Struktur av Nd: YAG Laser (med diagram)
Etter å ha lest denne artikkelen vil du lære om strukturen til Nd: YAG laser ved hjelp av passende diagrammer.
En Nd: YAG laser består av en resonator, reflekterende og transmitterende speil og en strømforsyningsenhet, som vist skjematisk i figur 14.26.
Resonatoren eller optisk hulrom i Nd: YAG-laser består av en flamslampe, laserstang, reflektor og speil. Lasertangen er et Yttrium aluminium granat (YAG) bestående av Y 3 A 15 O 12 isometrisk krystall implantert med nøye distribuerte 1% neodymium (Nd) ioner. Denne krystall ble utviklet av Geusic et al i 1962. Dens varmeledningsevne er 10 ganger glassverdien. Kontinuerlig svingning er mulig med YAG.
Nd 3 + -jonene danner det oscillerende medium for å gi fire nivåer laser handling typisk i solid state lasere. De fire energinivåene betegnet E0 til E3 og en laserovergang av Nd3 + -ioner er vist i figur 14.27. Selv om konsentrasjonen av Nd 3+ ioner i krystall øker, blir spektrumet til det oscillerende lyset ikke blitt bredt, fordi valens- og ionradiusen til Nd 3+ ikke er veldig forskjellig fra de for Y 3+ .
Blant de solid-state lasere, er Nd: YAG nå mest populær for bruk i sveising. Tidligere rubinlasere var mer populære, men nå er ND: YAG-laser brukt i større grad i industrien på grunn av gode termiske egenskaper ved YAG-krystaller. Fig. 14.28 viser skjematisk de essensielle egenskapene til en Nd: YAG laser sveiseenhet.
Strømforsyningen til Nd: YAG-laserenheten genererer nåværende pulser med ønsket amplitude og varighet og strømmer dem inn i en lysbue-lampe eller en spiral-blitslampe. Den tidligere brukes til oscillerende kontinuerlig bølge (CW) og sistnevnte for pulserende bølge (PW) lys. YAG-stang- og eksitasjonslampen er installert i hulrommet til et speilrefleksjon. Formen på hulrommet er en elliptisk sylinder eller en dobbel ellipsoid; Noen typiske hulrom som brukes i praksis er vist, i figur 14.29.
Maksimalt lys pumpes inn i laserstangen ved hjelp av reflektormontering, og sparer dermed Nd-ioner for å produsere laserstråle ved spontan og stimulert utslipp. Den pulserte eksitering av laserstangen resulterer i generering av en puls av laserlys, hovedsakelig av samme pulsvarighet som den nåværende puls fra strømforsyningen. Selv om kontinuerlige wave Nd: YAG lasere også er blitt utviklet, men allerede til stede, er det ikke mye brukt for sveising.
Evnen til å styre til de nåværende pulsparametrene tillater kontroll av sveiseinntrengningsdybde, profil og utseende. Typiske pulsvarigheter for et Nd: YAG sveise laserområde fra 0, 5 til 20 m sek og repetisjonen fra 5 til 500 hertz.
Laser Beam Spot Diameter og f Nummer :
Laser-utgangsbjelamediametrene øker med laserkraften, for eksempel 1, 5, 10 og 25 kw lasere har strålediametere i størrelsesorden henholdsvis 10, 25, 40 og 70 mm. Den gjennomsnittlige effektdensiteten over diametrene er i størrelsesorden 6 til 13 W / mm 2 ; Den faktiske konsentrasjonen av kraft fordeles i henhold til strålemodus (se figur 14.17 A). For nøkkelhullssveising med laserstråleffektdensiteter i størrelsesorden 10 3 til 10 er 5 W / mm 2 påkrevd, og det er nødvendig å fokusere laserstrålen til et meget lite sted med bare en brøkdel av mm i diameter.
Den fokuserte punktstørrelsen bestemmes av laserstrålediametrene, brennvidden til fokuseringsoptikken som brukes, strålemodus og strålediveringsvinkel (Divergensvinkelen er vinkelen hvor den nesten parallelle laserstrålen forplanter seg når den forlater laseren).
Nd: YAG sveise lasere har generelt større stråle divergens vinkler enn CO 2 lasere og kan derfor ikke fokuseres til svært små spotstørrelser uten å bruke en kollimator plassert før fokuseringslinsen (dvs. et teleskop i baksiden).
Den omtrentlige fokuserte punktstørrelsen for disse lasere er vanligvis estimert fra følgende formel:
Fokusert spotdiameter = 2θF ... (14.1)
hvor,
θ = divergensvinkelen (radianene) til laserstrålen når den forlater laseren eller kollimatoren,
F = brennvidden (mm) for fokuseringslinsen som brukes.
