Diagram over carbondioxid Lasere

Denne artikel indeholder skematiske diagrammer af Carbon Dioxide (CO 2 ) lasere.

Den mest anvendelige industrielle laser til svejsning og skæring er CO 2 -laseren, hvori lassemediet er en blanding af carbondioxid, nitrogen og helium i et typisk forhold på 1: 1: 10 ved et tryk på 20-10 torr med en elektrisk udledning af 10-30.000 volt.

CO 2 -laseren kan enten have et forseglet rør med gas eller flydende gas inde i røret. Det strømmende gasprincip øger effektudgangen med ca. 3 gange den af ​​den forseglede rørtype af lasermateriale. CO 2 -laseren kan fungere både i pulserende eller kontinuerlig bølgeform og er udviklet til at levere output varierende fra nogle få hundrede watt til mere end 20 KW. Den producerede laserstråle er i langt infrarødt område af spektret ved en bølgelængde på ca. 10, 6 μm (106000 Å).

Gasstrømmen i en CO 2 laser kan være langs laserstrålens akse eller på tværs af den ved et driftstryk på 80 torr eller mindre, selv om pulseret CO 2 laserstråle er blevet produceret ved atmosfærisk tryk. Med begge typer gasstrøm anvendes et helt reflekterende spejl i den ene ende og en delvist transmittering til en bølgelængde på 10, 6 μm i den anden ende for at fungere som et udgangsvindue. Coated semiconductor materiale som zink selenid (ZnSe) bruges som udgang vinduer til CO 2 lasere med op til flere kilowatt output. Sådanne materialer udbrændes imidlertid ved højere effektniveauer, og således anvendes et ringformet metalspejl til at lette transmissionen.

Et skematisk diagram af en 150 watt CO 2 laser er vist i figur 14.22.

De forblandede gasser fodres kontinuerligt ind i røret, der danner laserhulrummet. Udløbsrøret er vandkølet, og et DC-potentiale på ca. 10 KV opretholdes mellem elektroderne. I hver ende af udløbsrøret er et justerbart spejl fastgjort gennem en fleksibel bælte til røret. Et spejl bestående af guld deponeret på pyrex eller rustfrit stål reflekterer helt ved 10-6 μm, mens spejlet, der danner outputvinduet, har en dielektrisk belægning deponeret på et germaniumsubstrat.

Til høj effekt CO 2 lasere består udløbsrøret af et antal rør placeret i en parallel konfiguration med arrangement til optisk foldning af lys gennem frem og tilbage refleksioner. De langsomme aksialstrømslasere kan producere en maksimal udgang på ca. 500 watt, fordi 75 - 90% af udladningsenergien bliver spredt i gassen, hvilket resulterer i overophedning og nedbrydning med følgende fald i udgang.

For højere udgang drives gasen gennem laserrøret med høj hastighed af en blæser; dette reducerer varmetabet til væggene til en ubetydelig mængde. Mens en langsom aksialstrømslaser leverer ca. 50 - 70 watt pr. Meter laserhulrum, kan den hurtige aksialstrømslaser generere op til 600 watt pr. Meter.

Gaslaserdrift:

I en kuldioxidlaser bliver CO 2 -molekylerne vibreret spændt af en elektrisk udledning over laserhulen. Den direkte vibrationelle excitation af CO 2 ved en elektrisk udladning er ineffektiv. Imidlertid accepterer N 2 energi effektivt fra udledning og vibrationsniveauerne af N 2- molekyler, og nogle af disse CO 2 -molekyler er meget tætte. Derfor tilføjes N 2 til CO 2, og CO 2 er således begejstret ved resonansudveksling med N 2 . Denne to-trinsproces er meget hurtigere og mere effektiv end processen med direkte excitation af CO 2 .

Overgang fra den øvre vibrationsenergi til mellemniveauet ledsages af emission af en foton med en karakteristisk bølgelængde på 10-6 μm i strålingsspektrets infrarøde zone. CO 2 -molekyler på det mellemliggende energiniveau skal vende tilbage til jordoverfladen for at fuldføre processen.

Dette opnås hurtigt ved at tilsætte helium til CO 2 - N 2- blandingen; fordi kollision mellem CO 2 -molekyler og He resulterer i overførsel af resterende exciteringsenergi til helium. Denne energi fjernes derefter som affaldsvarme. Processen med laseremission ved faldet af CO 2 og N 2 gennem forskellige energiniveauer er vist i figur 14.23.

