Подписка
Автор: 
А. Г. Игнатов, эксперт Министерства образования в научно-технической сфере, член КНЭ РФ и стран СНГ по лазерам и лазерным технологиям: 2005–2021 гг., АО «Ленинградские лазерные системы» (СПб), laseris-spbo@yandex.ru.

2018 год был еще одним рекордным годом в секторе продажи промышленных лазеров — на уровне ~5,1 млрд долл. Мировой рынок лазеров для макрообработки в 2018 году составил 2789 млн долл. [1, 2] и в 2019 г. должен достигнуть 2906 млн долл. Лидером была лазерная резка с 41% [2–4].

 

УНИВЕРСАЛЬНЫЙ ЛАЗЕР

 

Несмотря на целый ряд преимуществ применения специального оборудования, не оставляются попытки создавать универсальные инструменты, и один из возможных вариантов — это применение одного и того же лазера для целого спектра технологий. Спрос на универсальный и гибкий инструмент — это огромный шанс для лазера [5].

 

Полный спектр производственных процессов определяется, например, в немецкой промышленности стандартом DIN 8580, который включает процессы: литья, формирования, отделения и присоединения, покрытий и изменения свойств материалов (рис. 1) [5].

 

Рис. 1. Спектр использования лазерных технологий [5].

Рис. 1. Спектр использования лазерных технологий [5].

 

Волоконные лазеры имеют хорошее качество луча и открывают новые возможности обработки, о которых только мы мечтали, работая с более ранними типами твердотельных лазеров. Однако недавние работы показали, что высокое качество луча не всегда обеспечивает оптимальную обработку для некоторых применений [6]. На сегодняшний день большинство источников волоконных лазеров используют фиксированное качество луча, что требует компромиссов при их применении в гибкой производственной среде, учитывающей различные материалы, толщины и процессы. Эти проблемы не могут быть решены даже с использованием зум-оптики и дорогих фокусирующих головок [6]. Приходится разрабатывать новые подходы.

 

Так, доктор Марк Ричмонд — менеджер по мощным CW волоконным лазерам в SPI Lasers (Великобритания) на вэб-семинарах представляет variMODE, новую функцию, позволяющую выбирать качество выходного луча и профиль режима в реальном времени, чтобы оптимизировать обработку для каждого приложения, повысить производительность резки, сварки, сверления [6].

 

Известно, что одной из проблем применения мощных волоконных лазеров сегодня является отраженное излучение. Для защиты от него применяются, например, оптические изоляторы — это компоненты, которые пропускают свет только в одном направлении и блокируют его в другом, что имеет решающее значение для защиты лазерных источников [7]. В поисках малой и высокоэффективной конструкции оптического «амортизатора» исследователи технологического института Technion-Israel (Хайфа, Израиль) в сотрудничестве с университетом Центральной Флориды (Орландо, FL), Мичиганским университетом (Ann Arbor, MI) и китайским университетом Хунани (Changsha, Китай) разработали оптический изолятор на основе быстро вращающейся стеклянной сферы, которая регулирует пропускание света в зависимости от его направления [7].

 

РАСКРОЙ МЕТАЛЛИЧЕСКОГО ЛИСТА

 

В области лазерных технологий резки в последние годы произошел скачок в повышении мощности лазерных источников: с 3–6 кВт до 12 кВт, например, от известных зарубежных производителей: BYSTRONIC, BLM GROUP, BODOR, TRUMPF, AMADA, MAZAK, PRIMA POWER и др. Кроме повышения производительности увеличена и максимальная толщина разрезаемых сталей: с 15 до 30 мм. А сегодня уже происходит повышение мощности лазеров до 15–25 кВт в машинах для лазерной резки сталей толщиной до 30–70 мм. VNITEP (Россия) представил на выставке «Металлообработка» в Москве систему «Навигатор» с лазером 15 кВт (см. образцы на рис. 2), HAN`S LASER анонсировал машину резки с лазером 20 кВт [8], компания Bodor Laser выпустила сверхмощную лазерную режущую машину серии Bodor S мощностью 25 кВт для резки стали толщиной до 70 мм [9]. На выставке «ФОТОНИКС ВЕСТ» (США) руководители IPG отметили, что в компании спрос на лазеры ≥ 10 кВт увеличились на ≥ 40% по сравнению с прошлым годом [10].