Selv om fokusert punktdiameter er en viktig parameter, men fra et praktisk ståpunkt er fokuseringsnummeret mer nyttig for å etablere tolerante sveisebetingelser der f-tallet er definert som et forhold mellom brennvidden til fokuseringsoptikken (F) til laserstrålediameteren ( D), dvs.
Fokus f tall = F / D ... (14.7)
Hindringsstrålediameteren, fig. 14.30, etableres for Nd: YAG-lasere ved å ta en fotografisk utskrift.
Med mindre sveisningshastigheten er viktig, er det best å velge den fokuserte punktstørrelsen for sveising basert på f antall 4 for Nd: YAG lasere og 7, 5 for CO 2 lasere.
Fokusert spotstørrelse, fokusfokus og fokusposisjon:
For å oppnå den nødvendige effektdensiteten for nøkkelhullssveising (10 3 til 10 5 W / mm 2 ) er valg og vedlikehold av den fokuserte punktstørrelsen viktigst. Dette krever riktig utvalg av fokuseringsoptikk som bestemmer fokuspunktstørrelsen.
Når lyset er fokusert, konvergerer strålene til en veldig liten midje diameter, d og lengde, L, Fig. 14.30, før de divergerer igjen. Den nøyaktige midje diameteren og lengden som oppnås avhenger av typen optikk; dens brennvidde, F; strålediameteren D, som er innblandet i optikken, om hendelsesstrålen er konvergerende eller divergerende; strålen TEM nummer; lysbølgelengden og laserkraften.
Skjermgasser :
En beskyttelsesgass brukes i lasersveising for å beskytte smeltet metall mot oksidasjon og for å beskytte overføringen av laserstrålen når det gjelder å fokusere på arbeidet som sikrer god penetrasjon ved å minimere stråleutvidelse og spredning som kan skyldes damp og gass rundt sveis nøkkelhullet.
De vanlige skjermgassene som brukes til lasersveising er argon, CO 2, helium og OFN (oksygenfritt nitrogen). Ofte kan imidlertid tilfredsstillende enkeltpunktsveiser fremstilles med Nd: YAG-laser uten beskyttelsesgass i det hele tatt fordi sveisene er smeltet for kort en tid for å forårsake oksiderende skade på resultatet.
Men når man lager kontinuerlig søm- eller stussveis med overlappende flekker, blir Ar eller OFN vanligvis brukt til lasere med en verdi på opptil 300 W. Over dette effektnivået blir gassbeskyttelsen mer kritisk og kan påvirke penetrasjonsdybden og utseendet.
For Nd: YAG lasere som opererer i effektområdet 1 kW, overvurderes problemet med penetreringskontroll ved bruk av Ar + 20% CO 2 eller Ar + (1-2)% O 2 som skjermgassen, men liten oksidasjon av sveisemetall kan være forårsaket av dem. Helium kan også brukes med Nd: YAG laser, men det er rapportert å forårsake mer sveiseporøsitet enn ved bruk av OFN.
Den nødvendige gasstrømningshastigheten er hovedsakelig avhengig av laserkraften. For eksempel vil en gass (lav hastighet på 10 til 20 liters / min. Være tilstrekkelig for en laser opptil 3 kW kapasitet. Ved bruk av en riktig plassert koaksial- eller sideskjermbeskyttelsesenhet. Ved kraft fra 3 til 5 kW, vil 15- 30 lit./min., Og for de mellom 5 og 10 kW hastigheter på 25 til 40 lit / min foreslås.
Gassskjermingsenheter:
For Nd: YAG lasersveising brukes en enkel siderørsbeskyttelsesanordning, som vist i figur 14.31, vanligvis, spesielt der det er nødvendig med presisjonsplasserte sveisesveis. Dette skyldes at sidetrøret gir god visuell tilgang til målområdet for punktsvetsen.
Ved å lage kontinuerlige søm- og stussveiser gir et ringformet skjørtskjold samaksialt med laserstrålen vist i figur 14.32 pålitelig sveisebeskyttelse. Koaksial dyseavskjerming, vist i figur 14.33, er imidlertid mer praktisk hvor laserpistolen manipuleres av en robot. Det gir også den optiske dekselet med noe beskyttelse mot mulig sveisespatter fordi kraften til den koaksiale gasstrømmen delvis vil motvirke partikler som reiser opp i strålebanen.
