Spawanie laserowe: zasada, cechy i aspekty bezpieczeństwa

Po przeczytaniu tego artykułu dowiesz się o: - 1. Wstępie do spawania laserowego 2. Zasadzie i mechanizmie spawania laserowego 3. Sprzęt i konfiguracja laserowej ruby ​​4. Obsługa 5. Parametry procesu 6. Charakterystyka spoiny 7. Połączenie spoiny 8. Zastosowanie 9. Warianty 10. Automatyzacja 11. Aspekty bezpieczeństwa.

Wprowadzenie do spawania laserowego:

Przyspieszenie laserowe (wzmacnianie światłem przez wzbudzoną emisję promieniowania) jest prawdopodobnie najnowszym dodatkiem do stale rosnącej rodziny procesów spawalniczych. Promień lasera jest wysoce kierunkowy, silny, monochromatyczny (o jednej długości fali) i spójny, tzn. Wszystkie fale są w fazie. Taka wiązka może być skupiona do bardzo małego punktu, dając bardzo wysoką gęstość energii, która może osiągnąć 10 ⁹ W / mm2.

W ten sposób wiązka laserowa może stopić lub odparować dowolny znany materiał, taki jak wiązka elektronów. Istnieją trzy podstawowe typy laserów, mianowicie laser półprzewodnikowy, laser gazowy i laser półprzewodnikowy. Rodzaj lasera zależy od źródła lasera.

Lasery półprzewodnikowe wykorzystują kryształy takie jak rubin, szafir i sztucznie domieszkowane kryształy, takie jak pręty granitowe z domieszką neodymu z granatów itrowych (Nd-YAG). Laser półprzewodnikowy był pierwszym udanym laserem i można łatwo wyjaśnić mechanizm lasingu za pomocą takiego lasera, na przykład lasera rubinowego.

Zasada i mechanizm spawania laserowego:

Funkcją lasera jest wzmacnianie światła. Zwykłe światło nie może być używane jako światło laserowe, ponieważ energia promieniowania ze zwykłego źródła światła jest niespójna i rozproszona w szerokim zakresie widmowym, a monochromatyczne źródła jednokolorowe nie istnieją. Ze względu na różne długości fal o różnych kolorach, które składają się na zwykłe światło, nie można go zliczyć z ostrym ogniskiem bez poświęcania intensywności.

W związku z tym lasera zależy od emisji promieniowania stymulowanego lub indukowanego przez absorpcję energii elektromagnetycznej lub cząstek energii nazywanych fotonami przez atomy. Kiedy energia ta jest pochłaniana, elektrony w atomie zwiększają swój spin i rozszerzają swoje orbity, powodując przejście atomów w stan wzbudzony.

Ten stan wzbudzenia jest krótkotrwały i atom natychmiast wraca do poziomu pośredniego lub metastabilnego. W tym spadku atom traci energię cieplną, ale zachowuje energię fotonową. Wkrótce po tym atom opada samoczynnie i losowo z powrotem do stanu podstawowego, uwalniając energię fotonów, czyli energię kwantową, w postaci światła, jak pokazano na ryc. 14.17. To automatyczne obniżanie do pierwotnego poziomu energii, bez stymulacji, jest określane jako emisja spontaniczna.

Dopóki atom znajduje się w stanie wzbudzonym, może on być indukowany lub stymulowany do emitowania fotonu przez padającą falę zewnętrznego fotonu, którego energia jest dokładnie równa energii fotonu uwolnionego przez atom w przypadku emisji spontanicznej. To się nazywa indukowana lub stymulowana emisja promieniowania.

W rezultacie fala padająca jest wzmacniana przez falę emitowaną przez wzbudzony atom. W celu wytworzenia wiązki laserowej istotne jest, aby emitowana fala znajdowała się dokładnie w fazie z falą, która ją spowodowała. W ten sposób lasery mogą przekształcać światło elektryczne, energię cieplną lub chemiczną w monochromatyczne, spójne promieniowanie w ultrafiolecie, widzialnych lub podczerwonych obszarach widma elektromagnetycznego.

