Struktur af Nd: YAG Laser (med diagram)
Efter at have læst denne artikel vil du lære om strukturen af Nd: YAG laser ved hjælp af egnede diagrammer.
En Nd: YAG laser består af en resonator, reflekterende og transmitterende spejle og en strømforsyningsenhed, som vist skematisk i figur 14.26.
Resonatoren eller optisk hulrum i Nd: YAG laser består af en flamlampe, laserstang, reflektor og spejle. Lasestangen er et Yttrium aluminium granat (YAG) bestående af Y 3 A 15 O 12 isometrisk krystal implanteret med omhyggeligt distribuerede 1% neodymium (Nd) ioner. Denne krystal blev udviklet af Geusic et al i 1962. Dens varmeledningsevne er 10 gange glasets. Kontinuerlig oscillation er mulig med YAG.
Nd 3 + -ionerne danner det oscillerende medium for at give fire niveauer laser handling typisk i solid state lasere. De fire energiniveauer betegnet E0 til E3 og en laserovergang af Nd3 + ioner er vist i figur 14.27. Selvom koncentrationen af Nd 3+ ioner i krystal stiger, bliver spektret af det oscillerende lys ikke bredt, fordi valens- og ionradiusen af Nd 3+ ikke er meget forskellig fra Y 3+ .
Blandt solid state laserne er Nd: YAG nu mest populær til brug i svejsning. Tidligere rubinlasere var mere populære, men nu er ND: YAG-laser brugt mere bredt i industrien på grund af gode termiske egenskaber ved YAG-krystaller. Figur 14.28 viser skematisk de væsentlige træk ved en Nd: YAG lasersvejsningsenhed.
Strømforsyningen til Nd: YAG-laserenheden genererer nuværende impulser med den ønskede amplitude og varighed og føder dem til en elektrisk lysbøglampe eller en spiral-blitzlampe. Den førstnævnte anvendes til oscillerende kontinuerlig bølge (CW) og sidstnævnte til pulserende bølge (PW) lys. YAG stang- og excitationslampen installeres i hulrummet af et reflekterende spejl. Hulrummets form er en elliptisk cylinder eller en dobbelt ellipsoid; nogle typiske hulrum, der anvendes i praksis, er vist i figur 14.29.
Maksimalt lys pumpes ind i laserstangen ved hjælp af reflektormontering og spænder således Nd-ionerne for at producere laserstråle ved spontan og stimuleret emission. Den pulserende excitation af laserstangen resulterer i frembringelsen af en puls af laserlys i det væsentlige af samme pulsvarighed som den aktuelle puls fra strømforsyningen. Selvom kontinuerlige wave Nd: YAG lasere også er blevet udviklet, men allerede til stede, anvendes de ikke i vid udstrækning til svejsning.
Evnen til at styre til de nuværende pulsparametre tillader styring af svejsepennedannelsesdybde, profil og udseende. Typiske pulsvarigheder for et Nd: YAG svejselaserområde fra 0, 5 til 20 m sek og gentagelseshastigheden fra 5 til 500 hertz.
Laser Beam Spot Diameter og f Nummer :
Laser-udgangsstråldiametre øges med laserens effektværdi, for eksempel 1, 5, 10 og 25 kw lasere har strålediametre i størrelsesordenen henholdsvis 10, 25, 40 og 70 mm. Den gennemsnitlige effektdensitet over diametrene er i størrelsesordenen 6 til 13 W / mm 2 ; Den faktiske koncentration af effekt fordeles i overensstemmelse med strålemodus (se figur 14.17 A). For nøglehullesvejsning ved hjælp af laserstrålekraftdensiteter i størrelsesordenen 10 3 til 10 kræves 5 W / mm 2, hvilket gør det nødvendigt at fokusere laserstrålen på et meget lille sted med kun en brøkdel af mm i diameter.
Den fokuserede punktstørrelse bestemmes af laserstrålediametrene, brændvidden af den fokuseringsoptik, der anvendes, strålemodus og strålediveringsvinklen (Divergensvinklen er den vinkel, hvor den næsten parallelle laserstråle udbreder sig ved at forlade laseren).
Nd: YAG svejselasere har generelt større stråle divergens vinkler end CO 2 lasere og kan derfor ikke fokuseres på meget små pletstørrelser uden brug af en kollimator placeret før fokuseringslinsen (dvs. et teleskop i omvendt).
Den omtrentlige fokuserede spotstørrelse for disse lasere estimeres normalt fra følgende formel:
Fokuseret punktdiameter = 2θF ... (14, 1)
hvor,
θ = Divergensvinklen (radianerne) af laserstrålen, når den forlader laseren eller kollimatoren,
F = brændvidden (mm) for den anvendte fokuseringslinse.