Etablere vilkår for Nd: YAG Lasers:
Nøkkelhullssveising er vanligvis ikke mulig med Nd: YAG-lasere med utgangseffekt under 500 W. Ved lave gjennomsnittskrefter (400 W) og tilhørende pulstid på 4-8 m sek, er penetrasjonsdybden vanligvis begrenset til størrelsen på spotdiameteren som er i størrelsesorden 0, 5-1 mm.
Den høye effekten (> 800 W) Nd: YAG-lasere med pulstid på si 2 m se og høy pulsrepetisjonsfrekvens på 500 Hz, kan produsere nøkkelhullstype sveiser med høyt aspektforhold med dybdebredde. På dette kraftnivået ville imidlertid dypere sveiser, med redusert størrelsesforhold, oppnås ved lengre pulslengder og repetisjoner over 25 Hz. Det er en trend i sveisformdannelse som oppstår som pulsbredde og repetisjonshastighet justeres i forhold til laserkraft, som vist i figur 14.34.
Det er rapportert at en kontinuerlig sveising på 0, 5 mm dybde kan oppnås ved sveisningshastighet på mer enn 3 m / min. ved en pulsrepetisjon på 500 Hz ved bruk av en gjennomsnittlig effekt på 1 KW. For å lage dype og smale sveiser ved høye hastigheter, kreves korte pulsbredder. Imidlertid må det tas hensyn når du bruker kortpulser (<1 m se) og høy effekt (si 1 kW), ettersom sveisebanering kan oppstå ved overdreven fordampning og materialutkastning.
Felles konfigurasjon :
Bortsett fra leddene vist i figur 14.21, kan Nd: YAG lasersveising påføres de fleste av de grunnleggende skjøtekonfigurasjonene i plater og rør, som vist i figur 14.35, mens figur 14.36 viser de grunnleggende metallplater som kan være laser sveiset.
Fig. 14.36 De grunnleggende metallkonfeksjoner som kan lasersveises
Noen typiske leddkonfigurasjoner som hjelper laserstråle til felles tilgang og delplassering er vist i figur 14.37; Disse er praktiske å konstruere i tykkelse på 3 mm eller mer. Slike leddene gir seg til presisjonsutstyr og maskinverktøysfabrikasjon, og kan, hvis de påføres forsiktig, sammen med den lave forvrengningen som tilbys av lasersveising, beholde maskinens minimumsveising etter sveising.
Utstyr ytelse:
Det er mulig at et laserhulrom med en optisk eller lassemediumfeil kan produsere den nødvendige laserstrømmen, men med en forvrengt eller forskjellig strålemodusstruktur, og påvirker dermed fokuspunktstørrelsen og følgelig sveisekraftdensiteten. Aldring av Nd: YAG flash lamper kan skape et slikt problem.
Laserstråleanalysatorer brukes til å undersøke tverrsnittsformen til laserstråler og deres modusstrukturer. En slik anordning kan brukes til å kontrollere stråleegenskaper under sveisoperasjonen og således tilveiebringe en metode for kvalitetssikring med hensyn til laserstrålen. Noen analysatorer viser bare todimensjonale bilder av stråleprofilen, men nyere analysatorer har evnen til å vise, ved hjelp av datagrafikk, tredimensjonalt isometrisk bilde, som vist i figur 14.38.
Laser Beam Manipulation:
Nd: YAG laser er svært allsidig når det gjelder strålemanipulering, og også når en laser er pålagt å jobbe med flere arbeidsstasjoner. Dette skyldes det faktum at kort bølgelengde på 1, 06 mm fra Nd: YAG-laser kan overføres via en fiberoptikk med svært lite tap av strøm. Denne egenskapen betyr at laserstrålen kan bevege seg direkte fra laserenheten via en fleksibel kabel til en laserpistol montert på et leddhåndtak av en robotarm, figur 14.39, uten betydelig tap av effekt.
Dette gjør Nd: YAG laser ideell til produksjonsautomatisering. Videre kan laseren plasseres litt avstand fra produksjonslinjen og laserstrålen pipes til den. En laser kan betjene flere arbeidsstasjoner for å bytte laserstråle fra stasjon til stasjon, mens sveising av en stasjon, del lasting og lossing av bil finner sted på andre stasjoner. På den annen side kan flere svært forskjellige stasjoner dele en laser med tiden.
Multimodestrålen fra en Nd: YAG-laser kan deles, figur 14.40 (a), ved å sette inn skjulte strålefoldspeil i og over strålebanen. Dermed kan strålesplitningssystemet i forbindelse med et fiberoptisk stråleavgivelsessystem gjøre flere sveiser samtidig ved en eller flere arbeidsstasjoner. Alternativt kan strålen sekvensielt byttes, 14.40 (b), til forskjellige punkter, ofte opptil 30 m unna.
