Schemat laserów dwutlenku węgla

W tym artykule przedstawiono schematy diod laserów dwutlenku węgla (CO ₂ ).

Najbardziej użytecznym laserem przemysłowym do spawania i cięcia jest laser CO2, w którym ośrodek lasera jest mieszaniną dwutlenku węgla, azotu i helu w typowym stosunku 1: 1: 10 pod ciśnieniem 20-10 torr z elektrycznym rozładowanie 10-30 000 woltów.

Laser CO2 może mieć zamkniętą rurkę gazu lub przepływający gaz w rurce. Zasada przepływającego gazu zwiększa moc wyjściową o około 3-krotnie większą niż moc lasera. Laser CO ₂ może działać zarówno w trybie pulsacyjnym, jak i ciągłym, i został opracowany w celu uzyskania mocy wyjściowej w zakresie od kilkuset watów do ponad 20 kW. Wytworzona wiązka laserowa znajduje się w obszarze dalekiej podczerwieni widma przy długości fali około 10, 6 μm (106000 Å).

Przepływ gazu w laserze CO2 może być wzdłuż osi wiązki laserowej lub poprzecznie do niej przy ciśnieniu roboczym 80 torr lub mniejszym, chociaż pulsująca wiązka laserowa CO2 jest wytwarzana pod ciśnieniem atmosferycznym. Przy obydwu rodzajach przepływu gazu, zwierciadło całkowicie odbijające światło jest używane na jednym końcu i częściowo transmituje, dla długości fali 10, 6 μm, na drugim końcu działa jako okno wyjściowe. Powlekany półprzewodnikowy materiał, taki jak selenek cynku (ZnSe), jest stosowany jako okna wyjściowe dla laserów CO2 o mocy do kilku kilowat mocy. Takie materiały są jednak wypalane przy wyższych poziomach mocy, a zatem w celu ułatwienia transmisji stosuje się pierścieniowe metalowe lustro.

Schematyczny wykres 150-watowego lasera CO2 pokazano na rys. 14.22.

Wstępnie zmieszane gazy są podawane w sposób ciągły do ​​rurki tworząc wnękę laserową. Rura odprowadzająca jest chłodzona wodą i między elektrodami utrzymuje się potencjał dc wynoszący około 10 KV. Na każdym końcu rury wyładowczej znajduje się regulowane zwierciadło przymocowane elastycznym mieszkiem do rury. Jedno lustro składające się ze złota osadzonego na pyreksie lub stali nierdzewnej odbija się całkowicie przy 10-6 μm, podczas gdy lustro tworzące okno wyjściowe ma powłokę dielektryczną osadzoną na podłożu germanu.

W przypadku laserów CO2 o dużej mocy, rura wyładowcza składa się z szeregu rurek umieszczonych w konfiguracji równoległej z układem optycznego składania światła przez odbicia w przód iw tył. Wolne lasery osiowe mogą wytworzyć maksymalną moc około 500 watów, ponieważ 75-90% energii rozładowania jest rozpraszane w gazie, co powoduje jego przegrzanie i rozkład z konsekwencją spadku wydajności.

W celu uzyskania wyższej wydajności gaz jest napędzany przez rurę laserową z dużą prędkością przez dmuchawę; zmniejsza to straty ciepła do ścian w znikomej ilości. Podczas gdy wolny laser osiowy dostarcza około 50 - 70 watów na metr wnęki laserowej, laser o szybkim przepływie osiowym może generować do 600 watów na metr.

Działanie lasera gazowego:

W laserze z dwutlenkiem węgla cząsteczki CO ₂ są pobudzane przez wyładowanie elektryczne w poprzek jamy laserowej. Bezpośrednie pobudzenie wibracyjne CO2 przez wyładowanie elektryczne jest nieefektywne. Jednak N ₂ akceptuje efektywnie energię z wyładowania i poziomy energii wibracyjnej cząsteczek N2 i niektóre z tych cząsteczek CO ₂ są bardzo blisko. Właśnie dlatego N ₂ jest dodawany do CO2, a zatem CO2 jest wzbudzany przez wymianę energii rezonansowej z N2. Ten dwuetapowy proces jest znacznie szybszy i skuteczniejszy niż proces bezpośredniego wzbudzenia CO ₂ .

Przejściu od stanu górnej energii wibracyjnej do poziomu pośredniego towarzyszy emisja fotonu o charakterystycznej długości fali 10-6 μm w strefie podczerwieni widma promieniowania. Cząsteczki CO ₂ na pośrednim poziomie energii muszą powrócić do poziomu gruntu, aby zakończyć proces.

Osiąga się to szybko, dodając hel do mieszaniny CO ₂ - N ₂ ; ponieważ kolizja między cząsteczkami CO ₂ i He powoduje przeniesienie resztkowej energii wzbudzenia do helu. Energia ta jest następnie usuwana jako ciepło odpadowe. Proces emisji lasera na skutek spadku poziomu CO2 i N2 poprzez różne poziomy energii pokazano na rys. 14.23.