Wśród laserów na ciele stałym wykorzystywanych do celów przemysłowych materiał lasingowy jest dość często rubinowy. Rubin to tlenek glinu, w którym około 0-05% to atomy chromu. Atomy chromu nie tylko dostarczają aktywnych jonów do działania lasera, ale nadają rubinowi charakterystyczny czerwony kolor. Jony chromu emitują czerwone światło po stymulacji przez zielone światło. Aby miało miejsce działanie lasera, proces emisji stymulowanej musi występować częściej niż przeciwny proces absorpcji fotonu. Zgodnie z teorią kwantową prawdopodobieństwo wystąpienia tych dwóch procesów zależy tylko od względnej populacji zaangażowanego poziomu energii według stosunku Boltzmanna.

N ₂ / N ₁ = exp E ₁ - E ₂ / kT ....... (14.3)

gdzie,

N ₁ = liczba atomów przy niższym poziomie energii E _1,

N ₂ = Liczba atomów o wyższym poziomie energii E _2,

T = temperatura bezwzględna,

k = stała Boltzmanna.

Emisja laserowa jest uzyskiwana, gdy górny poziom jest zapełniany kosztem niższego poziomu. Taka sytuacja nazywana jest inwersją populacji, a metoda osiągnięcia tego nazywana jest PUMPING. Lasery półprzewodnikowe są pompowane optycznie za pomocą lampy błyskowej.

Miliardy atomów, cząsteczek lub jonów aktywnego medium pochłaniają energię podczas pompowania, którą utrzymują przez bardzo krótki, ale losowy czas życia, kiedy upłynie ich żywotność, oddają swoją energię w postaci fotonu i powracają do swojego poprzedniego Stan do ponownego pompowania. Uwolnione fotony przemieszczają się we wszystkich kierunkach w stosunku do osi optycznej lasera.

Jeśli foton zderzy się z innym wzbudzonym atomem, itp., Powoduje on przedwczesne uwolnienie fotonu i dwa fotony będą przemieszczać się w fazie aż do następnej kolizji. Fotony, które nie przemieszczają się równolegle do osi optycznej lasera, szybko znikają z systemu.

Osoby poruszające się równolegle do osi mają znacznie wydłużoną długość drogi dzięki optycznemu sprzężeniu zwrotnemu zapewnionemu przez lusterka, przed opuszczeniem wnęki laserowej przez częściowo przepuszczające lustro. To działanie pomaga uzyskać wysoce skolimowaną, spójną wiązkę światła o wymaganym poziomie mocy.

Moc wiązki i tryb:

Gęstość mocy na średnicy laserowej wiązki wyjściowej nie jest jednolita i zależy od laserowego ośrodka czynnego, jego wymiarów wewnętrznych, konstrukcji sprzężenia optycznego i zastosowanego układu wzbudzenia. Przekrój poprzeczny wiązki laserowej, która pokazuje jej rozkład mocy, nazywany jest poprzecznym trybem elektromagnetycznym (TEM). Można zaprojektować wiele różnych TEM, a każdy typ jest oceniany na podstawie liczby.

Ogólnie rzecz biorąc, im wyższa liczba, tym trudniej jest skierować wiązkę laserową na drobne miejsce, aby uzyskać wysoką gęstość mocy, co jest bardzo ważne podczas spawania laserowego. Lasery o TEM ₀₀, TEM ₁₀, TEM ₁₁, TEM ₁₁ i TEM ₂₀ i kombinacje tych trybów są często używane. Rys. 14.17 (A) pokazuje podstawowe kształty profili mocy wiązki tych trybów. Niektóre lasery wytwarzają kilka różnych trybów i są zwykle określane jako działające w wielu trybach.

Rubinowy sprzęt laserowy i konfiguracja spawania laserowego:

Sprzęt lasera ruby ​​składa się w zasadzie z głowicy laserowej i źródła zasilania. Rys. 14.18 pokazuje schemat takiego lasera. Składa się z rubinowego pręta o średnicy około 5-15 mm i długości około 100 do 200 mm. Średnica i długość rubinowego pręta określają siłę emisji lasera.

Jej końce są polerowane na płaskie powierzchnie optyczne, a następnie srebrne, aby uzyskać powierzchnię odbijającą 100% na jednym końcu i odbicie 90-98% na drugim końcu, co zapewnia wiązkę lasera. Odległość między dwoma odbijającymi końcami zapewnia wnękę rezonansową o częstotliwościach, dla których odstęp jest całkowitą liczbą połówkowych długości fal.