Det er industrielle mikro-punktsveising systemer hvor strålen er byttet mellom åtte arbeidsstasjoner på opptil 40 ganger per sekund. Hvor Nd: YAG laserstrålen er delt, blir den ujevne form av hvert tverrsnitt homogenisert til en fokuserbar form ved å overføre den gjennom fiberoptisk.
Fiberoptisk stråle leveringssystemer er uten tvil den mest enkle og allsidige. Det optiske fibermaterialet er Si02 (kvarts) og er vanligvis mindre enn 1 mm i diameter.
For maksimal stråleoverføringseffektivitet må fiberendene være meget polerte og perfekt firkantede og konsentriske med den optiske aksen til linsene plassert i hver ende av fiberen. Videre må fokusposisjonen til innkommende stråle være nøyaktig i forhold til fiberens ende.
Beam transmisjon effektivitet er også svekket hvis fiberen er bøyd for tett. En SiO 2- fiber med 0, 5 mm diameter har en tillatt bøyningsradius på ca. 100 mm før effektiviteten er svekket, mens for en fiber med 1 mm diameter er den sikre radius minst dobbelt så stor. Generelt er det totale tapet av laserkraft for et Nd: YAG laser og fiberoptisk system ikke mer enn 10-15%.
De optiske fiberaggregatene som brukes til å overføre lasersveisingskrefter, er spesialfremstillede og ganske forskjellige fra de som brukes i elektronikk. De som brukes til sveising, er beskyttet av betydelig og robust belegg, som inkluderer et fleksibelt stålrør og nylonjakke, som vist i figur 14.41. Selv om disse tiltakene tilstrekkelig beskytter den optiske fiberen, er deres hovedfunksjon å motstå utilsiktet industriell skade som kan forårsake brudd og tillate laserlys å flykte som kan føre til farlige konsekvenser.
Laser stråle farer:
En ufokusert laserstråle som unngår uhell fra stråleoverføringsbanen, er i stand til å reise flere hundre meter i luft før den vil ekspandere nok til å være trygg. Hvis derimot faller en fokusert stråle tilfeldigvis på huden, kan det forårsake svært dype forbrenninger eller til og med alvorlige brennhull. Imidlertid utvides en fokusert stråle mye raskere enn fokuspunktet, som generelt når en sikker diameter etter noen få meter.
Den nøyaktige avstanden avhenger av fokusf-nummeret; Jo lavere tallet jo større er frekvensen av stråleutvidelsen. En fare kan også oppstå på grunn av refleksjon av en fokusert stråle fra arbeidsstykkets overflate, spesielt hvis den innkommende strålen er tilbøyelig til arbeidsstykket i en vinkel på mindre enn 70 °.
Fordi laserlyset fra Nd: YAG eller CO 2 -laseren er usynlig for det menneskelige øye, og det beveger seg med ekstremt høy hastighet på omlag 300 000 km / sek, vil enhver avspilt laserstråle straks treffe alle i sin vei som forårsaker alvorlige hudforbrenninger. En ufokusert høyspennings laserstråle med flere mm diameter hvis det skulle forekomme på kroppen, kunne leve en for livet.
Laserlys fra Nd: YAG-laser med bølgelengde på 1, 06 pm er spesielt farlig for øyet, fordi linsen i øyet kan fokusere denne bølgelengden til et meget lite sted på netthinnen og forårsake alvorlige øyehud. Dessverre registrerer ikke retina ikke smerte forårsaket av slike blinde flekker, slik at skaden forårsaket av øyet kanskje ikke realiseres umiddelbart. Regelmessige øyetester for laserpersonell bør derfor gjøres obligatorisk for å oppdage en slik skade først.
Bortsett fra skader på personen, kan rømningslyset starte branner og smelte lett rørledninger og kabeldeksler og fører dermed til andre uønskede farlige situasjoner ved å påvirke sikker drift av andre planter. Det må holdes oppmerksom på at en ufokusert laserstråle fra en multi-kilowatt laser, hvis gitt tid, vil lett brenne gjennom stålplater og til og med brennstene.
Fordi glass og akryl er gjennomsiktige for laserstrålen med 1, 06 pm bølgelengde fra Nd: YAG-laser, bør disse materialene derfor ikke brukes til å gi betraktningsvinduer med mindre de er belagt med spesielle absorberende filmbelegg.
På grunn av høy risiko for alvorlig øyeskader fra en Nd: YAG laser, i stedet for et betraktningsvindu, er et fjernsynssystem best egnet for å vise sveisoperasjonen; med det riktige kameraet og filtre kan nærliggende observasjoner gjøres i absolutt sikkerhet.
