Struktura lasera Nd: YAG (z wykresem)
Po przeczytaniu tego artykułu dowiesz się o strukturze lasera Nd: YAG za pomocą odpowiednich schematów.
Laser Nd: YAG składa się z rezonatora, odbijającego i transmitującego lustra oraz zasilacza, jak pokazano schematycznie na ryc. 14.26.
Rezonator lub wnęka optyczna lasera Nd: YAG składa się z lampy fluorescencyjnej, pręta laserowego, reflektora i lusterek. Pręt laserowy to granat itrowo-aluminiowy (YAG) składający się z izometrycznego kryształu Y 3 A 15 O 12 wszczepionego ostrożnie rozmieszczonymi 1% jonów neodymu (Nd). Ten kryształ został opracowany przez Geusica i innych w 1962 roku. Jego przewodność cieplna jest 10 razy większa od szkła. Ciągłe oscylacje są możliwe dzięki YAG.
Jony Nd 3+ tworzą ośrodek oscylacyjny, dając czteropoziomowe działanie laserowe typowe dla laserów na ciele stałym. Cztery poziomy energii oznaczone jako E 0 do E 3 i laserowe przejście jonów Nd 3+ pokazano na rys. 14.27. Nawet jeśli stężenie jonów Nd 3+ w krysztale wzrasta, widmo oscylującego światła nie staje się szerokie, ponieważ wartość i promień jonowy Nd 3+ nie różnią się zbytnio od Y 3+ .
Wśród laserów na ciele stałym, Nd: YAG jest obecnie najbardziej popularny do stosowania w spawaniu. Wcześniejsze lasery ruby były bardziej popularne, ale teraz laser Nd: YAG jest stosowany w przemyśle w szerszym zakresie ze względu na dobrą charakterystykę cieplną kryształów YAG. Rys. 14.28 pokazuje schematycznie podstawowe cechy urządzenia do spawania laserowego Nd: YAG.
Zasilanie lasera Nd: YAG generuje impulsy prądu o pożądanej amplitudzie i czasie trwania i zasila je w łuk elektryczny lub spiralną lampę błyskową. Pierwszy służy do oscylacji fali ciągłej (CW), a drugi fali świetlnej (PW). Pręt YAG i lampa wzbudzająca są zainstalowane we wnęce odbijającego lustra. Kształt wgłębienia jest eliptycznym cylindrem lub podwójną elipsoidą; niektóre typowe wgłębienia stosowane w praktyce pokazano na rys. 14.29.
Maksymalne światło jest wpompowywane do pręta laserowego za pomocą zespołu reflektora, co ekscytuje jony Nd w celu wytworzenia wiązki laserowej poprzez spontaniczną i stymulowaną emisję. Impulsowe wzbudzenie pręta laserowego powoduje generowanie impulsu światła laserowego o zasadniczo takim samym czasie trwania impulsu, jak impuls prądu z zasilacza. Chociaż opracowano również lasery Nd: YAG z ciągłym falowaniem, ale obecnie nie są one szeroko stosowane do spawania.
Możliwość sterowania do parametrów tętna prądu pozwala na kontrolę głębokości penetracji spoiny, profilu i wyglądu. Typowe czasy trwania impulsu dla lasera spawalniczego Nd: YAG wynoszą od 0, 5 do 20 msek, a częstotliwość powtarzania od 5 do 500 herców.
Średnica plamki wiązki laserowej i liczba f :
Średnice wiązki laserowej zwiększają się wraz z mocą lasera, na przykład lasery 1, 5, 10 i 25 kw mają średnicę wiązki odpowiednio 10, 25, 40 i 70 mm. Średnia gęstość mocy na średnicach jest rzędu 6 do 13 W / mm 2 ; rzeczywiste stężenie mocy rozdzielane zgodnie z trybem wiązki (patrz rys. 14.17 A). Do spawania dziurkami od klucza za pomocą wiązki laserowej wymagane są gęstości mocy rzędu od 10 3 do 10 5 W / mm 2, co wymaga skupienia wiązki laserowej w bardzo małym punkcie o zaledwie ułamku średnicy mm.