 

Рис. 2. Образцы лазерной резки из стали и меди толщиной до 30 и 6 мм соответственно, алюминиевых и латунных сплавов толщиной до 12 мм, выполненные компанией VNITEP (Россия), представленные на российской выставке «МЕТАЛЛООБРАБОТКА–2019» Рис. 2. Образцы лазерной резки из стали и меди толщиной до 30 и 6 мм соответственно, алюминиевых и латунных сплавов толщиной до 12 мм, выполненные компанией VNITEP (Россия), представленные на российской выставке «МЕТАЛЛООБРАБОТКА–2019»

Рис. 2. Образцы лазерной резки из стали и меди толщиной до 30 и 6 мм соответственно, алюминиевых и латунных сплавов толщиной до 12 мм, выполненные компанией VNITEP (Россия), представленные на российской выставке «МЕТАЛЛООБРАБОТКА–2019»

 

И хотя наибольший объем разрезаемых сталей приходится на диапазон толщин до 6–15 мм, лазерная резка, много лет доминировавшая в диапазоне малых толщин, начинает активно вытеснять плазменную резку в диапазоне средних толщин. Однако с увеличением скорости резки остро встает вопрос автоматизации вспомогательных операций: загрузки и выгрузки, складирования заготовок и деталей. Желательно, чтобы производительность лазера соответствовала производительности машины в целом.

 

Повышение мощности в машинах лазерной резки соответственно повышает требования к чистоте оптических элементов в режущих головках. Малейшая грязь на линзах при лучевой мощности более 6 кВт (особенно при использовании волоконных лазеров) приводит к их перегреву, деформациям и выходу из строя.

 

Так, Al Julian, директор компании Piranha, отмечает: «Пылинки или пятна на коллиматорных и фокусирующих линзах внутри режущей головки поглощают длину волны волоконного лазера гораздо быстрее, чем длины волн CO2‑лазера. Это заставляет линзы нагреваться очень быстро, а их перегрев заставляет оптику изгибаться. В лучшем случае резка будет остановлена. В худшем случае это может приводить к большому ущербу». Автор [11] на основе опыта эксплуатации двенадцатикиловаттной машины лазерной резки рекомендует на больших мощностях использовать режущие головки на основе металлооптики c водоохлаждаемыми медными зеркалами, более стойкими для рассматриваемых жестких условий (рис. 3).

 

Рис. 3. Режущая головка Piranha на основе водоохлаждаемой  медной металлооптики [11]

Рис. 3. Режущая головка Piranha на основе водоохлаждаемой медной металлооптики [11]

 

Новое — хорошо забытое старое. Так, еще в 80‑х годах в Казани Юрием Усановым были разработаны и использовались режущие головки на основе медной металлооптики на CO2‑лазерах КМЗ «Союз» и болгарских «Хебрах» с мощностью излучения от 1–2 до 10–20 кВт. В Ленинграде в то же время в НИИЭФА им. Д. В. Ефремова на CO2‑лазерах «Ижора-М» и «Титан» мощностью до 10–15 и 30–50 кВт соответственно успешно использовалась медная металлооптика в объективах разработки Александра Скрипченко. Об использовании линз на подобном уровне мощности тогда, да и сегодня, и речи не могло быть. Да и на малых мощностях в условиях грязного производства объективы на металлооптике были более практичными и долговечными.

 

Надо заметить, что увеличение мощности — не единственный путь для повышения толщин разрезаемых материалов, производительности и качества лазерной резки. Эти задачи возможно решать и более дешевыми способами, например, путем сканирования, регулирования свойств фокального пятна и совершенствованием устройства режущей головки.

 

Так, Fraunhofer IWS и AMADA применили поперечное сканирование луча в пределах ширины реза на машине Amada Ventis мощностью 4 кВт, что повысило скорость резки, а также качество реза (рис. 4, 5). «Цель состоит в том, чтобы максимально использовать доступную мощность лазера для процесса резки», — пояснил д‑р Andreas Wetzig, руководитель подразделения лазерной абляции и резки в Институте материаловедения и лучевой технологии Фраунгофера. «В идеале вы должны использовать 100% доступной мощности лазера; на самом деле вы используете менее 50% без процедуры управления профилем луча. По нашему мнению, лучше приложить усилия для управления профилем луча, чем увеличивать мощность лазера», — добавил он [12].

 

Рис. 4. Резка 12 мм из нержавеющей стали на станке Amada Ventis, без Locus Beam Control (слева) — а и с включенным LBC (справа) — б [12].

