Многие знают, что я люблю собирать всякий металлолом, и это как раз тот самый случай. Если говорить об уровне развития, то это технологии конца 90-х - начала нулевых годов. И поскольку большинство сейчас уже перешло на иттербиевые волоконные лазеры для раскроя листовых металлов, то этот лазер ни что иное как лютый динозавр.
Самая уместная аналогия, которая напрашивается на сравнение этого CO2-лазера, так это пожалуй ламповый компьютер. Давным-давно на заре развития вычислительной техники компьютеры были ламповые, а не полупроводниковые, и этот лазер как раз ассоциируется у меня с ламповым компьютером.
И если вы раньше думали, что японцы умеют делать лазеры, то нет, нифига они не умеют. Потому что хуже этого лазера может быть разве что только болгарский Хебр. Станок произведён японской компанией Mazak модель называется Super Turbo X-510 Mark II. Но здесь нужно отметить, что сам блок генерации лазерного излучения делала фирма Panasonic.
Его мощность в непрерывном режиме 2,5 кВт, а максимальная может доходить до 5 кВт на протяжении нескольких секунд. Этот CO2-лазер плох тем, что потребляет много газов, и поэтому его эксплуатация весьма затратна. Так его рабочая смесь состоит из азота газообразного, гелия и углекислого газа. Самый дорогой из этих газов конечно же гелий.
Но помимо этих газов станок потребляет кислород, который подаётся через сопло в зону реза. Кислород зачерняет метал в зоне реза, и тем самым увеличивает коэффициент поглощения излучения металлом. При образовании оксида железа выделяется дополнительное тепло, что на пользу резке. Ну и разумеется он выдувает из зоны реза сам расплавленный металл.
Но если вы замените кислород на обычный сжатый воздух, то качество резки сильно снизится, появятся наплывы, шероховатости и прочие нагары. И всё это из-за того, что длина волны излучения этого лазера лежит в дальнем инфракрасном спектре и составляет 10600 нанометров или 10,6 микрон. У волоконных лазеров длина волны в 10 раз меньше, фокусировка луча обеспечивает большую плотность мощности, и поэтому кислород там не нужен, достаточно лишь сжатого воздуха.
Итак, приступаем к разбору блока генерации лазерного излучения
Блок генерации лазерного излучения представляет из себя быстропроточный CO2-лазер с аксиальной прокачкой рабочей смеси. Некоторые называют такую прокачку по газоразрядным трубкам продольной, но, строго говоря, её принято называть именно осевой или аксиальной. Скорость движения рабочих газов по газоразрядным кварцевым трубкам составляет 80 м/с (288 км/ч). Именно поэтому лазер является быстропроточным.
Внутри этих кварцевых трубок есть система электродов, они имеют штыревую форму и кольцевую. На эти электроды подаётся импульсно-периодическое напряжение от 23 до 40 тысяч вольт. Почему так много? Потому что саами разрядные промежутки (расстояния между электродами) довольно большие. И чтобы тлеющий разряд смог загореться, нужно высокое напряжение.
После того, как тлеющий разряд загорелся, в этой смеси из трёх газов возникает инверсная заселёность, а сама смесь очень сильно нагревается. Именно поэтому применяется высокая скорость прокачки смеси, чтобы вынести её из зоны горения тлеющих разрядов прямиком на горячий теплообменник и остудить. Также охлаждению смеси газов способствует наличие гелия. Благодаря своей хорошей теплопроводности он расселяет первый квантовый подуровень на нулевой, и тем самым обеспечивает хорошую инверсную заселённость на молекулах азота и углекислого газа.
Затем возникшее в процессе инверсной заселённости индуцированное излучение попадает на оптический резонатор. Здесь нужно сделать очень важную ремарку: дело в том, что оптический резонатор - это всего лишь система зеркал, а не всё то, что вы видите на фотографиях. Зеркала здесь построены на металлооптике и на проходной оптике. Металлические глухие зеркала сделаны из медных дисков, покрытых амальгамной золота, и тщательно отполированы. Устройство вывода лазерного излучения из резонатора представляет собой полупропускающее зеркало из селенида цинка.