Skoncentrowana wielkość plamki jest określona przez średnicę wiązki laserowej, długość ogniskowej stosowanej optyki skupiania, tryb wiązki i kąt rozbieżności wiązki (Kąt rozbieżności jest kątem, pod którym prawie równoległa wiązka laserowa rozchodzi się po opuszczeniu lasera).
Lasery spawalnicze Nd: YAG mają na ogół większe kąty rozbieżności wiązki niż lasery CO2 i dlatego nie można ich skupić na bardzo małych rozmiarach plamki bez użycia kolimatora umieszczonego przed soczewką skupiającą (tj. Teleskop w odwrotnej kolejności).
Przybliżony skupiony rozmiar plamki dla tych laserów jest zwykle szacowany na podstawie następującego wzoru:
Skoncentrowana średnica plamki = 2θF ... (14.1)
gdzie,
θ = kąt rozbieżności (radian) wiązki laserowej opuszczającej laser lub kolimator,
F = długość ogniskowej (mm) używanej soczewki skupiającej.
Chociaż skoncentrowana średnica plamki jest ważnym parametrem, ale z praktycznego punktu widzenia, numer skupienia jest bardziej przydatny do ustalenia tolerancji warunków spawania, gdzie liczba f jest określona jako stosunek ogniskowej ogniskowej optyki (F) do średnicy wiązki laserowej ( D), czyli
Ostrość f liczba = F / D ... (14.7)
Średnicę padającej wiązki, ryc. 14.30, ustala się dla laserów Nd: YAG, wykonując odbitkę fotograficzną.
O ile prędkość spawania nie jest najważniejsza, najlepiej wybrać skupiony rozmiar plamki do spawania w oparciu o liczbę f 4 dla laserów Nd: YAG i 7, 5 dla laserów CO2.
Rozmiar ogniska, głębokość ostrości i pozycja ostrości:
Aby uzyskać wymaganą gęstość mocy do spawania dziurkami od klucza (od 10 3 do 10 5 W / mm 2 ), najważniejsza jest selekcja i konserwacja skoncentrowanego rozmiaru plamki. Wymaga to odpowiedniego wyboru optyki ustawiania ostrości, która określa rozmiar obszaru ostrości.
Kiedy światło jest skupione, promienie zbiegają się do bardzo małej średnicy tali i długości L, ryc. 14.30, zanim znów się rozejdą. Dokładna minimalna średnica i długość tali zależy od rodzaju optyki; jego ogniskowa, F; średnica wiązki, D, padająca na optykę, niezależnie od tego, czy padająca wiązka jest zbieżna czy rozbieżna; numer TEM wiązki; długość fali światła i moc lasera.
Gazy osłonowe :
Gaz osłonowy jest używany do spawania laserowego w celu ochrony stopionego metalu przed utlenianiem i do ochrony transmisji wiązki laserowej, gdy skupia się na pracy, która zapewnia dobrą penetrację poprzez zminimalizowanie rozszerzalności i rozproszenia wiązki, które mogą być spowodowane przez pary i gazy wokół otworu klucza spawu.
Powszechnymi gazami osłonowymi stosowanymi do spawania laserowego są argon, CO2, hel i OFN (beztlenowy azot). Dość często jednak zadowalające pojedyncze zgrzeiny można wykonać za pomocą lasera Nd: YAG bez gazu osłonowego, ponieważ spoina jest topiona przez zbyt krótki czas, aby spowodować uszkodzenie oksydacyjne.
Jednak przy wykonywaniu ciągłych spoin lub spoin doczołowych z zachodzącymi na siebie punktami Ar lub OFN jest zwykle stosowany w laserach o mocy znamionowej do 300 W. Powyżej tego poziomu mocy osłona gazowa staje się bardziej krytyczna i może wpływać na głębokość i wygląd penetracji.