 а)                                                  б)
Рис. 4. Резка 12 мм из нержавеющей стали на станке Amada Ventis, без Locus Beam Control (слева) — а и с включенным LBC (справа) — б [12].

Рис. 5. Система Locus Beam Control от Amada может создавать различные траектории раскрутки луча [12].

Рис. 5. Система Locus Beam Control от Amada может создавать различные траектории раскрутки луча [12].

 

Технология управления профилем луча Fraunhofer IWS использует два одиночных сканаторных зеркала для очень быстрого перемещения лазерного луча в пределах ширины реза в направлениях x и y. Лучом можно манипулировать на частотах до 4 кГц. Система Locus Beam Control (LBC) от Amada может создавать различные траектории раскрутки луча (рис. 5), что повышает скорость и качество резки для различных материалов и толщин [12].

 

nLIGHT (Vancouver, WA) разработала технологию быстрой настройки размера фокального пятна от ~ 100 мкм до ~ 300 мкм в волоконном лазере Corona [12] (рис. 6). Эксперименты показали повышение качества резки для различных металлов. Лазер Corona мощностью 4 кВт значительно увеличил производительность по сравнению с традиционными волоконными лазерами при резке мягкой и нержавеющей стали, алюминия и меди толщиной листового металла до 1 дюйма, т. е. позволил оптимизировать лазерную резку металла широкого диапазона толщин.

 

ис. 6. Пространственные профили луча четырехкиловаттного волоконного лазера Corona вблизи фокуса режущей головки

Рис. 6. Пространственные профили луча четырехкиловаттного волоконного лазера Corona вблизи фокуса режущей головки, записанные CMOS-камерой — а, поперечное сечение волокна и его профиль с тремя зонами — б [13, 14].

 

Форма пучка обеспечивается в пределах волокна, сохраняя при этом все преимущества по производительности, стабильности, эффективности и надежности волоконного лазера. Мощность лазера регулируется для каждого параметра диаметра луча. Дополнительным преимуществом лазера Corona является его быстрый переход с самых маленьких до крупных диаметров пятна (за время менее 30 ms). Волоконный лазер при этом продолжает работать на полную мощность во время изменения диаметра пятна. Corona позволяет использовать оптимальные характеристики луча для каждого этапа процесса резки, а не только для резки различных материалов с разными толщинами. Например, различные параметры у лазера Corona можно использовать во время прямолинейной резки и при прохождении поворотов [13, 14].

 

Такое преобразование параметров пятна с более равномерной плотностью распределения излучения весьма перспективно и для других видов обработки материалов, например, при сварке и наплавке, поверхностной термообработке.
На рис. 7 приведено сравнение резки низкоуглеродистой стали в среде кислорода стандартным четырехкиловаттным волоконным лазером с волокном 100 мкм и четырехкиловаттным волоконным лазером Corona. На верхнем графике приведена скорость резки, а на нижнем графике — значения шероховатости; на фотографиях образцов показан внешний вид кромки после резки, с изображениями сечения луча в фокальной плоскости. На рис. 8 показана деталь, вырезанная четырехкиловаттным волоконным лазером «Корона» из низкоуглеродистой стали толщиной 1 дюйм [13, 14].

Рис. 7. Сравнение резки низкоуглеродистой стали стандартным четырехкиловаттным волоконным лазером с волокном 100 мкм и четырехкиловаттным волоконным лазером «Корона» [13, 14].

Рис. 7. Сравнение резки низкоуглеродистой стали стандартным четырехкиловаттным волоконным лазером с волокном 100 мкм и четырехкиловаттным волоконным лазером «Корона» [13, 14].

Рис. 8. Пример резкичетырехкиловаттным лазером «Корона» детали из низкоуглеродистой стали толщиной 1 дюйм [13].

Рис. 8. Пример резкичетырехкиловаттным лазером «Корона» детали из низкоуглеродистой стали толщиной 1 дюйм [13].

 

 

Авторы [6], рассматривая на вэб-семинаре лазерную резку листового металла, также показывают, как волоконные лазеры с переменным качеством пучка способны повысить качество лазерной обработки как для «прокалывания», так и для резки толстых и тонких материалов.
Одним из наиболее важных аспектов производственного процесса в металлообработке является получение хорошего качества резки деталей. Уже больше 1,5 лет компания Lockport (США, Нью-Йорк), чтобы сэкономить и не повышать мощность лазерного источника, используют высокоскоростное сопло Eco на восьмикиловаттной машине TruLaser 5030 (с волоконным лазером, рис. 9). Компания воспользовалась этой технологией на мягкой стали 7‑го калибра толщиной до 0,5 дюйма и 7‑го калибра из нержавеющей стали толщиной до 1 дюйма [15].