Skønt fokuseret punktdiameter er en vigtig parameter, men fra et praktisk standpunkt er fokuseringsnummeret mere nyttigt til at etablere tolerante svejsebetingelser, hvor f-tal defineres som et forhold mellem brændvidden af fokuseringsoptikken (F) til laserstrålediameteren (F) D), dvs.
Fokus f nummer = F / D ... (14.7)
Den indfaldende strålediameter, fig. 14.30, etableres for Nd: YAG lasere ved at tage et fotografisk tryk.
Medmindre svejsningshastigheden er afgørende, er det bedst at vælge den fokuserede punktstørrelse til svejsning baseret på f antal 4 for Nd: YAG lasere og 7, 5 for CO 2 lasere.
Fokuseret spotstørrelse, fokusfokus og fokusposition:
For at opnå den nødvendige effektdensitet til nøglehullesvejsning (10 3 til 10 5 W / mm 2 ) er udvælgelse og vedligeholdelse af den fokuserede spotstørrelse vigtigst. Dette nødvendiggør korrekt valg af fokuseringsoptik, der bestemmer fokuspunktstørrelsen.
Når lyset er fokuseret, konvergerer strålerne til en meget lille talje diameter, d og længde, L, Fig. 14.30, før de divergerer igen. Den nøjagtige minimale midjediameter og længde opnås afhængig af typen af optik; dens brændvidde, F; strålediameteren D, der forekommer på optikken, om den indfaldende stråle er konvergerende eller divergerende; strålen TEM nummer; lysets bølgelængde og laserkraften.
Afskærmningsgasser :
En afskærmningsgas anvendes til lasersvejsning for at beskytte det smeltede metal mod oxidation og for at beskytte laserstrålens overførsel, når det kommer til at fokusere på arbejdet, der sikrer god indtrængning ved at minimere stråleudvidelse og spredning, som kan skyldes dampe og gasser omkring svejse nøglehullet.
De fælles afskærmningsgasser anvendt til lasersvejsning er argon, CO 2, helium og OFN (oxygenfri nitrogen). Ofte kan dog tilfredsstillende single spot-svejsninger fremstilles med Nd: YAG-laser uden nogen afskærmningsgas, fordi svejsningen er smeltet for kort tid til at forårsage oxiderende skade på resultatet.
Men når man laver kontinuerlige søm- eller stødsvejsninger med overlappende pletter, bliver Ar eller OFN generelt brugt til lasere med en nominel værdi på op til 300 W. Over dette effektniveau bliver gasafskærmningen mere kritisk og kan påvirke penetrationsdybde og udseende.
For Nd: YAG lasere, der arbejder i effektområdet 1 kW, overvindes problemet med penetrationskontrol ved anvendelse af Ar + 20% CO 2 eller Ar + (1-2)% O 2 som afskærmningsgasen, dog en lille oxidation af svejsemetal kan forårsages af dem. Helium kan også bruges med Nd: YAG laser, men det rapporteres at forårsage mere svejseporøsitet end ved brug af OFN.
Den nødvendige gasstrømningshastighed er hovedsageligt afhængig af laserkraften. For eksempel vil en gas (lav hastighed på 10 til 20 liters / min. Være tilstrækkelig til en laser på op til 3 kW kapacitet. Ved anvendelse af en korrekt placeret coaxial eller sideværtsafskærmningsanordning. Ved kraft fra 3 til 5 kW, satser på 15- 30 lit./min., Og for de mellem 5 og 10 kW hastigheder på 25 til 40 lit / min foreslås.
Gasafskærmningsenheder:
Til Nd: YAG-lasersvejsning anvendes en simpel siderørsafskærmningsindretning, som vist i figur 14.31, i almindelighed, hvor der kræves præcis placerede punktsvejsninger. Dette skyldes, at sidebeltet giver god visuel adgang til målområdet for punktsvejsningen.
Ved fremstilling af kontinuerlige søm- og stødsvejsninger giver et ringformet nederdelskjold samaksialt med laserstrålen vist i figur 14.32 en pålidelig svejsebeskyttelse. Koaksial dyseafskærmningsanordning vist i figur 14.33 er imidlertid mere praktisk, hvor laserpistolen manipuleres af en robot. Det giver også det optiske dækglas med en vis beskyttelse mod mulig svejsespat, fordi kraften af den koaksiale gasstrøm delvis vil modvirke eventuelle partikler, der rejser op langs strålebanen.