Powierzchnie odbijające są wytwarzane przez jeden z dwóch rodzajów powłok. Jeden rodzaj powłoki jest wytwarzany przez osadzanie cienkiej warstwy metalu, takiego jak aluminium, srebro lub złoto. Jednakże taka metaliczna powłoka może ulec spaleniu podczas użytkowania, a tym samym stracić swoją jakość odbicia.

Warstwę odbijającą o wyższej wydajności można wytworzyć, powlekając końce materiału lasera kilkoma nieprzewodzącymi warstwami, tworząc lustro dielektryczne. Lustro dielektryczne zależy od interferencji fal świetlnych, które są odbijane przez wielowarstwowe folie, złożone głównie z siarczków i fluorków.

Wypolerowany rubinowy pręt umieszczany jest pośrodku głowicy laserowej i jest zamknięty w przezroczystej szklanej rurce. Zimny ​​gaz azotowy krąży nad powierzchnią rubinowego pręta i wypływa ścieżką powrotną na zewnątrz szklanej rurki. Pomiędzy szklaną rurką a lampą błyskową znajduje się opróżniona dwuścienna szklana rurka zapewniająca osłonę próżniową.

Dwuścienna rura próżniowa zawiera ciekły azot, który dostarcza zimnego gazu, który jest uzyskiwany przez izolowany wąż do głowicy laserowej. Rura próżniowa zapobiega przepływowi ciepła z lampy błyskowej do rubinowego pręta, ale transmisja światła nie ma dużego wpływu.

Zewnętrzna powłoka w cylindrycznej obudowie z podwójnym eliptycznym odbiciem zapewnia zamknięcie całego zespołu tak, aby uzyskać maksymalną ilość światła dla rubinowego pręta, jak pokazano na fig. 14.19. Zapewniono tłumik, aby zapobiec powstawaniu łuków między lampą błyskową ksenonową a zewnętrzną powłoką. Lampa błyskowa jest najbardziej wydajna, gdy jest ciepła. Dlatego, aby utrzymać ciepło i jednocześnie zapobiegać wyładowaniom spowodowanym wilgocią, gorące powietrze krąży w sposób ciągły nad lampą błyskową.

Układ zasilania laserowego zespołu spawalniczego składa się z zespołu zasilającego lampy błyskowej, migawki sterowanej elektromagnesem i transformatora oświetleniowego na stole oraz głowicy laserowej. Lampa błyskowa jest zasilana napięciem 18 KV. Obwód lampy błyskowej zawiera regulowane cewki do zmiany czasu rozładowania, co z kolei zmienia czas trwania impulsu świetlnego wystrzeliwanego przez lampę błyskową.

Do pompowania laserem rubinowym zwykle używana jest lampa błyskowa Xenon, która składa się z żarówki wykonanej z optycznie przezroczystego kwarcu, która otacza dwie elektrody wolframowe. Kiedy lampa jest wyłączona, ciśnienie wewnątrz żarówki wynosi 10 atmosfer. Moc lampy ksenonowej jest dostarczana przez źródło prądu stałego bez napięcia obciążenia co najmniej 70 woltów i zwisającej charakterystyki woltamperowej.

Lampy błyskowe Xenon mogą pracować nieprzerwanie przez setki godzin z częstotliwością tysięcy błysków na sekundę. Intensywne pojedyncze źródło błysku może mieć moc wyjściową sięgającą dziesiątek milionów szczytowej mocy świecy, a krótkie źródło światła łuku może mieć czas błysku krótszy niż 1μsec (jedna mikrosekunda). Działając w ten sposób lampa staje się wydajnym urządzeniem do przekształcania energii elektrycznej w energię świetlną, która jest procesem pompowania lasera.

Ponieważ światło laserowe jest praktycznie monochromatyczne, zasadniczo skolimowane i spójne, można je łatwo ustawić za pomocą powszechnie używanych urządzeń optycznych, takich jak pryzmaty i soczewki. Belka jest jednak również skupiona przez soczewki halogenkowe i układ lustra.

Lasery są klasyfikowane jako lasery o małej mocy (10 kW).