 

Рис. 9. Машина лазерной резки TruLaser 5030 на базе волоконного лазера мощностью 8 кВт с соплом Highspeed Eco [15]

Рис. 9. Машина лазерной резки TruLaser 5030 на базе волоконного лазера мощностью 8 кВт с соплом Highspeed Eco [15]

Рис. 9. Машина лазерной резки TruLaser 5030 на базе волоконного лазера мощностью 8 кВт с соплом Highspeed Eco [15]

 

 

«Технология с азотом намного быстрее и имеет лучшее качество резки по сравнению с кислородом на углеродистой стали, — объясняет Cameron Lambert, техник, занимающийся эксплуатацией установки. Это позволяет гораздо быстрее резать толстую углеродистую и нержавеющую сталь, а в некоторых случаях — быстрее 100 дюймов в минуту» [15].

 

Технология установки сопла режущей головки над поверхностью материала резко сократила потребление азота по сравнению со стандартной резкой. Во время процесса резки основной поток газа проходит через центр сопла вместе с лазерным лучом. Остальная часть газа формирует вторичный поток, концентрирующийся в пропиле, чтобы помочь удалить расплавленный материал более эффективно [15].

 

При использовании стандартного сопла много газа теряется неоправданно из-за большого расстояния от сопла до разрезаемого материала. Во время стандартного процесса резки требуются более высокие скорости потока, чтобы достичь нужного давления в пропиле и удалить расплавленный материал, что способствует увеличению потери газа. С соплом Highspeed Eco рукав изолирует пропил и позволяет направлять газ непосредственно в него [15].

 

Применение насадки Highspeed Eco позволило использовать только один тип сопла в диапазоне всех применимых толщин для мягкой и нержавеющей стали. Это сокращает время установки и сводит к минимуму вероятность человеческой ошибки при замене сопел. Помимо обеспечения нужного качества резки компания увеличила ее скорость от 50% до 60%. Кроме того, очистка после резки была также сокращена на 50–60% [15].

 

При традиционной лазерной кислородной резке с ее экзотермической реакцией на кромках остаются окислы, которые затем по технологическим требованиям должны быть удалены. Резка в азоте является более предпочтительным методом, поскольку позволяет уменьшить эти вторичные операции и создать готовый продукт непосредственно под порошковое покрытие или сварку. Азот может применяться теми пользователями, которые ищут простое решение для устранения окисления при резке тонких материалов и не требуют высокой чистоты
азота [16].

 

Системы AMADA 2 (второго поколения) обеспечивают подачу чистого и сухого азота для резки, а также позволяют использовать смесители газов для создания идеальной среды, что значительно расширяет возможности при обработке различных материалов (рис. 10) [16].

 

Рис. 10. Система AMADA 2 [16].

Рис. 10. Система AMADA 2 [16].

 

Например, часто при лазерной резке алюминия качество кромки неприемлемо без последующего снятия заусенцев. Высокое качество лазерной резки волоконным лазером может быть достигнуто путем добавления к азоту небольшого количества кислорода. В результате обеспечивается последующая хорошая свариваемость и возможность нанесения порошкового покрытия на вырезанные заготовки без последующей обработки кромок [16].

 

Газовый смеситель может также использоваться для резки углеродистых сталей средней толщины. Этот диапазон может включать 11‑й и 7‑й калибры, т. е. 1/4 дюйма и 3/8 дюйма. Эти материалы могут быть раскроены с азотом или, еще лучше, со смесью газов, что может привести к 20–30%-му увеличению скорости резки и 70%-му снижению потребления газов. Это обеспечивается также специальными соплами и соответствующим уровнем чистоты газа, скоростью потока [16].

 

Один из технологических пакетов компании Precitec — EdgeTec — позволяет производить процесс лазерной резки толстых металлических листов (более 35 мм) с наилучшим качеством (рис. 11). Как дополнение к режущей головке PRECITEC PROCUTTER, EdgeTec имеет более широкий диапазон настройки положения фокуса лазерного излучения, что позволяет применять единственную лазерную головку как универсальное решение для задач, требующих высокой скорости резки [17].