Etablering af betingelser for Nd: YAG Lasere:
Nøglehullesvejsning er normalt ikke mulig med Nd: YAG-lasere med udgangseffekt under 500 W. Ved lave gennemsnitlige beføjelser (400W) og den tilhørende impuls timing på 4-8 m sek. Er penetrationsdybden sædvanligvis begrænset til størrelsen af spotdiameteren som er af størrelsesordenen 0, 5-1 mm.
Den højeffekt (> 800 W) Nd: YAG lasere med puls tid på sige 2 m se og høj puls gentagelsesfrekvens på 500 Hz det kan producere nøglehullet type svejsninger med højt formatforhold på dybde lo bredde. På dette effektniveau ville dybere svejsninger med et reduceret billedforhold opnås ved længere pulslængder og gentagelseshastigheder over 25 Hz. Der er en tendens i svejseprofildannelse, der opstår som pulsbredde og gentagelseshastighed justeres i forhold til laserkraft, som vist i figur 14.34.
Det er rapporteret, at en kontinuerlig svejsning på 0, 5 mm dybde kan opnås ved en svejsningshastighed på mere end 3 m / min. ved en pulsrepetitionshastighed på 500 Hz, når der anvendes en gennemsnitlig effekt på 1 KW. For at lave dybe og smalle svejsninger ved høje hastigheder kræves korte pulsbredder. Imidlertid bør man være forsigtig ved brug af korte pulser (<1 m se) og høj effekt (sige 1 kW), da svejsebåndet kan forekomme ved overdreven fordampning og udstødning af materialet.
Fælles konfiguration :
Bortset fra leddene vist i figur 14.21 kan Nd: YAG lasersvejsning påføres de fleste af de grundlæggende ledkonfigurationer i plader og rør som vist i figur 14.35, medens figur 14.36 viser de grundlæggende metalplader, som kan være laser svejses.
Fig. 14.36 De grundlæggende metalpladekonfigurationer, der kan lasersvejses
Nogle typiske fælles konfigurationer, som hjælper laserstråle til fælles adgang og delplacering, er vist i figur 14.37; Disse er praktiske til at konstruere i tykkelse på 3 mm eller derover. Sådanne led ligner sig til præcisionsudstyr og maskinværktøjsfremstilling, og kan, hvis de forsynes forsigtigt, sammen med den lave forvrængning, der tilbydes ved lasersvejsning, holde efter-svejsningstillæg til minimum.
Udstyrets ydeevne:
Det er muligt, at et laserhulrum med en optisk eller lassemediumfejl kan frembringe den krævede laserkraft, men med en forvrænget eller forskellig strålemodestruktur, hvilket påvirker fokuspunktstørrelsen og følgelig svejsekraftdensiteten. Aldring af Nd: YAG flashlamper kan skabe et sådant problem.
Laserstråleanalysatorer bruges til at undersøge tværsnitsformen af laserstråler og deres modusstrukturer. En sådan indretning kan anvendes til at kontrollere stråleegenskaber under svejseprocessen og tilvejebringer således en metode til kvalitetssikring med hensyn til laserstrålen. Nogle analysatorer viser kun todimensionale billeder af stråleprofilen, men nyere analysatorer har evnen til ved hjælp af computergrafik at vise tredimensionelt isometrisk billede som vist i figur 14.38.
Laser Beam Manipulation:
Nd: YAG-laser er meget alsidig med hensyn til strålemanipulation, og også når en laser skal arbejde flere arbejdspladser. Dette skyldes det faktum, at kortbølgelængde på 1, 06 mm fra Nd: YAG-laser kan transmitteres via en fiberoptik med meget lidt strømforløb. Denne evne betyder, at laserstrålen kan bevæge sig direkte fra laserenheden gennem et fleksibelt kabel til en laserpistol monteret på et leddleddet håndled af en robotarm, fig. 14.39 uden et væsentligt energitab.
Dette gør Nd: YAG laser ideel til produktionsautomatisering. Desuden kan laseren placeres en vis afstand fra produktionslinjen og laserstrålen ledes til den. En laser kan betjene flere arbejdsstationer for at skifte laserstrålen fra station til station, mens svejsning af en station, del lastning og losning af bil finder sted på andre stationer. På den anden side kan flere meget forskellige stationer dele en laser med tiden.
Multi-mode strålen fra en Nd: YAG laser kan opdeles, fig. 14, 40 (a) ved at indsætte forskudte strålefoldspejle ind i og over strålebanen. Således kan strålesplitningssystemet i forbindelse med et fiberoptisk stråleafgivelsessystem gøre flere svejsninger samtidigt ved en eller flere arbejdsstationer. Alternativt kan strålen sekventielt skiftes, 14.40 (b), til forskellige punkter, ofte op til 30 m væk.