Działanie spawania laserowego:

Laser rubinowy jest pompowany przez lampę błyskową Xenon lub Krypton. Gdy lampa błyskowa oświetli pręt, większość atomów chromu zostanie doprowadzona do stanu wzbudzonego. Działanie lasera występuje w pręcie ruby, gdy ponad połowa atomów chromu została przepompowana do wysokiego poziomu energii lub metastabilnego stanu powodującego odwrócenie populacji. Działanie lasera rozpoczyna się, gdy wzburzony atom spontanicznie emituje foton wzdłuż osi rubinowego pręta.

Ten foton będzie stymulował inny wzbudzony atom do emitowania drugiego (lub indukowanego) fotonu. Proces ten przebiega w sposób kumulacyjny, ponieważ fotony są odbijane od końców prętów i przechodzą przez wnękę rezonansową wielokrotnie tworząc czoło fali. W wyniku tych wielokrotnych odbić z obu końców rubinowego pręta moc wiązki jest zbudowana na ogromnym poziomie.

Jeśli natężenie światła z lampy błyskowej przekracza pewien poziom krytyczny, odbywa się działanie lampy i emituje silną wiązkę fotonów o długości fali 6943A w ciągu kilku tysięcznych sekundy. Wyjściowa wiązka laserowa jest wysoce kierunkowa, mocna, monochromatyczna i spójna.

Gęstość energii wiązki światła w miejscu soczewki określa równanie:

ρ = E / V ......... .. (144)

gdzie,

ρ = gęstość energii,

E = energia wiązki,

V = głośność ogniskowania.

Objętość ogniskowej wiązki laserowej jest bardzo mała. Dlatego gęstość energii takiej wiązki przy ognisku może być bardzo wysoka, osiągając 10 ⁷ W / cm2. Czas trwania impulsu laserowego jest krótki, rzędu ^10-9 sekund.

Podczas spawania laserowego ważne jest, aby impulsy miały maksymalny czas trwania i minimalne odstępy, to znaczy wysoką częstotliwość powtarzania impulsów (PRF). Jednak lasery ruby ​​mają niską wydajność, a znaczna część energii pompowania jest przetwarzana na ciepło. To powoduje, że rubinowy pręt staje się bardzo gorący i dlatego lampa błyskowa nie może działać poprawnie przy wysokich PRF.

To wymaga wycofania tak dużej ilości ciepła wytwarzanego przez pompowanie optyczne, jak to możliwe; na przykład w przypadku lasera na ciele stałym o średniej mocy 400 W, układ chłodzenia musi usunąć około 15 kW ciepła odpadowego. Dlatego też PRF i moc laserów są ograniczone przez ich systemy chłodzenia. Wydajność laserów rubinowych jest bardzo niska; około 0-1%. Pomimo tego faktu lasery ruby ​​są szeroko stosowane jako narzędzia spawalnicze.

W przypadku istniejących laserów spawalniczych PRF może wynosić od 1 do 100 na minutę. Obszar penetrowany pojedynczym impulsem laserowym to ułamek milimetra. Właśnie dlatego takie lasery są coraz częściej wykorzystywane do wykonywania tylko połączeń punktowych.

Ze względu na niską PRF i niską moc lasery nie mogą, jak dotąd, konkurować z procesem EBW, który jest w stanie wykonać bardzo wąskie i głębokie spawy w grubych metalach. Spawanie wiązką laserową w porównaniu ze spawaniem wiązką elektronów jest jednak bardziej wszechstronne, ponieważ może spawać metale w powietrzu, w osłonie gazów, a nawet w próżni. Ponadto wiązka laserowa może spawać przez przezroczyste materiały, ponieważ nie blokują one przejścia światła laserowego.

Duża część światła z lasera przechodzi przez boki rubinowego pręta i nie staje się częścią wiązki laserowej. Pomimo uzyskanej wyjątkowo niskiej wydajności, straty energii są do zaakceptowania, ponieważ skupiony punkt światła z lasera jest milion razy bardziej intensywny niż światło lampy błyskowej, która inicjuje działanie lasingowe, i jest o wiele intensywniejszy niż światło o tej długości fali emitowanej z równoważnego obszaru powierzchni Słońca.

