Сравнение 5 типов лазеров

Лазеры являются важнейшим компонентом современных систем лазерной обработки.

С развитием технологий лазерной обработки развиваются и сами лазеры, что приводит к появлению новых типов.

Первоначально основными типами лазеров, используемых для обработки, были мощные CO₂ газовые лазеры и твердотельные YAG-лазеры с ламповой накачкой.

Фокус развития сместился с увеличения мощность лазера для улучшения качества луча, как только будут удовлетворены требования по мощности.

Развитие полупроводниковых, волоконных и дисковых лазеров привело к значительному прогрессу в таких областях, как лазерная обработка материалов, медицина, аэрокосмическая промышленность и автомобилестроение.

Пять наиболее распространенных лазеров на рынке - CO₂ лазеры, Nd:YAG лазеры, полупроводниковые лазеры, дисковые лазеры и волоконные лазеры. Можете ли вы предоставить информацию об их характеристиках и сфере применения?

CO2-лазер

Применение:

CO2-лазер с характерной длиной волны 10,6 микрометра обладает низким поглощением в металлических материалах. Это уникальное свойство делает его особенно эффективным для специфических применений в обработке металлов и резке неметаллических материалов.

При изготовлении металлических изделий CO2-лазеры отлично подходят для сварки, особенно тонких и средней толщины материалов. Их большая длина волны обеспечивает отличное сцепление с металлическими поверхностями, что приводит к сварным швам глубокого проникновения с минимальными искажениями. Эта способность имеет решающее значение в отраслях, требующих высокоточного соединения, таких как авиация, производство электронных приборов, автомобилестроение и производство современного оборудования.

Для резки неметаллических материалов предпочтительнее использовать CO2-лазеры. Их длина волны легко поглощается такими материалами, как пластик, дерево, текстиль и некоторые композитные материалы, обеспечивая чистые и точные разрезы с минимальными зонами термического воздействия. Эта универсальность привела к широкому применению в самых разных отраслях - от производства вывесок и упаковки до изготовления мебели и архитектурных моделей.

Адаптивность CO2-лазеров распространяется на специализированные области применения, такие как обработка поверхностей, маркировка и гравировка на различных материалах. В автомобильной промышленности, например, они используются не только для сварки, но и для точной резки внутренних компонентов и нанесения идентификационных кодов на детали.

По мере развития производственных технологий CO2-лазеры продолжают находить новые применения, особенно в гибридных системах обработки, где они сочетаются с другими типами лазеров или производственными процессами для достижения оптимальных результатов в сложных задачах изготовления.

Nd:YAG лазер

Применение:

Лазеры Nd:YAG (лазеры на иттрий-алюминиевом гранате, легированном неодимом) обладают исключительными характеристиками поглощения металлов, что делает их высокоэффективными для прецизионной обработки металлов, такой как резка, сварка и маркировка. Их универсальность в изготовлении металлов обусловлена способностью лазера генерировать высокоэнергетические импульсы малой длительности, которые можно точно контролировать.

При резке Nd:YAG-лазеры обеспечивают чистые, узкие пропилы с минимальными зонами термического влияния (HAZ), особенно в тонких и средних металлах. Для сварки они обеспечивают глубокое проникновение и могут использоваться как для кондуктивной, так и для шпоночной сварки, что позволяет выполнять высокоскоростное соединение различных металлических сплавов. При маркировке эти лазеры обеспечивают высококонтрастную, постоянную маркировку на широком спектре металлических поверхностей без нарушения целостности материала.

Широкое распространение лазеров Nd:YAG в различных отраслях промышленности объясняется их уникальным сочетанием высокой пиковой мощности (до нескольких мегаватт в импульсном режиме), компактной твердотельной конструкции и надежных рабочих характеристик. Эти лазеры сохраняют неизменное качество луча и стабильность мощности в течение длительных периодов эксплуатации, что делает их идеальными для работы в сложных промышленных условиях.