 

Рис. 11. Образец лазерной резки металлических листов толщиной более 35 мм с технологическим пакетом EdgeTec [17].

Рис. 11. Образец лазерной резки металлических листов толщиной более 35 мм с технологическим пакетом EdgeTec [17].

 

Новый технологический пакет Precitec — PierceTec обеспечивает качественный процесс врезки и перфорации с высокой скоростью и отличным качеством. Датчики PierceTec постоянно отслеживают процесс пробивки и оптимизирует параметры лазера на основе полученных данных в режиме реального времени. Данное решение минимизирует зону термического влияния, пробивает отверстия минимального диаметра лазером. Все, что должен сделать пользователь, — запустить программу после указания типа и толщины материала [17].

 

При рассмотрении автоматизации, которая будет лучше всего соответствовать требованиям производства, следует оценивать текущие и будущие потребности. Ранее цикл лазерной резки превышал 3–4 минуты и скорость автоматизации не была столь важным фактором, как в настоящее время. Волоконные лазеры теперь могут создавать циклы < 1 мин, и задача автоматизации — обеспечить такой высокоскоростной процесс [16].

 

Для достижения автоматизации этих коротких циклов система одновременно выполняет множество задач. Например, система будет осуществлять одновременную загрузку/выгрузку деталей с/на поддоны, чтобы без ожидания ставить под резку следующий лист — см. рис. 12 [16]. Еще одна область автоматизации, которая должна отвечать вашим требованиям, это хранение материалов. Гибкая система должна обеспечивать оптимальную загрузку нужных материалов на поддоны, а затем их загрузку на машину лазерной резки и разгрузку готовых деталей [16].

 

Рис. 12. Схема оптимальной загрузки/разгрузки машины для лазерной резки листовых материалов [16].

Рис. 12. Схема оптимальной загрузки/разгрузки машины для лазерной резки листовых материалов [16].

Рис. 12. Схема оптимальной загрузки/разгрузки машины для лазерной резки листовых материалов [16].

 

 

В 2018 году на выставке EuroBLECH в Ганновере (Германия) была представлена машина лазерной резки Eagle польской компании iNspire с мощностью лазера до 15 кВт и вырезанный на ней образец из нержавеющей стали толщиной 60 мм [18]. По словам Marcin Ejma, руководителя Eagle, ее устройство автоматической смены паллет с приводом от серводвигателя может переключаться в течение 9 секунд, а система Eagle, оснащенная линейными двигателями с прямым приводом по осям X, Y и Z, обеспечивает ускорение 6 G. Конечно, ускорение может создавать сильную вибрацию. Чтобы смягчить ее, машина построена с гашением вибрации. Для этого основание машины изготовлено из полимербетона. Это тот же материал, который используется в координатно-измерительных машинах. Поперечный мост изготавливается из углеродного волокна. На этом мосту расположена режущая головка, которая рассчитана на мощность 15 кВт, имеющая небольшой вес. Волоконная лазерная оптика режущей головки чрезвычайно чувствительна, особенно в диапазонах более высокой мощности. Одно, даже очень маленькое загрязнение на оптике режущей головки может вызвать серьезные проблемы при подключении к лазеру сверхвысокой мощности. Для предотвращения загрязнения внутри головки была разработана конструкция без движущихся частей внутри [18].

 

Marcin Ejma сказал, что не может раскрыть специфику технологии по конкурентным причинам (конструкция головки запатентована). Хотя любой, кто использует лазер, заметит что-то новое, когда будет заменять защитное стекло в окне головки: оно расположено более чем на 14 дюймов над соплом. Это увеличенное расстояние предназначено для защиты окна от загрязнений, которые могут возникнуть в процессе прошивки и резки, в результате чего оператору не нужно часто менять защитное стекло [18].

 

С целью увеличения производительности компанией VNITEP (Россия) разработан и запатентован станок с двумя независимо работающими режущими головками. Каждая лазерная головка может раскраивать на общем или отдельном листе. Запатентована также система «крыло» — для перемещения по каждой оси используется один синхронный линейный электропривод, в отличие от функциональных аналогов, с двумя и более двигателями на оси, что исключает необходимость синхронизации. В результате существенно повышается надежность работы оборудования; для установки моделей с рабочей зоной до 4950×2050 не требуется специального фундамента. Обеспечивается высокая жесткость и виброустойчивость станка, в т. ч. и за счет композитной Y‑балки, которая значительно легче и прочнее, чем металлическая, а наличие сменных паллет челночного типа без подъема нижней паллеты (раскрой производится на двух уровнях) позволяет производить быструю замену заготовок. Время перезакатки паллет ≤ 15 секунд) [19].