Światło lasera emitowane przez rubinowy pręt jest odpowiednio ukształtowane i skierowane do pracy za pomocą układu optycznego składającego się z pryzmatu, soczewki i soczewki pomocniczej. W układzie optycznym można włączyć kilka soczewek dodatkowych, aby ustawić wiązkę w miejscu o średnicy 0-25 do 0-05 mm. Gęstość energii w punkcie skupienia jest tak duża, że ​​dowolny znany materiał może zostać stopiony, odparowany lub spawany przy użyciu takiej skupionej wiązki laserowej.

Promień lasera jest częściowo odbijany lub odchylany przez gładkie powierzchnie metalowe, podczas gdy wiązka elektronów nie jest. Kiedy znaczna część promienia lasera jest odbita, może hamować transfer energii do przedmiotu obrabianego. Jednakże, gdy gęstość energii skupionej wiązki laserowej przekracza 10 KW / mm2, następuje znaczna zmiana w proporcji energii pochłoniętej przez powierzchnię, jak pokazano na Fig. 14.20.

Po przekroczeniu tego poziomu progowego następuje poprawa transferu energii, a wiązka laserowa powoduje penetrację typu dziurki od klucza. Ta poprawa transferu energii jest związana z rozwojem plazmy na powierzchni roboczej. Chociaż jest to zaleta w początkowej fazie, generowanie nadmiernej plazmy nad jeziorkiem spawalniczym ostatecznie staje się przeszkodą dla belki.

Aby uzyskać gładkie, dobrze ukształtowane kulki, należy koniecznie zabezpieczyć jeziorko spawalnicze jakimś gazem obojętnym, a hel - najlepiej.

Spawanie wiązką laserową nie jest praktycznie możliwe poniżej mocy 1, 5 kW; podczas gdy powyżej tego poziomu maksymalna zdolność penetracji wynosi około 2 mm / kw.

Parametry procesu spawania laserowego:

Wybór parametrów procesu opiera się na trzech czynnikach:

(i) liczba kondensatorów i odpowiednie napięcie w celu uzyskania pożądanego poziomu wejściowej energii, w oparciu o relację,

E = 1 / 2CV ² ......... .. (14-5)

gdzie,

C = pojemność

V = napięcie

(iii) Właściwy dobór optyki do kontrolowania wielkości i kształtu plamki wiązki,

(iii) Wybór punktu ogniskowania wiązki na lub powyżej powierzchni obrabianego przedmiotu.

Liczba kondensatorów stosowanych do uzyskania pożądanego poziomu energii jest kwestią krytyczną. Zwiększenie liczby kondensatorów w obwodzie skutkuje dłuższym czasem cyklu impulsu i wynikającym z tego spadkiem mocy wiązki impulsów.

Aby uzyskać spoinę dźwiękową o pełnej penetracji bez podcięcia, pożądane jest, aby:

(i) Moc wiązki laserowej powinna być wystarczająca do stopienia metalu, ale nie na tyle wysoka, aby odparować z wybraną prędkością spawania,

(ii) Czas trwania cyklu impulsu powinien być wystarczająco długi, aby ciepło było przepuszczane przez grubość materiału.

Innym czynnikiem jest położenie punktu ogniskowej belki względem powierzchni obrabianego przedmiotu. Maksymalna penetracja występuje, gdy wiązka jest skupiona nieco poniżej powierzchni. Penetracja jest mniejsza, gdy wiązka skupia się na powierzchni lub głęboko w obrabianym przedmiocie. Głębokość penetracji wzrasta wraz ze wzrostem mocy wiązki.

Charakterystyka spawania dla spawania laserowego:

Spawanie laserowe było stosowane do produkcji podobnych i różnych połączeń metalowych ze stalą, miedzią, niklem, stalą nierdzewną, stopami aluminium, żelaznymi stopami na bazie niklu, tytanem oraz ogniotrwałymi metalami i stopami.

Ze względu na bardzo niski wkład energii właściwej do pracy, strefa wpływu ciepła i uszkodzenia termiczne materiału przylegającego do spawu są zminimalizowane. W niektórych konstrukcjach stalowych zaobserwowano porowatość rdzenia i uważa się, że jest to spowodowane niezadowalającym współczynnikiem prędkości do mocy wiązki.

Porowatość roota w spoinach dwuprzelotowych związana jest z wydzielaniem gazu i niewystarczającym czasem na jego usunięcie. W większości spoin w tych stalach zadowalającą ciągliwość wykazano metodą zginania bocznego. Autogenne spawy laserowe o głębokiej penetracji wykazują właściwości mechaniczne, które są korzystniejsze w porównaniu do konwencjonalnego spawania łukowego z użyciem metalu wypełniającego.