Podobnie jak w laserach półprzewodnikowych, lasery gazowe mogą również działać tylko poprzez ustalenie stanu inwersji populacji, który jest osiągany przez wyładowanie jarzeniowe o wysokim napięciu. Ale wyładowanie jarzeniowe powoduje niestabilność na poziomie prądu powyżej 300 mA, a jeśli wyładowanie jarzeniowe zmienia się w wyładowanie łukowe, wówczas ustalane są warunki termodynamiczne i nie może wystąpić wyładowanie.

Można temu zapobiec w układach dużej mocy poprzez jonizację pomocniczą z wykorzystaniem energii elektrycznej o wysokiej częstotliwości przy wysokich napięciach. Współczesne lasery o wysokiej mocy CO ₂ działają jednak wyłącznie przy wyładowaniu elektrycznym prądu stałego bez użycia jonizacji pomocniczej.

Wysokowydajne elektrycznie wzbudzone lasery CO2 o mocy wyjściowej do 20 KW o wydajności 10-15% są konwekcyjnie chłodzone; szybki przepływ gazów służy do usuwania ciepła z jamy laserowej. Aby zminimalizować koszty operacyjne, stosuje się wymiennik ciepła gaz-ciecz, a gazy laserowe ponownie zawracają w układzie, jak pokazano dla lasera osiowego z przepływem CO2 na ryc. 14.24. Tylko niewielka ilość gazu jest zużywana ze względu na konieczność ciągłego usuwania i uzupełniania niewielkiej ilości laserowej mieszaniny gazów, aby zapobiec gromadzeniu się zanieczyszczeń generowanych przez dysocjację CO ₂ i N ₂ w wyładowaniach elektrycznych.

Lasery CO2 mogą pracować zarówno w trybie fali pulsacyjnej (PW), jak i fali ciągłej (CW).

Impulsowa moc:

W przypadku lasera z wiązką impulsową, penetracja spoiny jest określana przez energię impulsu i czas trwania. Penetracja wzrasta wraz ze wzrostem energii i czasu trwania impulsu. Czas trwania impulsu musi być wystarczająco długi, aby umożliwić przewodzenie i topienie do pożądanej głębokości. Ponieważ moc wiązki jest kontrolowana przez energię i czas trwania impulsu, gęstość energii na powierzchni roboczej jest kontrolowana przez optykę skupiającą.

Penetracja w spawaniu wiązką impulsową zależy również od właściwości materiału. Dla danej energii impulsu i czasu trwania, wyższa dyfuzyjność cieplna zmniejsza penetrację. Lasera o dużej mocy, czyli wiązki o wysokiej energii impulsu i krótkim czasie trwania impulsu, uznaje się za odpowiednie dla takich materiałów o wysokiej dyfuzyjności cieplnej, a odwrócenie jest właściwe dla materiałów o niskiej dyfuzyjności cieplnej.

Maksymalna penetracja osiągalna dzięki laserowi półprzewodnikowemu z obecnym pulsowaniem wynosi tylko około 1-5 mm, a zatem proces ten może być skutecznie stosowany tylko dla materiałów o małej grubości. Zależność pomiędzy zmiennymi procesowymi dla laserów pulsacyjnych o niskiej wydajności, gdy są używane do spawania stali nierdzewnej, tytanu i aluminium, przedstawiono w formie graficznej na rys. 14.25.

Dostępne są lasery CO2, które mogą wytwarzać impulsy o wartości 3 KW przy częstotliwości do 2-5 KHz od nominalnej średniej mocy 500 Watt.

Ciągła moc:

Ciągła moc lasera jest uzyskiwana z laserów gazowych. Takie lasery o niskiej mocy mogą być stosowane do konwencjonalnej penetracji opartej na przewodzeniu typu, podczas gdy penetracja dziurki od klucza może być uzyskana tylko z laserami o dużej mocy - przy prędkości spawania większej niż 40 cm / min. Penetrację około 20 mm w stali stopowej można uzyskać za pomocą lasera CO2 o mocy 15 KW z wiązką ciągłą. Cięższe odcinki mogą być spawane w dwóch przejściach, po jednym z każdej strony.

W laserach dużej mocy istnieje możliwość jonizacji par metalu, co może prowadzić do tworzenia się plazmy powyżej powierzchni przedmiotu obrabianego, która może pochłaniać wiązkę lasera, co w konsekwencji prowadzi do zmniejszenia głębokości penetracji. Zwykle unika się tego przez przepływ helu w miejscu, aby zmieść jony powodując tworzenie się plazmy.

Lasery gazowe, które są używane do spawania, są obecnie laserem C02 o długości wiązki 10, 6, ponieważ okazały się one najbardziej wydajne i wytwarzają najwyższą moc. Jednak laser Nd: YAG o określonych właściwościach jest obecnie najczęściej stosowanym laserem przemysłowym stosowanym do spawania.