСО 9013-2022 (введён в действие 30.06.2022, идентичен ISO 9013:2017). Стандарт применим для лазерной резки материалов толщиной от 0,5 до 32 мм и устанавливает допуски на отклонение угла реза от перпендикуляра, среднюю высоту профиля поверхности реза Rz5 и предельные отклонения размеров вырезаемых деталей.
Длина волны 1 070 нм значительно лучше поглощается медью, алюминием, латунью и бронзой по сравнению с CO2-излучением на 10 600 нм. CO2-лазер на этой длине волны поглощается полированной медью менее чем на 2%, что делает начало процесса крайне нестабильным. Fiber-лазер на 1 070 нм поглощается медью эффективнее уже при холодной поверхности, а после начала плавления коэффициент поглощения резко возрастает, обеспечивая устойчивое протекание процесса. Это делает волоконный лазер практически единственным надёжным инструментом для точной резки медных шин, алюминиевых радиаторов и латунных деталей в серийном производстве.
По данным технической документации Hypertherm и ESAB, при резке алюминия на CO2-лазере требуется почти на 40% больше мощности по сравнению с YAG/fiber-источником аналогичной эффективности в зоне реза — из-за более низкого коэффициента поглощения на длине волны 10,6 мкм.
Помимо раскроя, fiber-лазеры применяются для лазерной сварки, поверхностной закалки, лазерной наплавки (cladding), маркировки и гравировки. Транспортировка луча по гибкому волокну позволяет интегрировать один источник с роботизированным манипулятором для последовательного выполнения нескольких операций без перебалансировки оптического тракта.
Качество поверхности реза при лазерной обработке металлов в Российской Федерации регламентируется действующим стандартом ГОСТ Р ИСО 9013-2022 «Резка термическая. Классификация резов. Геометрические характеристики изделий и допуски по качеству» (утверждён и введён в действие приказом Росстандарта от 30.06.2022 № 549-ст, идентичен ISO 9013:2017). Стандарт устанавливает классы качества по допуску перпендикулярности или наклона поверхности реза (параметр u) и по средней высоте профиля (Rz5) для лазерной резки материалов толщиной от 0,5 до 32 мм.
Для идентификации несовершенств и дефектов поверхности реза применяется стандарт ISO 17658:2002, устанавливающий терминологию для лазерной, плазменной и газопламенной резки. При проектировании деталей под последующую сварку после лазерного раскроя используется ГОСТ 5264-80, регламентирующий форму и размеры сварных соединений (кромки под сварку). Требования к безопасности при эксплуатации лазерного технологического оборудования устанавливает ISO 11553-1:2005. Для предприятий с плазменной и газопламенной резкой применяется также ГОСТ 14792-80, регламентирующий точность и качество поверхности реза деталей, вырезаемых данными методами.
Качество реза по ГОСТ Р ИСО 9013-2022 определяется совокупностью технологических параметров: мощностью источника, скоростью подачи режущей головки, давлением и типом ассистирующего газа, положением фокуса относительно поверхности материала и диаметром сопла. Конструкционная сталь толщиной 10 мм при резке с кислородом источником 3 кВт режется со скоростью 1,5–2,5 м/мин. Источник 6 кВт обеспечивает на той же толщине скорость 3–5 м/мин при сопоставимом качестве кромки. При резке нержавеющей стали с азотом достигается оксидно-чистая кромка, пригодная для сварки и нанесения покрытий без дополнительной обработки.
Волоконный лазер (fiber laser) — твердотельный источник с активной средой в виде иттербиевого оптического волокна, обеспечивающий длину волны 1 060–1 080 нм, мощность от 0,5 до 30 кВт и выше, электрооптический КПД более 40% (стандартные серии) и более 50% (высокоэффективные серии). Отсутствие юстируемых зеркал, транспортировка луча по гибкому кабелю длиной до 50 м, эффективная резка меди и алюминия, длительный ресурс диодов накачки и высокий КПД при низких эксплуатационных затратах определяют доминирующее положение технологии в современной промышленной лазерной металлообработке. Действующий российский стандарт, регламентирующий качество термического реза, — ГОСТ Р ИСО 9013-2022. Требования к безопасности при эксплуатации лазерного оборудования устанавливает ISO 11553-1:2005.
Вы можете задать любой вопрос на тему нашей продукции или работы нашего сайта.