Oczyszczanie metalu podczas spawania zachodzi w pewnych warunkach podczas spawania stali ze względu na preferencyjne pochłanianie wiązki przez niemetaliczne wtrącenia w metalu, co powoduje ich odparowanie i usunięcie. Obserwacja oczyszczenia strefy termojądrowej podczas spawania laserowego kilku różnych stopów metali żelaznych wskazuje, że może to być wyjątkowa cecha głębokiego wnikania, autogennego spawania laserowego.

Badanie metalograficzne spoin stalowych wykazało również zmniejszenie zawartości inkluzji, która jest uważana za odpowiedzialną za wzrost energii półki charpy i stosunkowo grubej wielkości ziarna, a tym samym wysokiej temperatury przejścia.

Spośród powszechnie stosowanych stopów konstrukcyjnych, stopy aluminium okazały się najtrudniejsze do spawania laserowego ze względu na ich wysoki początkowy współczynnik odbicia powierzchni i porowatości podobny do spawania łukowego.

Badania nad spawaniem stali odpornych na korozję i stopów tytanu wykazały, że wysokiej jakości złącza można wykonywać na arkuszach o grubości od 0-1 do 2 mm. Spoiny są próżniszczelne i mają 90% wytrzymałości metalu macierzystego. Prędkość spawania stosowana dla takich spoin wynosi 17-25 cm / min.

Połączenie spawane do spawania laserowego:

Projekty połączeń i dopasowania stosowane w spawaniu laserowym są generalnie podobne do tych stosowanych do spawania wiązką elektronów. Jednak niektóre z projektów połączeń używanych do laserowego spawania blachy pokazano również na rys. 14.21. Przerwa międzyfazowa przekraczająca 3% grubości materiału może zwykle powodować niedopełnienie. Podobne wyniki uzyskuje się, gdy do spawania używa się nadmiernej energii, co powoduje spadek przepływu. Niedopełnienie uzupełnia się przez dodanie metalu wypełniającego podczas pierwszego przejścia spoiny lub kosmetycznego drugiego przejścia. Często dodaje się metal wypełniający, aby zmodyfikować chemię spoiny. W takim przypadku można zastosować kwadratowy rowek z wąską szczeliną lub rowkiem typu Ve, aby zapewnić pożądany dodatek wypełniacza.

Mówiąc ogólnie, dobrze ugruntowana procedura przygotowania spoiny spawalniczej dotyczy również spawania laserowego. Preferowane jest spawanie w pozycji leżącej lub płaskiej, choć spawanie poza pozycją, jak w przypadku spawania poziomego, pionowego i górnego może być wykonane w warunkach dobrze w trybie spawania dziurką od klucza.

Zastosowania spawania laserowego:

Do głównych zalet spawania laserowego należy generowanie intensywnego ciepła, które ma wpływ na wyjątkowo mały obszar, w związku z czym zapotrzebowanie na energię do wykonania spoiny jest niskie. Dzięki tej charakterystyce procesu można go stosować do spawania różnych metali o bardzo różnych właściwościach fizycznych. Można również spawać metale o stosunkowo wysokiej oporności elektrycznej i komponenty o znacznie różniących się rozmiarach i masach.

Zwykle w spawania laserowego nie stosuje się metalu wypełniającego, dlatego każdy element w konkretnym położeniu może być spawany pod warunkiem, że wiązka laserowa może zostać skupiona w tym punkcie. Spoiny o wysokiej dokładności można wykonywać nawet w przypadku grubości metalu ułamka milimetra. Ze względu na bardzo wysokie współczynniki ogrzewania i chłodzenia podczas spawania laserowego, wzrost ziarna jest ograniczony, a także eliminowane jest odprężanie i prostowanie spawanego elementu.

Jedną z aplikacji szczególnie dostosowaną do współczesnych laserów jest wytwarzanie mikro-połączeń. Dlatego też spawanie laserowe jest szczególnie odpowiednie dla inżynierii radiowej i elektroniki do spawania cienko-drutowych przewodów do filmów na płytkach mikroukładowych, obwodach półprzewodnikowych i mikromodułach.