Оптическая скамья, на которой размещены газоразрядные трубки с электродами и зеркала оптического резонатора, состоит из двух алюминиевых плит, стянутых четырьмя штангами из инвара. Она обеспечивает жёсткость и пространственную постоянность всей конструкции. Как уже было сказано, рабочая смесь интенсивно нагревается в зоне горения тлеющего разряда. И чтобы её охладить, она прокачивается через так называемый горячий теплообменник.
Он представляет собой алюминиевый корпус, в котором расположен радиатор. По трубкам радиатора циркулирует вода. Через специальные отводы для подключения к газодинамическому контуру эта нагретая смесь газов подаётся в теплообменник и от соприкосновения с радиатором охлаждается. Вода из теплообменника попадает на специальный холодильник (чиллер), где остывает и снова подаётся в теплообменник.
После выхода из теплообменника рабочая смесь лазера попадает в устройство прокачки - турбокомпрессор, где подвергается небольшому сжатию. Из-за этого сжатия смесь снова нагревается, это тепло нужно снова убрать, и для этого нужен так называемый холодный теплообменник. Он устроен также как и горячий и работает по такому же принципу, но немного меньше.
Теперь нужно сказать пару слов об источниках питания этих газоразрядных трубок. В трёхфазной сети переменного тока у нас 380 В, что маловато для таких лазеров. Для повышения напряжения у станка есть свой повышающий трансформатор, который повышает напряжение до 40 тыс. вольт и подаёт его на высоковольтные выпрямители, а затем и на высоковольтные IGBT-транзисторы.
Этими транзисторами управляет контроллерная плата. И таким образом у каждой газодинамической трубки с системой электродов есть своя плата питания и управления. И поскольку эти транзисторы тоже греются, они размещены на водоохлаждаемой плите. Пульсации могут сглаживаться конденсаторами, когда нужно получить непрерывный режим лазерного излучения. Также режимы здесь могут быть импульсными при кернении материала и импульсно-периодические при прошивки отверстий в толстых листах стали.
Прежде чем закачивать смесь газов в газодинамический контур, в нём необходимо создать вакуум. И для этого используется вакуумный насос. Также в процессе горения тлеющих разрядов запускается очень сложный процесс плазмохимических реакций. В результате эта смесь газов вырождается, насыщается маслами и продуктами распада электродов и других материалов. Всё это ухудшает качество луча. И поэтому этот вакуумный электронасос всегда откачивает смесь из всего контура, а взамен подаются свежие порции рабочих газов.
Помимо всего прочего в блоке генерации лазерного излучения есть ещё и тиристорный преобразователь частоты. Он состоит из управляемого выпрямителя и автономного инвертора в едином корпусе. И служит он для того, чтобы запитывать электродвигатель, который вращается со скоростью 60 тыс. об/мин.
Ну вот мы и подошли к главному злу лазерной резки, к главной головной боли всех быстропроточных CO2-лазеров - к устройству прокачки рабочей смеси. Когда я слышу фразу "турбина Fanuc", то рука сама тянется к болгарке. Потому что на свете нет ничего хуже, чем эти турбоцентробежные компрессоры, которые вращаются со скоростью 60 тыс. об/мин. Именно электродвигатель этой турбины и запитывается помянутым выше преобразователем частоты.
Для работы этому асинхронному трёхфазному электродвигателю мощностью 5 кВт нужно 1000 Гц, чтобы как следует разогнаться и гнать газы по контуру со скоростью не менее 80 м/с. А в сети у нас всего лишь 50 Гц, и поэтому без частотника мощностью 10 кВт никак. Здесь нужно отметить, что это недоразумение в новом состоянии стоит 400 тыс. руб, что весьма дорого. Восстановленную турбину можно найти за 200 тыс. руб.
И что же в ней такого ужасного, спросите вы?
Дело том, что когда у вас что-то непрерывно работает на скорости 60 тыс. об/мин, то это что-то изнашивается и истирается. В данном случае изнашивается в турбине вообще всё. И поскольку её электродвигатель охлаждается маслом, то это масло начинает со временем проходить прямиком в газодинамический контур, поскольку давление там в 10 раз ниже атмосферного. Разумеется из-за наличия молекул масла в контуре качество излучения резко падает, и станок выдаёт ошибку по турбине.
Всё, вы залетаете на деньги.
Ну вот, теперь вы знаете, как устроен японский промышленный CO2-лазер для резки металлов 20-летней давности.