Основные отрасли промышленности, использующие лазерную технологию Nd:YAG, включают в себя:

1. Аэрокосмическая и оборонная промышленность: Для прецизионной резки и сварки критически важных компонентов, а также для маркировки с целью отслеживания.
2. Производство медицинского оборудования: При производстве стентов, имплантатов и хирургических инструментов, требующих высокоточной обработки.
3. Автомобильная промышленность: Для сварки и резки кузовных панелей, рам и компонентов силовых агрегатов.
4. Электроника: Сверление печатных плат, скрайбирование полупроводниковых пластин и маркировка компонентов.
5. Научные исследования: В качестве надежного источника для спектроскопии, исследований в области нелинейной оптики и изучения материалов.
6. Аддитивное производство: В процессах 3D-печати металлов, таких как селективное лазерное плавление (SLM).

Долговечность и надежность Nd:YAG-лазеров в сочетании с их приспособленностью к различным уровням мощности и режимам работы (непрерывная волна или импульс) обеспечивают их постоянную актуальность в передовых производственных и исследовательских приложениях, несмотря на появление более новых лазерных технологий.

Полупроводниковый лазер

Применение: Полупроводниковые лазеры, характеризующиеся высокой однородностью луча и ограниченной глубиной проникновения, обычно не подходят для резки металла. Однако такие точные характеристики луча делают их идеальными для различных видов обработки металлических поверхностей. Их уникальные свойства особенно выгодны в таких процессах, как:

1. Лазерная наплавка: Нанесение износостойких или коррозионностойких покрытий на металлические поверхности с высокой точностью и минимальной зоной термического воздействия.
2. Поверхностная закалка: Выборочный нагрев и быстрое охлаждение отдельных участков металлических деталей для повышения твердости и износостойкости без изменения свойств основного материала.
3. Аддитивное производство (3D-печать): Обеспечение процессов плавления металлического порошка с высоким разрешением для создания сложных геометрических форм и индивидуальных деталей.

Управляемость и эффективность полупроводникового лазера привели к его широкому распространению в ряде высокотехнологичных отраслей, включая:

• Аэрокосмическая промышленность: Для точной обработки поверхностей критически важных компонентов, повышения усталостной долговечности и эксплуатационных характеристик лопаток турбин, деталей шасси и элементов конструкций.
• Медицина: Производство сложных медицинских устройств, имплантатов и хирургических инструментов с улучшенными свойствами поверхности.
• Автомобильная промышленность: Улучшение поверхности компонентов двигателя, деталей трансмиссии и легких конструктивных элементов для повышения долговечности и производительности.

В этих приложениях используется способность полупроводникового лазера доставлять точную, локализованную энергию, что делает его бесценным инструментом в передовых производственных процессах, где качество поверхности и свойства материала имеют решающее значение.

Дисковый лазер

Применение: В дисковом лазере используется уникальная структура пространственной оптической связи, обеспечивающая исключительно высокое качество луча. Эта характеристика делает его идеальным для широкого спектра задач прецизионной лазерной обработки материалов.

Дисковый лазер отлично подходит для различных процессов изготовления металлов, включая высокоточную резку, сварку с глубоким проникновением, тонкую маркировку, аддитивное производство (наплавка и 3D-печать), а также операции термообработки, такие как закалка поверхности. Превосходное качество луча позволяет сфокусировать энергию, обеспечивая высокоскоростную обработку и превосходное качество кромок при резке, а также узкие и глубокие сварные швы при сварочных операциях.

Эта универсальная лазерная технология нашла широкое применение во многих высокотехнологичных отраслях. В автомобилестроении дисковые лазеры используются для решения самых разных задач - от сложной сварки кузова до резки заготовок по индивидуальному заказу. В аэрокосмической отрасли дисковые лазеры используются для прецизионного сверления охлаждающих отверстий в компонентах турбин и для сварки легких сплавов. В точном машиностроении эти лазеры облегчают производство сложных деталей с высокими допусками. Промышленность 3C (Computer, Communication, and Consumer Electronics) использует дисковые лазеры в таких областях, как тонкая резка тонких металлических листов для корпусов мобильных устройств и высокоскоростная маркировка электронных компонентов.