Promień lasera może spawać najróżniejsze składniki metalu stosowane w mikroelektronice, na przykład złoto i krzem, złoto i german, nikiel i tantal, miedź i aluminium mogą być z powodzeniem spawane za pomocą spawania wiązką laserową.

Spawanie drutów niklowych o średnicy 0, 5 mm w konfiguracji równoległej, zgrzewanie punktowe taśm niklowych o grubości 0, 125 mm, hermetyczne uszczelnianie modułów elektronicznych i spawanie tytanowej rury o grubości 0, 25 mm na tarczy tytanowej o grubości 0, 625 mm to niektóre specyficzne zastosowania zgłoszone na temat zastosowania spawania wiązką laserową.

Warianty spawania wiązką laserową:

Oprócz laserów na ciele stałym, takich jak laser rubinowy, istnieją również lasery, w których materiałami laserowymi są ciecze, takie jak roztwory tlenku neodymu, niektóre barwniki, itp. Lasery ciekłe nieorganiczne mają bardzo bliskie możliwości i osiągi dla pulsów półprzewodnikowych. lasery, ale przekraczają je pod względem mocy wyjściowej impulsu, ponieważ ich elementy lasingowe mają dużą objętość.

Trzecia i najbardziej wydajna klasa laserów to ta, w której materiałami laserowymi są monokryształy półprzewodników, takich jak arsenek galu i indu, dopuszczenie kadmu, selenu i siarki itp. Lasery półprzewodnikowe mają małą masę, potrzebują niskiego wkładu energii i mają wysoką wydajność do 70%.

Czwartą i chyba najważniejszą klasą laserów jest ta, która wykorzystuje gazy i ich mieszaniny, takie jak wodór, azot, argon i dwutlenek węgla. Lasery gazowe mają najszersze spektrum promieniowania i największą moc w trybie fali ciągłej (CW) w połączeniu z dość wysoką wydajnością od 15 do 25%.

Spośród wszystkich tych wariantów, lasery gazowe CO ₂ i lasery ND: YAG są używane najszerzej w zastosowaniach przemysłowych, ponieważ są one zdolne do długotrwałej pracy multikilatatowej i dlatego są szczegółowo omówione tutaj.

Automatyzacja spawania wiązką laserową:

Ludzkie oko może być używane do obserwowania wiązki laserowej pod warunkiem, że znajduje się w obszarze widzialnym (tj. O długości fali między 0, 3 a 0, 7 μm) widma. Najczęściej jednak światło lasera używane do spawania jest niewidoczne dla ludzkiego oka, jak widać na ryc. 14.45, które dostarcza wskazówek dotyczących lokalizacji widma niektórych z bardziej popularnych długości fal wiązki laserowej. Konieczne jest zatem stosowanie automatyzacji do efektywnego i skutecznego wykorzystania wiązki laserowej do spawania, w przeciwnym razie może dojść do niedopuszczalnej jakości wykonania lub może nawet doprowadzić do poważnych wypadków.

Gdy wymagana jest automatyzacja lub większa wydajność, detektory pozycji wiązki laserowej są wykorzystywane do lokalizowania i pozycjonowania wiązki laserowej. W tym celu dostępne są detektory położenia do jedno- lub dwuwymiarowego wykrywania wiązki laserowej. Uproszczony schemat laserowego układu osiowania z detektorem kwadrantowym pokazano na ryc. 14.46. Każda ćwiartka detektora to osobna fotodioda, która wytwarza elektryczny sygnał wyjściowy proporcjonalny do mocy światła, którą odbiera.

Jeśli padająca wiązka lasera jest wycentrowana na detektorze, każdy segment detektora kwadrantowego otrzymuje taką samą moc. Gdy promień lasera nie jest wycentrowany, jedna lub dwie ćwiartki detektora otrzymają większą moc światła. Zaprojektowano systemy wykorzystujące wyjścia z detektorów kwadrantowych w celu uzyskania położenia wiązki laserowej względem centrum detektora. Ostatnie postępy w komputerowych systemach wizyjnych sprawiły, że systemy detektorów dwuwymiarowych diod są powszechnie dostępne w przemyśle. W przypadku jednowymiarowego wkładu centrującego można zastosować fotodiodę lub efekt boczny.

