Vláknové lasery pro průmyslové aplikace, už nikoli coby fyzikální rarita

Již před delší dobou se v mnoha oblastech strojírenství zabydlely laserové technologie. V současné době jako zdroj laserového záření převažují CO2 lasery, které nabízí nejen dostatečný výkon, ale jsou i značně robustní a snášejí drsné průmyslové prostředí i nasazení ve vícesměnném provozu. Nicméně jsou to zařízení po mechanické, optické a elektronické stránce složitá, vyžadující pravidelnou údržbu. Jsou to zařízení poměrně rozměrná a hmotná, spotřebovávající velké množství elektrické energie a laserové plyny – He, N2 a CO2. Vzhledem k nízké účinnosti vyžadují přítomnost velkého chladiče, který odvádí velké množství vznikajícího ztrátového tepla. Z těchto důvodů jsou investiční i provozní náklady poměrně vysoké. V dnešní době jsou však stále dominantními lasery s 34 % celkového obratu průmyslových laserových systémů v roce 2006. Princip a popis vláknového laseru Od začátku nového tisíciletí se začínají v širším měřítku v průmyslu nasazovat i další typy laserů. V první řadě pevnolátkový NdYAG laser a polovodičový laser. Každý z těchto typů s sebou přinesl určité výhody oproti CO2 laseru, ale i nevýhody. Jednou z výhod je pracovní vlnová délka okolo 1 ?m, která umožňuje vedení laserového svazku pomocí optického vlákna, což velmi zjednodušuje jeho dopravu do technologické (řezací nebo svařovací) hlavy. Druhou výhodou je vyšší absorpce této vlnové délky v kovových materiálech oproti vlnové délce 10,6 ?m u CO2 laseru (pro stejný výsledek tak potřebujeme méně výkonný laser). Nevýhodu jsou pak malá životnost zdrojů budicího záření (výbojky a polovodičové lasery) a časová nestabilita výstupního modu laseru vlivem nerovnoměrného zahřívání a špatného odvodu tepla z aktivního prostředí – pak se průměr laserového svazku a rozložení intenzity záření v průřezu svazku mění v čase. Proto byla snaha vyvinout takový laser, ve kterém by se minimalizovaly všechny nevýhody, ale přednosti zůstaly zachovány. Jedním ze životaschopných řešení jsou tzv. vláknové lasery. První schéma bylo navrženo již v roce 1960. Dlouhou dobu se však na tuto konfiguraci nahlíželo jako na fyzikální raritu. Pokrok nastal v době, kdy se tento laser začal nasazovat jako zesilovač datových optických komunikací – podmořských transatlantických kabelů. Nicméně až pokrok v technologii výroby vláken, materiálové a fyzikální inženýrství umožnily vznik vláknových laserů s výstupním výkonem stovek wattů, které již byly vhodné pro nasazení v průmyslu. Z principu jde o pevnolátkový laser s podélným optickým buzením, kde aktivní prostředí je tyčka s extrémně vysokou štíhlostí – průměr vlákna je několik mikrometrů, zatímco délka jsou desítky metrů. Aktivním prostředím jsou atomy vzácných zemin jako Ytterbium (Yb), Erbium (Er) nebo Thulium (Tm). Konce vlákna jsou tvořena Braggovými rozprostřenými zrcadly. Hlavním trikem tohoto laseru je systém buzení. Vlákno tvořící aktivní prostředí má totiž obal s rozdílnými materiálovými a optickými vlastnostmi, jímž se šíří budicí záření. Jde tedy vlastně o dvě koaxiální vlákna. Vlivem mnohonásobných odrazů při šíření budicího záření vláknem je středové vlákno aktivního materiálu „ponořeno“ do intenzivního světelného pole a takto dochází k vysoce efektivní excitaci atomů aktivního prostředí. Budicí LED jsou na vlákno navázány pomocí optických odbočnic známých z telekomunikačních optických kabelů. Mezi výhody takové konfigurace patří velmi jednoduchá a kompaktní konstrukce (pokud samozřejmě pomineme technologii výroby vlastního vlákna), dlouhá životnost vzhledem k tomu, že se k buzení používají LED zdroje záření, pouze malé chlazení a z toho všeho vyplývající nízké provozní náklady (ze všech v průmyslu používaných laserů nejnižší) - viz tab. (převzato z Industrial Laser Solutions, leden 2005). Nevýhody souvisí s vlastní technologií výroby vlákna a s některými fyzikálními jevy, které doposud znemožňují dosažení ještě vyšších výkonu na každý metr délky vlákna. Pro dosažení vyšších výkonů se proto používá paralelní řazení více vláken. Samozřejmě se nyní intenzivně pracuje na potlačení