 

Известная немецкая компания Daimler применяет машины лазерной резки с тремя независимыми режущими головками, расположенными на разных порталах (рис. 13а), а разборку вырезанных деталей выполняет пара специальных антропоморфных роботов (рис. 13б) [20].

 

 

а) Рис. 13. На автомобильном заводе Daimler каждая из трех лазерных головок системы имеет свой собственный портал (а), а разборку вырезанных деталей выполняет пара роботов (б) [20].

б) Рис. 13. На автомобильном заводе Daimler каждая из трех лазерных головок системы имеет свой собственный портал (а), а разборку вырезанных деталей выполняет пара роботов (б) [20].

Рис. 13. На автомобильном заводе Daimler каждая из трех лазерных головок системы имеет свой собственный портал (а), а разборку вырезанных деталей выполняет пара роботов (б) [20].

 

UNIMASH (Россия), например, предоставляет заказчику возможность выбора левостороннего или правостороннего исполнения станка LaserCut Professional M2 — за счет реализации двустороннего размещения челночного стола с двумя паллетами. Лазерный оптический резак LH‑105 имеет давление до 25 атм. [21].

 

Кристоф Блемкер из компании TRUMPF работает над применением искусственного интеллекта (ИИ) в лазерной обработке. Вместе со своими коллегами он надеется сделать, например, машину TruLaser Center 7030 еще лучше. «Первоначально мы даже не собирались включать искусственный интеллект в TruLaser Center 7030. Но затем мы поняли, что достигли пределов того, чему мы можем научить машину с помощью простых алгоритмов и ручного анализа данных, поэтому пару лет назад мы решили, что полностью автоматизированная машина тоже должна начать обучать себя», — говорит Блемкер [22].

 

Центр 7030 TruLaser — первая машина, на которой должен осуществляться полный автоматизированный цикл: от загрузки листов, их раскроя до выгрузки и складирования готовых деталей. Для этого она оснащена блоком автоматизации с встроенными датчиками. Выполняется анализ сбоев работы машин со всего мира. Результаты сравнения данных могут быть перенесены и использованы для модернизации и машинного обучения с одной машины на все другие машины того же типа [22].

 

Полностью автоматизированные лазерные машины являются лишь одним из примеров того, как TRUMPF продвигается вперед с искусственным интеллектом. Кэтрин Пфафф, руководитель отдела новых и цифровых бизнес-услуг, разработала решение по замене запасных частей. Оно является частью приложения Easy Order и позволяет клиентам идентифицировать продукты с помощью фото или сканирующей камеры, чтобы определить, какая часть нуждается в замене. Процесс распознавания деталей работает благодаря искусственной нейронной сети, которую TRUMPF заполняет фотографиями различных предметов, которые можно заказать. Приложение экономит время и особенно полезно для новых сотрудников, которые менее знакомы с машинами TRUMPF [22].

 

Компания Mazak предложила технологию прямого диодного лазера (DDL), которая является эксклюзивной прорывной лазерной платформой и, как утверждают авторы [20], обеспечивает более высокую производительность и надежность по сравнению с традиционными волоконными или другими твердотельными лазерными системами. DDL предлагает на 45% больше энергии по сравнению с CO2-лазерами и обеспечивает более высокие темпы поглощения энергии, увеличение плотности энергии. Если сравнивать режимы, DDL имеет 40‑процентное увеличение плотности мощности по сравнению с волоконными лазерами, что связано с меньшим диаметром пучка, который предлагает более интенсивное излучение, что в конечном счете увеличивает скорость резки [23].

 

ЛАЗЕРНАЯ РЕЗКА ПОД ВОДОЙ

 

Много десятилетий назад выполнялась программа по разработке процесса подводной резки электронным лучом. Этот проект был заморожен главным образом из-за низкой экономической эффективности. Позже, когда были разработаны мощные лазеры, этот проект возник опять, но уже с лазерным тепловым источником. Барьером оставался вопрос рентабельности. Сегодня ученые Лазерного центра в Ганновере (LZH; Hannover, Germany), независимого, некоммерческого исследовательского института, хотят ответить, может ли лазерный луч использоваться для эффективного демонтажа ядерных реакторов, для разрезания подводных его конструкций (рис. 14) [24].