Ligesom i solid-state lasere kan gaslaserne også fungere kun ved at etablere tilstanden af ​​populationsinversion, som opnås ved højspændingsglødudladning. Men glødudladning resulterer i ustabilitet på nuværende niveauer over 300 mA, og hvis glødudladningen ændres til bueudladning, etableres termodynamiske forhold, og lasing kan ikke forekomme.

Dette kan forhindres i højspændingssystemer ved hjælp af ekstra ionisering ved anvendelse af radiofrekvent elektrisk effekt ved høje spændinger. Imidlertid arbejder dagens høj effekt CO 2 lasere udelukkende med en DC elektrisk udladning uden brug af ekstra ionisering.

Elektriske exciterede CO 2 -lasere med høj effekt på op til 20 KW kontinuerlig udgang med en effektivitet på 10-15% køles konvektivt; hurtig strøm af gasser bruges til at fjerne varmen fra laserhulrummet. For at minimere driftsomkostningerne anvendes en gas-til-flydende varmeveksler, og lasergasserne gencirkuleres i systemet som vist for en aksial flow CO 2 laser i figur 14.24. Kun en lille mængde gas forbruges på grund af behovet for kontinuerlig fjernelse og genopfyldning af en lille mængde af lasergasblandingen for at forhindre opbygning af forureninger frembragt ved dissociationen af ​​CO 2 og N 2 i de elektriske udladninger.

CO 2 lasere kan fungere både i pulserende bølge (PW) og kontinuerlige bølge (CW) tilstande.

Pulsed Power:

Med pulserende stråle laser bestemmes svejsepennetrækningen af ​​pulsenergi og varighed. Penetration stiger med stigning i puls energi og varighed. Pulslængden skal være lang nok til at muliggøre ledning og smeltning til den ønskede dybde. Da stråleffekten styres af pulsenergi og varighed, styres energitætheden på arbejdsfladen ved at fokusere optik.

Penetration i pulsstrålesvejsning styres også af materialegenskaber. For en given pulsenergi og -varighed er den termiske diffusivitet mere tilbøjelig til at trænge igennem. Høj effekt laserstråle, der er en stråle med høj pulsenergi og kort pulsvarighed, er fundet passende for sådanne materialer med høj termisk diffusivitet, og omvendt er sandt for materialer med lavt termisk diffusivitet.

Maksimal indtrængning opnået med nutidens pulserende solid state laser er kun ca. 1-5 mm, og processen kan således anvendes effektivt til kun lysmålematerialer. Forholdet mellem procesvariabler for lavkapacitetspulserede lasere, når de anvendes til svejsning af rustfrit stål, titanium og aluminium, præsenteres i grafisk form i figur 14.25.

CO 2 -lasere er tilgængelige, der kan producere pulstoppe på 3 KW ved en frekvens på op til 2-5 KHz fra en nominel 500 watt gennemsnitlig strømforsyning.

Kontinuerlig kraft:

Kontinuerlig strømlaser er opnået fra gaslasere. Sådanne lasere med lav effekt kan anvendes til konventionel type ledningsbaseret indtrængning, mens nøglehulletilstanden kun kan opnås med højeffektlasere - ved svejsningshastighed på mere end 40 cm / min. En penetration på ca. 20 mm i legeret stål kan opnås med en 15 KW kontinuerlig stråle CO 2 laser. Tyngre sektioner kan svejses i to passager, en fra hver side.

I højeffektlasere er der mulighed for ionisering af metaldampen, som kan føre til dannelse af plasma over emneoverfladen, som kan absorbere laserstrålen med følgeskadereduktion i penetrationsdybden. Dette undgås normalt ved at gøre heliumgasstrømmen over stedet for at feje ionerne, der forårsager plasmedannelsen.

Gaslaserne, der anvendes til svejsning, er i øjeblikket alle 10, 6-tilsluttede bølgelængde-CO 2 -lasere, da de har vist sig at være de mest effektive og producerer den højeste effekt. Imidlertid er Nd: YAG laser med sine bestemte specifikke egenskaber for tiden den mest anvendte industrielle laser anvendt til svejsning.