Der er industrielle mikropunktsvejsesystemer, hvor strålen skiftes mellem otte arbejdsstationer med op til 40 gange pr. Sekund. Hvor Nd: YAG-laserstrålen er delt, homogeniseres den ulige form af hvert tværsnit i en fokuserbar form ved at transmittere den gennem fiberoptisk.
Fiberoptiske stråleafgivelsessystemer er langt den mest enkle og alsidige. Det optiske fibermateriale er Si02 (kvarts) og er generelt mindre end 1 mm i diameter.
For maksimal stråleoverføringseffektivitet skal fiberenderne være meget polerede og perfekt firkantede og koncentriske med linsens optiske akse placeret ved hver ende af fiberen. Desuden skal fokusindstillingen for den indkommende stråle være præcis i forhold til fiberens ende.
Beam transmission effektivitet er også svækket, hvis fiberen er bøjet for tæt. En SiO 2- fiber med en diameter på 0, 5 mm har en tilladt bøjningsradius på ca. 100 mm, inden effektiviteten er nedsat, medens den sikre radius for en fiber med 1 mm diameter er mindst dobbelt så stor. Generelt er det samlede tab af laser effekt for et Nd: YAG laser og fiberoptisk system ikke mere end 10-15%.
De optiske fiberkonstruktioner, der anvendes til at transmittere lasersvejsningsstyrker, er specialfremstillede og helt forskellige fra dem, der anvendes i elektronik. De, der anvendes til svejsning, er beskyttet af en betydelig og robust beklædning, som omfatter et fleksibelt stålrør og nylonjakke, som vist i figur 14.41. Selv om disse foranstaltninger tilstrækkeligt beskytter den optiske fiber, er deres vigtigste funktion at modstå utilsigtet industriel skade, som kan forårsage brud og lade laserlys slippe ud, hvilket kan medføre farlige konsekvenser.
Laser strålefare:
En ufokuseret laserstråle, der uheldigt kommer fra stråleoverførselsvejen, er i stand til at rejse flere hundrede meter i luften, før den vil udvide sig nok til at være sikker. Hvis derimod falder en fokuseret stråle tilfældigt på huden, kan det forårsage meget dybe forbrændinger eller endda alvorlige brændehuller. Imidlertid udvides en fokuseret stråle meget hurtigere end fokuspunktet, der generelt når en sikker diameter efter nogle få meter.
Den præcise afstand afhænger af fokusf-nummeret; Jo lavere tallet jo større er hastigheden af stråleudvidelsen. En risiko kan også opstå på grund af reflektion af en fokuseret stråle fra emnet på overfladen, især hvis den indfaldende stråle er tilbøjelig til emnet i en vinkel på mindre end 70 °.
Da laserlyset fra Nd: YAG eller CO 2 -laseren er usynligt for det menneskelige øje, og det bevæger sig med ekstremt høj hastighed på ca. 300 000 km / sek, vil enhver flydende reflekteret laserstråle straks slå nogen i vejen og forårsage alvorlige hudforbrændinger. En ufokuseret laserstråle med høj effekt på flere mm diameter, hvis det forekommer på kroppen, kan lempe en for livet.
Laserlys fra Nd: YAG laser med sin bølgelængde på 1, 06 pm er særlig farlig for øjet, fordi linsen i øjet kan fokusere denne bølgelængde til en meget lille plet på nethinden og forårsage alvorlige øjenskader. Hjertehinden registrerer desværre ikke smerter forårsaget af sådanne blinde pletter, således at den skade, der er forårsaget af øjet, muligvis ikke realiseres straks. Regelmæssige øjenprøver for laserpersonalet bør derfor gøres obligatoriske for at opdage en sådan skade tidligst.
Bortset fra personskade kan udslip af laserlys starte brande og let smelte rørledninger og kabelbetræk og dermed føre til andre uønskede farlige situationer ved at påvirke sikker drift af andre planter. Man må huske på, at en ufokuseret laserstråle fra en multi-kilowatt laser, hvis den er givet, let vil brænde gennem stålplader og endda brandsten.
Fordi glas og akryl er gennemsigtige til laserstråle med 1, 06 pm bølgelængde fra Nd: YAG laser, bør disse materialer derfor ikke bruges til at fremstille visningsvinduer, medmindre de er belagt med specielle absorberende filmbelægninger.
På grund af høj risiko for alvorlig øjenskade fra en Nd: YAG laser, er det i stedet for et betragtsvinduet bedst egnet til at se svejseprocessen; med det korrekte kamera og filtre kan nærbilleder foretages i absolut sikkerhed.