Wykorzystując odpowiedni detektor położenia w połączeniu z systemem automatycznym / zrobotyzowanym, można uzyskać pożądaną jakość w spawanej produkcji.

Aspekty bezpieczeństwa spawania laserowego:

Normalne zagrożenia związane ze spawaniem wiązką laserową obejmują uszkodzenie oczu, oparzenia skóry, wpływ na układ oddechowy, porażenie prądem, zagrożenia chemiczne i zagrożenia związane z obsługą kriogenicznych czynników chłodzących.

Promienie laserowe nie generują promieni rentgenowskich podczas normalnej pracy, jednak wytwarzają światło o wysokiej intensywności, które może uszkodzić wzrok lub spowodować poważne oparzenia. Jeśli długość fali wynosi od 0, 4 do 1, 4 μm, ludzki system okularowy skupia wiązkę padającą aż do 10 ⁵ razy na siatkówce. Ten obszar długości fali nazywany jest ogniskowym ogniskiem lub niebezpiecznym regionem siatkówki.

Widoczna proporcja obszaru ogniskowej oka, w którym oko wykrywa barwy, waha się tylko od około 0, 4 do 0, 7 μm. Długości fal w zakresie od 0, 7 do 1, 4 μm nie są wykrywane przez siatkówkę, są one niewidoczne dla układu ocznego, chociaż można je ogniskować za pomocą oka.

Tak więc, jeśli długość fali wiązki jest w ognisku ogniskowym, uszkodzenie oka występuje w tkankach siatkówki, ponieważ bardzo mało energii jest absorbowane przez rogówkę, soczewkę i tkanki wodne. Jednakże długości fal poza obszarem ogniskowania są absorbowane przez zewnętrzne elementy oka, uszkadzając szczególnie rogówkę.

Konieczne jest zatem, aby mieć wcześniejszą wiedzę o długości fali wiązki laserowej, a rys. 14.45 dostarcza niezbędnych informacji.

Należy zachować ostrożność w tym, aby okulary były odpowiednie dla danego systemu laserowego. Przy dłuższych falach podczerwieni, np. 10, 6 μm długości fali lasera CO2, nawet zwykłe szkło jest nieprzejrzyste.

Powszechną praktyką jest, aby obszary robocze wokół laserów były pomalowane jasnymi kolorami i jasno oświetlone.

Skóra pochłania wszystkie długości fal lasera, ale potrzeba więcej energii do uszkodzenia skóry niż do uszkodzenia oczu, a więcej energii z laserów o fali ciągłej jest wymagane do uszkodzenia niż z laserów impulsowych. Jeśli laser emituje promieniowanie ciągłe przez minimalny okres 0, 25 sekundy, uznaje się go za ciągły laser falowy. Lasery ekscymerowe i CO2 mają szczególną zdolność do uszkadzania skóry. Ognioodporne koszule z długimi rękawami i rękawice zapewniają odpowiednią ochronę skóry w większości przypadków.

Chociaż promień lasera nie jest odchylany przez pola elektrostatyczne lub elektromagnetyczne, wiązka jest częściowo odbijana lub odchylana przez gładkie powierzchnie metalowe, które mogą wpływać na oko lub skórę, a oparzenia laserowe mogą być głębokie i bardzo powolne, aby się zagoić.

Większość systemów laserowych wykorzystuje wysokie natężenie prądu o wysokim natężeniu, dlatego istnieje możliwość śmiertelnego porażenia prądem elektrycznym. Rzeczywiście, prawie wszystkie poważne lub śmiertelne wypadki z laserem dotyczyły zasilania elektrycznego. Dlatego nigdy nie pracuj samodzielnie, gdy bezpośrednio działa laser o wysokiej mocy.

Toksyczne lub drobne opary metali mogą powstawać podczas głębokiej penetracji i próbnego zgrzewania tworzyw sztucznych. Poważne wytwarzanie plazmy może wytwarzać ozon, co wymaga odpowiedniego zaopatrzenia w wentylację i układy wydechowe.

Podsumowując, można powiedzieć, że laser jest równie bezpieczny jak każde inne narzędzie o wysokiej energii i powinien być obsługiwany prawidłowo. Obowiązkiem użytkownika jest nauczenie się prawidłowego posługiwania się nim.