 

Рис. 14. Подводная лазерная резка. Фото: LZH [24].Рис. 14. Подводная лазерная резка. Фото: LZH [24].

Рис. 14. Подводная лазерная резка. Фото: LZH [24].

 

Во всем мире есть 76 ядерных реакторов, которые должны быть выведены из эксплуатации в 2019 году, а затем будут демонтированы и утилизированы. 183 реактора будут списаны в 2020‑х и 127 единиц в 2030‑х годах. Проблема весьма актуальная, требует решения с повышением эффективности и снижением затрат [24].

 

Эта часть проекта AZULa («Automated separation of reactor pressure vessel installations using underwater laser technology») будет включать разработку процесса лазерной резки и создание компактной режущей головки для использования в радиологической, активированной и загрязненной подводной среде. Система должна включать прямой демонтаж ядерных установок (сосудов реактора под давлением. Затраты на окончательную очистку водного бассейна при лазерной резке значительно уменьшаются по сравнению с резкой водяной струей или обычными механическими методами. Кроме того, механические методы резки подвержены заклиниванию инструмента, что не может произойти с лучом при лазерной резке. Лазерная резка представляется более дешевой альтернативой при демонтаже компонентов ядерных реакторов. Проект AZULa осуществляется в сотрудничестве с Orano (Paris, France) и спонсируется Федеральным министерством образования и научных исследований по гранту проекта с координатором: Gesellschaft für Anlagen und Reaktorsicherheit (GRS; Köln, Germany) [24].

 

Лазерная резка при утилизации атомных реакторов и подводных лодок рассматривалась и в СССР как очень перспективный процесс. Были выполнены ряд исследований, правда, не под водой, а на воздухе. Предполагался также лазерный раскрой на металлолом списанных судовых конструкций гражданского и военного назначения. Тема очень актуальна и сегодня.

 

Лазерная резка находит широкое применение не только в ведущих странах Европы, Америки и Азии. Она уже начинает применяться и в Африке, в Зимбабве (рис. 15). Несколько лет назад известный главный редактор журнала ILS David Belforte сделал полушутя прогноз о том, что Африка может быть следующей областью промышленного роста и, возможно, превзойдет Азию [25].

 

Рис. 15. Машина лазерной резки Sawpower’s Bystronic BySprint Fiber 3015 laser была установлена в Зимбабве [25].

Рис. 15. Машина лазерной резки Sawpower’s Bystronic BySprint Fiber 3015 laser была установлена в Зимбабве [25].

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 

В лазерной резке сегодня происходит фактически революция — толщина обрабатываемых сталей увеличивается до 30–70 мм, вытесняя плазменную резку из этого диапазона толщин, а мощность используемых на производстве волоконных лазеров, соответственно, увеличивается с 3–6 до 15–25 кВт, что расширяет не только диапазон использования машин, но и значительно повышает их производительность.

 

