All'inizio del 2009, le persone dell'industria della lavorazione dei materiali hanno iniziato a esaminare i laser a impulsi in grado di fornire alta potenza di picco e laser continui con livelli di potenza più elevati. La potenza di picco di tali laser può generalmente raggiungere i 3 kW e la potenza media è di 300 W. I balzi della tecnologia hanno portato a un picco e una potenza media più elevati. Oggi sono state introdotte potenze di picco fino a 20kW, potenze medie di 2kW e laser continui ad altissima potenza. Il continuo aggiornamento di potenza ha spinto il laser a fibra allo stadio di elaborazione dei dispositivi aerospaziali.
Rispetto ai tradizionali laser Nd: YAG, i laser a fibra hanno notevolmente migliorato l'efficienza di conversione elettro-ottica e la luminosità del fascio (modalità singola o a basso bit) e non richiedono preriscaldamento. Quando si cambia la potenza, che si tratti della modalità flat-top (come mostrato nella figura) (1)) o Gaussiana, il diametro del punto rimane sempre stabile, allo stesso tempo, la frequenza dell'impulso è più alta e il la regolazione in tempo reale dei parametri è più forte. Poiché il laser a fibra utilizza un singolo emettitore per eccitare, ha un salto qualitativo in termini di affidabilità, stabilità di potenza e flessibilità rispetto ai laser della pompa flash.
Alla luce dei diversi e flessibili metodi di applicazione dei laser a fibra, non solo possono essere installati come nuove macchine, ma anche le linee di produzione esistenti possono essere aggiornate, quindi occupano sempre più quote di mercato. Tutti i precedenti sistemi di produzione che utilizzano laser Nd: YAG possono essere convertiti in laser a fibra.
Esigenze di perforazione nel trasporto aereo
L'industria aerospaziale è senza dubbio un'altra industria che ha beneficiato notevolmente dei laser a fibra. Nell'attuale industria aeronautica, un motore a turbina può avere fino a milioni di fori, che vengono principalmente utilizzati per aiutare il dispositivo a dissipare il calore in modo tempestivo durante il funzionamento. Lo spessore, l'angolo, il diametro e la forma dei fori variano. Nel campo delle applicazioni di perforazione aerospaziale, il nuovo laser a fibra è un'opzione più veloce, più flessibile, più stabile e più economica.
Esistono due modi principali per produrre fori di raffreddamento per i dispositivi aeronautici: uno consiste nell'utilizzare più impulsi per formare fori in base all'apertura richiesta (perforazione a impulsi); l'altro è usare piccoli punti per spostare la trave in un intervallo circolare per formare un foro (presa). Nel complesso, la presa è più lenta, ma la forma è più perfetta. In alcune applicazioni, è possibile selezionare solo i fori delle maniche. Questi fori di solito hanno un diametro di 0,015-0,030 pollici. C'è anche un requisito di perforazione speciale nel campo dell'aviazione, che è un foro a forma di ventaglio che collega il foro di limitazione della corrente. Questi fori a forma di ventaglio sono l'uscita dell'aria di raffreddamento, lo scopo è di deviare lo stesso flusso d'aria verso un'area più ampia per ottenere un migliore effetto di raffreddamento. Al momento, ci sono principalmente i seguenti processi per produrre fori a forma di ventaglio: il primo è un laser + scanner Q-spot a spot ridotto. Lo scanner viene utilizzato per scansionare la forma all'uscita dell'orifizio. L'uso di questo metodo per elaborare un foro a forma di ventaglio richiede che due macchine funzionino separatamente. Il secondo metodo consiste nel ridurre le dimensioni dello spot per creare una conicità e quindi utilizzare l'annidamento CNC, ma questo metodo è molto più lento del "metodo a due fasi" dotato di uno scanner; Il terzo metodo consiste nell'utilizzare la tecnologia di perforazione EDM e aggiungere un foro a forma di ventaglio dopo la formazione del foro di limitazione. È molto importante evitare il distacco del rivestimento con barriera termica quando si esegue un foro a forma di ventaglio e la maggior parte dei dispositivi ora ha un rivestimento con barriera termica.