Волоконный лазер

Волоконные лазеры произвели революцию в обработке металлов благодаря своим исключительным характеристикам, включая высокую эффективность электрооптического преобразования (до 30-40%), превосходные коэффициенты поглощения металла и отличное качество луча (M² < 1,1). Благодаря этим характеристикам волоконные лазеры особенно хорошо подходят для широкого спектра применений в металлообработке:

1. Прецизионная резка: Возможность резки тонких и средних по толщине металлов (до 25 мм для стали) с высокой скоростью и минимальной зоной термического влияния (HAZ).
2. Высокоскоростная сварка: Идеально подходит как для кондуктивной, так и для шпуровой сварки, обеспечивая глубокое проплавление и узкие сварные швы.
3. Микрообработка: Отлично подходит для тонкой маркировки, гравировки и сверления микроотверстий в различных металлах.
4. Обработка поверхности: Эффективен для лазерного упрочнения, очистки и текстурирования металлических поверхностей.
5. Аддитивное производство: Широко используется в процессах 3D-печати металлов, таких как селективное лазерное плавление (SLM).

Универсальность и эффективность волоконных лазеров привели к их широкому распространению во многих отраслях промышленности, включая:

• Аэрокосмическая промышленность: Прецизионная резка и сварка легких сплавов, сверление отверстий в компонентах турбин.
• Автомобильная промышленность: высокоскоростная резка и сварка кузовных панелей, элементов рамы и деталей трансмиссии.
• Электроника (3C): Микросварка компонентов батареи, резка тонких металлических листов для корпусов.
• Медицина: Производство хирургических инструментов, имплантатов и медицинских изделий.
• Энергетика: Сварка толстых материалов для строительства трубопроводов и оборудования для производства электроэнергии.

При выборе наиболее подходящей лазерной технологии для конкретного применения важно учитывать различные факторы:

1. Тип и толщина материала
2. Необходимая скорость и качество обработки
3. Первоначальные инвестиции и эксплуатационные расходы
4. Требования к техническому обслуживанию и надежность системы
5. Гибкость для различных применений

В таблице ниже приведены основные характеристики и области применения пяти основных типов лазеров, используемых в промышленной обработке металлов:

Сравнение производительности и применения

Полупроводниковые лазеры обладают значительными преимуществами по сравнению с традиционными CO2- и твердотельными YAG-лазерами, включая компактные размеры, малый вес, высокую эффективность, низкое энергопотребление, увеличенный срок службы и превосходные характеристики поглощения металлов. Эти качества делают их все более привлекательными для применения в прецизионной металлообработке.

По мере развития технологии полупроводниковых лазеров стремительно развиваются и другие варианты твердотельных лазеров, использующих полупроводниковую технологию. К ним относятся волоконные лазеры, лазеры с прямым диодом (DDL) и дисковые лазеры, каждый из которых предлагает уникальные преимущества для конкретных производственных процессов.

Волоконные лазеры, особенно легированные редкоземельными элементами - иттербием, эрбием или тулием, - переживают экспоненциальный рост в промышленных приложениях. Их исключительное качество луча, высокая эффективность (обычно >30%) и надежная конструкция произвели революцию в лазерной обработке материалов. Волоконные лазеры отлично подходят для высокоскоростной резки тонких и средней толщины металлов, прецизионной сварки и обработки поверхности. Их масштабируемость от низких до высоких мощностей (от 10 Вт до 100 кВт+) обеспечивает универсальность в различных отраслях производства.

Применение волоконных лазеров вышло за рамки обработки материалов и распространилось на такие области, как:

1. Оптоволоконная связь: Обеспечивает мощное и малошумное усиление сигнала для передачи данных на большие расстояния.
2. Датчики и LiDAR: точное измерение расстояния и 3D-картография для автономных транспортных средств и промышленной автоматизации.
3. Аддитивное производство: Питание процессов селективного лазерного плавления (SLM) и лазерного осаждения металла (LMD) для производства сложных металлических деталей.
4. Микрообработка: Сверхточное удаление материала для производства электроники и медицинских приборов.

По мере развития технологии появляются такие тенденции, как разработка волоконных лазеров с ультракороткими импульсами для процессов холодной абляции и интеграция волоконных лазеров с передовой оптикой для формирования луча, что позволяет оптимизировать распределение энергии в конкретных приложениях.