těchto nežádoucích jevů a zlepšení výkonových a modových parametrů vlákna. Jedním z možných řešení je tzv. Photonic Crystal Fiber (PCF), kdy vnější část vlákna vedoucí budicí záření (vyrobená z čistého křemene) je protkána pravidelnou sítí miniaturních vzduchových kanálků. Tato struktura vede k plynulé změně indexu lomu napříč vláknem. Důsledkem je modifikovaný průběh intenzity budicího záření potlačující výše zmíněné nelineární efekty. V dnešní době je hlavním výrobcem firma IPG (www.ipgphotonics. com) která nabízí lasery jednomodové a vícemodové až do 30 kW ve formě stavebnice dle požadavků. Co se týče konstrukce, jednotlivé moduly jsou v podstatě kazety, kdy na jedné straně je navinuto již popsané speciální optické vlákno a na druhé straně kazety je umístěn soubor budicích LED. Optický slučovač – integrátor je umístěn ve druhé části skříně spolu se vzduchovým chlazením vlákna, případně s výměníkem tepla vzduch/ voda. Výsledkem je velice jednoduchá, kompaktní a robustní konstrukce, u jiných typů laserů nedosažitelná. Navíc výstupní mod laserového svazku (tedy průřez rozložení intenzity záření v laserovém svazku) je oproti ostatním typům laseru velice vhodný pro dále uvedené technologie. Technologické využití vláknového laseru Co se týče aplikací, lze s vláknovými lasery uskutečňovat všechny základní operace, které nabízí i ostatní typy laserů – tedy řezání svařování (i hybridní), navařování a pájení. Výhodou je doprava paprsku do místa technologie pomocí optického vlákna. Zde pak záleží na použité optice – laserové hlavě, jaká operace bude prováděna. Je nutno zdůraznit, že vzhledem k náročným požadavkům na proces (konstantní posuvná rychlost, přesné udržování polohy ohniska vůči materiálu apod.) jsou všechny vyjmenované procesy nutné provádět strojově – tedy pomocí CNC polohovacích systémů (souřadnicové nebo robotická ramena). Pro udržování konstantního odstupu řezné trysky od plechu je hlava koaxiální konstrukce, kdy vnitřní část je axiálně posuvná vůči části vnější. Odstup trysky od plechu pak zajišťuje řídicí regulační smyčka. I svařovací hlavy prochází vývojem, existuje již několik výrobců svařovacích hlav, jako např. HighYAG nebo Preitec. V obou případech jde o hlavy konstruované pro použití s NdYAG lasery, nicméně nic nebrání použití v součinnosti s vláknovým laserem, neboť vlnové délky a průměry vodicích optických vláken jsou podobné. V obou případech je ochrana zaostřovací optiky před rozstřikem ze svarové lázně zajištěna proudem nadzvukově proudícího vzduchu kolmo k ose laserového paprsku. Přívod plynu ochranné atmosféry je zajištěn buď koaxiální tryskou nebo bočním přívodem těsně ke svarové lázni. Lze konstatovat, že v případě svařovaní tenkých materiálů se používá svařování laserem bez přídavných materiálů – hlavně svary natupo nebo svar přeplátováním (kdy lze svařit dva i více materiálů nad sebou), kdežto u silných materiálů se používá svařování hybridní. Zde je kombinováno svařování laserem s metodou MIG/MAG. Přídavný materiál vnořený přímo do laserového paprsku by totiž natolik změnil parametry zaostřeného laserového svazku, že by to mohlo vést až ke kolapsu svařovacího procesu. Proto se přídavný materiál vnáší do svařovací lázně pomocí obloukového výboje, přičemž jsou vyzkoušeny konfigurace, kdy laserový svazek hořák MIG/ MAG předchází nebo následuje. Takto lze výhodně provádět svary Matulo. Zde je síla svařovaného materiálu 25 mm, výkon laseru je 25 kW, svařovací rychlost je 2,5 m/min, posun drátu je 10 m/min a parametry oblouku jsou proud 244 A a napětí 27,6 V. Patná je mimořádná štíhlost svaru, oproti klasickému svařování jde pouze o jediný svar s velkou posuvnou rychlostí. Dále lze hybridně provádět koutové svary opět s mnohem vyšší produktivitou a malým tepelným ovlivněním v porovnání s klasickými svařovacími metodami. Široký rozvoj technologií mnoha oborů umožnil vznik výkonových vláknových laserů vhodných pro průmyslové aplikace. Mají mnohé přednosti. Teprve čas však ukáže, zda porazí dnes dominující CO2 lasery a zvítězí i nad dalšími nastupujícími typy laserů jiných principů. RNDr. Libor Mrňa, Ph.D. Dend era a.s.