Laser a fibra per applicazioni di perforazione aerea
Rispetto ai laser pulsati Nd: YAG, i vantaggi dei laser a fibra sono evidenti. Innanzitutto, la sorgente della pompa del laser a fibra è un diodo anziché un flash, quindi può formare un'onda quadra perfetta. In secondo luogo, il laser Nd: YAG che utilizza una pompa flash rallenta, quindi una parte dell'energia laser è sempre al di sotto della soglia di evaporazione dell'area target Questa parte dell'energia scioglierà il materiale e farà staccare il rivestimento con barriera termica. Per soddisfare le specifiche dello strato di rifusione, il periodo di impulso deve essere inferiore a 1 ms. A questo proposito, i laser a fibra hanno un vantaggio assoluto, poiché possono generare forme d'onda quadrate, quindi l'uso di impulsi da 10ms può soddisfare i requisiti delle apparecchiature aeronautiche per le specifiche di rifusione e cracking.
Usiamo una camera di combustione come esempio. Quando si utilizza la perforazione a impulsi, la camera di combustione ruoterà più volte contemporaneamente durante il processo di perforazione. In questo caso, per la perforazione sono necessari 5 impulsi e altri 2 impulsi vengono utilizzati per formare un foro a forma di ventaglio. Di solito la frequenza di ripetizione massima di questo laser è di 10 impulsi / secondo. Il laser a fibra può formare un foro della ventola con un impulso lungo. Se si utilizzano lo stesso periodo di impulso e la stessa energia del laser Nd: YAG, la velocità può raggiungere 10 volte l'originale. Che si tratti di impulsi singoli o lunghi o impulsi multipli, è possibile ottenere la stessa qualità di perforazione. Inoltre, il laser a fibra può anche regolare il periodo degli impulsi durante e dopo la perforazione, piuttosto che utilizzare più impulsi in ogni momento, il che è utile per evitare danni al corpo.
La caratteristica del laser a fibra cinguettata è che può emettere in modalità flat-top, mentre il laser Nd: YAG è approssimativamente in modalità gaussiana. Pertanto, grazie alla modalità flat-top, l'intera energia della prima supera la soglia di evaporazione, mentre una parte considerevole della seconda è al di sotto della soglia. Gli studi hanno dimostrato che per ottenere lo stesso effetto di perforazione nelle stesse condizioni, i laser a fibra hanno bisogno di meno energia. Il motivo è l'onda quadra + la modalità flat top. È proprio per questa caratteristica che i laser a fibra sono più efficienti nella perforazione e meno danneggiati termicamente. Con meno danni termici, sia il peeling del rivestimento che la rifusione miglioreranno.
Uno dei motivi per cui i laser Nd: YAG hanno attirato molta attenzione sono le proprietà uniche di divergenza del raggio. La dimensione del punto può essere modificata con l'aumento o la riduzione della potenza. Finché la messa a fuoco viene nuovamente focalizzata, è possibile ottenere l'apertura richiesta. Alcuni laser Nd: YAG integrano un telescopio di messa a fuoco interno per modificare l'angolo di divergenza del raggio, ma questa regolazione richiede un alto grado di professionalità dell'operatore, che richiede tempo e parametri corretti, quindi molte persone non sono ottimiste Questo metodo. A questo punto, il laser a fibra è esattamente l'opposto. Poiché la sua forma di messa a fuoco è perfettamente circolare, non cambierà quando la potenza viene aumentata o diminuita e se un sistema telescopico scalabile viene inserito nel sistema, sarà in grado di cambiare direttamente la dimensione del punto focale durante la perforazione in volo. L'intervallo è di solito 3-1.
La flessibilità dei laser a fibra è di gran lunga superiore a quella dei laser Nd: YAG. Ciò è principalmente dovuto al fatto che i diodi ad alta risposta del primo possono modificare il periodo di impulso e il livello di potenza durante la perforazione di volo, consentendo agli operatori di utilizzare diversi livelli di potenza e periodi di impulso per creare la sequenza di impulsi desiderata. Ad esempio, iniziare con una potenza bassa, un impulso breve, quindi aumentare la potenza e l'impulso in una sequenza basata su requisiti di perforazione specifici. Poiché i laser a fibra possono fornire un'alta potenza di picco nell'intervallo di kW regolando le dimensioni del punto e il periodo di impulso (fino a 10 μs), è sufficiente una sola macchina.
Quando si utilizza la tecnologia a manica, la velocità di elaborazione del laser a fibra può raggiungere 10 volte quella del laser a impulsi Nd: YAG pompato da lampada. Non solo, il laser a fibra può anche essere convertito in un'uscita continua fino a 2kW durante la perforazione in volo per ottenere un taglio ad alta velocità. Per alcuni modelli di combustori, questo numero può essere ulteriormente migliorato. In sintesi, i laser a fibra pulsata sono ideali per il taglio di lastre più spesse e applicazioni di perforazione ad alta velocità.