Литература

1. What goes up. ANNUAL LASER MARKET REVIEW & FORECAST 2019 / G. OVERTON, A. NOGEE, D. BELFORTE, J. WALLACE, B. GEFVERT // Laser Focus World. January 2019. P. 40–45, 47, 49–54, 56–58, 60–61, 64–65.
2. Буров Н. В., Игнатов А. Г. Мировой рынок фотоники и лазерных технологий: 2010–2019 // Ритм машиностроения. 2019. № 4. С. 60–67
3. BELFORTE D. A. 2018 was another record year, contending with turmoil // Industrial Laser Solutions. 2019. JANUARY/FEBRUARY. Р. 9–11.
4. Мировой рынок систем лазерной обработки материалов достиг рекордных $ 19,8 млрд / https://www.lasersystemseurope.com/11/04/2019.
5. THE LASER: One universal tool for manufacturing / T. GRAF, M. ABDOU AHMED, P. BERGER, V. ONUSEIT, R. WEBER // Industrial Laser Solutions. 2019. JANUARY/FEBRUARY. P. 13–15.
6. Марк Ричмонд, менеджер SPI Lasers, представляет variMODE на вэб-семинарах // URL: http://marketing.spilasers.com/webinars 13/08/2019.
7. Разработан оптический изолятор, применение которого очень важно для защиты лазерных источников от «отраженки» // URL: https://www.laserfocusworld.com/articles/print/volume‑54/issue‑08/world-news/optical-isolators-the-light-valve-a‑rapidly-spinning-glass-sphere-isolates-light.html?cmpid=enl_lfw_lfw_enewsletter_2018–09–11&pwhid
8. Буров Н. В., Игнатов А. Г. Рынок лазеров в России и странах СНГ // Ритм машиностроения. 2019., № 5.С. 32–43.
9. Bodor Laser 25000W сверхмощная лазерная резка, мировая премьера // URL: https://www.bodorlaser.ru/News/317.html, 20/05/2019.
10. IPG видит признаки восстановления рынка лазеров в Китае // URL: http://лазер.рф/2019/05/30/13106/, 30/05/2019.
11. SUE ROBERTS. Dual fiber lasers right-size cutting power // URL: WWW. THEFABRICATOR. COM/ARTICLE/LASERCUTTING/DUAL-FIBER-LASERS-RIGHT-SIZE-CUTTING-POWER 05/02/2019.
12. Резать лучше всех толстолистовые плиты // URL: http://лазер.рф/2019/06/13/13328/, 13/06/2019.
13. Fiber laser technology improves metal cutting / Dahv Kliner, Brian Vict — nLIGHT, Vancouver, WA, www.nlight.net // Industrial Laser Solutions. 2018. September/October. Р. 23–26.
14. Fiber laser has all-fiber tunable beam quality / DAHV A. V. KLINER, ROGER L. FARROW, BRIAN VICTOR // Laser Focus World, April 2019, Р. 45–48.
15. IMPROVING cutting speed and edge quality / N. STANCZYC // Industrial Laser Solutions. SEPTEMBER/OCTOBER 2018. P. 15–16.
16. How to select the right setup for your fiber laser cutting needs / DUSTIN DIEHL // Industrial Laser Solutions, SEPTEMBER/OCTOBER 2018. P.17–19.
17. Технологии PierceTEC и EdgeTEC для лазерной резки // URL: https://ckspa.ru/news/tekhnologii-piercetec-i‑edgetec-dlya-lazernoy-rezki.html 12/08/2019.
18. Рецепт для увеличения мощности лазерной резки / Компании: Fairmont Machinery и Eagle // URL: http://xn —80akfo2a.xn — p1ai/2019/01/18/10977/18/01/2019; https://www.thefabricator.com/product/lasercutting/technology-spotlight-a‑recipe-for-scaling-up-laser-cutting-power.
19. НАВИГАТОР — комплексы VNITEP для высокоскоростного раскроя металла с волоконным лазером и линейными двигателями // URL: http://vnitep.ru/data/brochure_2019.pdf?rev=2%2023/08/2019.
20. TIM HESTON. Laser blanking reaches the automotive OEM. The story of laser blanking’s success at Daimler // URL: WWW. THEFABRICATOR. COM/ARTICLE/LASERCUTTING/LASER-BLANKING-REACHES-THE-AUTOMOTIVE-OEM 04/05/2019.
21. LaserCut Professional M2 — лазерный раскройный комплекс UNIMASH // URL: https://unimach.ru/catalog/lasercut-professional-m2/23/08/2019.
22. ДАУМ К. С помощью этих проектов TRUMPF превращает искусственный интеллект в реальность // URL: HTTPS://WWW. TRUMPF. COM/EN_INT/MAGAZINE/WITH-THESE-PROJECTS-TRUMPF-TURNS-AI–INTO-REALITY/10.07.2019.
23. Lobit M. Five Laser-Cutting Trends of 2019. The future of laser-cutting technology is here with these five trends leading the way / Mazak Optonics Corp. // URL: https://www.mazakoptonics.com/news-events/blog/five-laser-cutting-trends-of‑2019/12/06/2019
24. Feasibility study tackles effective laser beam cutting underwater / David Belforte // Industrial Laser Solutions. MARCH/APRIL 2019. Р.6.
25. Laser cutting in Southern Africa/David Belforte // Industrial Laser Solutions. MARCH/APRIL 2019. Р. 5.

 

Источник журнал "РИТМ машиностроения" № 7-219

 

 

 

Внимание!
Принимаем к размещению новости, статьи
или пресс-релизы с ссылками и изображениями.
ritm@gardesmash.com

 

Реклама наших партнеров