W przypadku laserów Nd: YAG działających w zakresie mocy 1 kW problem kontroli penetracji został przezwyciężony poprzez użycie Ar + 20% CO2 lub Ar + (1-2)% O 2 jako gazu osłonowego, jednak niewielkie utlenianie metal spoiny może być przez nie spowodowany. Hel może być również używany z laserem Nd: YAG, ale ma podobno powodować większą porowatość spoiny niż przy użyciu OFN.
Wymagany przepływ gazu zależy głównie od mocy lasera. Na przykład gaz o małej szybkości od 10 do 20 litrów na minutę wystarczy w przypadku lasera o mocy do 3 kW Przy stosowaniu prawidłowo umieszczonego urządzenia do współosiowego lub bocznego urządzenia osłonowego W przypadku mocy od 3 do 5 kW Zalecane jest 30 litrów / min, a dla tych o mocy od 5 do 10 kW od 25 do 40 litrów / min.
Urządzenia do ekranowania gazu:
W przypadku spawania laserowego Nd: YAG zwykle stosuje się proste urządzenie z boczną rurką, jak pokazano na rys. 14.31, zwłaszcza tam, gdzie wymagane są precyzyjne miejsca zgrzewania punktowego. Dzieje się tak, ponieważ boczna rura zapewnia dobry wizualny dostęp do obszaru docelowego zgrzeiny punktowej.
Podczas wykonywania spoin ciągłych i doczołowych osłona pierścieniowa osłony współosiowo z wiązką laserową, pokazana na Rys. 14.32, zapewnia niezawodną ochronę spoiny. Współosiowe urządzenie osłony dyszy, pokazane na fig. 14.33, jest jednak bardziej praktyczne, gdy pistolet laserowy jest manipulowany przez robota. Zapewnia również szkiełko nakrywkowe z pewnym zabezpieczeniem przed ewentualnym odpryskem spawalniczym, ponieważ siła współosiowego strumienia gazu częściowo przeciwstawi się jakimkolwiek cząsteczkom poruszającym się po ścieżce wiązki.
Ustalanie warunków dla laserów Nd: YAG:
Spawanie za pomocą dziurki od klucza zwykle nie jest możliwe w przypadku laserów Nd: YAG o mocy wyjściowej poniżej 500 W. Przy niskich średnich mocach (400 W) i związanym z nimi taktowaniu impulsów o długości 4-8 m, głębokość penetracji jest zwykle ograniczona do średnicy plamki, która jest rzędu 0, 5-1 mm.
Lasery Nd: YAG o dużej mocy (> 800 W) z czasem trwania impulsu wynoszącym np. 2 m i wysoką częstotliwością powtarzania impulsów wynoszącą 500 Hz mogą wytwarzać dziurki typu "dziurka" o wysokim współczynniku kształtu o głębokości lo. Jednak przy tym poziomie mocy głębsze spoiny o zmniejszonym współczynniku kształtu byłyby osiągane przy dłuższych długościach impulsu i częstotliwościach powtarzania powyżej 25 Hz. Istnieje tendencja do tworzenia kształtu spoiny, która występuje, gdy szerokość impulsu i częstotliwość powtarzania są regulowane w odniesieniu do mocy lasera, jak pokazano na Fig. 14.34.
Zgłoszono, że spoinę ciągłą o głębokości 0, 5 mm można uzyskać przy prędkości spawania większej niż 3 m / min. przy częstotliwości powtarzania impulsu 500 Hz przy użyciu średniej mocy 1 KW. Aby wykonywać głębokie i wąskie spoiny przy dużych prędkościach, wymagane są krótkie szerokości impulsów. Należy jednak zachować ostrożność podczas stosowania krótkich impulsów (<1 m patrz) i wysokiej mocy (np. 1 kW), ponieważ podcięcie może wystąpić w wyniku nadmiernego parowania i wyrzucania materiału.
Konfiguracja połączenia :
Oprócz połączeń pokazanych na rys. 14.21, spawanie laserowe Nd: YAG można zastosować do większości podstawowych konfiguracji połączeń w płytach i rurach, jak pokazano na rys. 14.35, natomiast rys. 14.36 pokazuje podstawowe połączenia blachy, które mogą być laserowe spawane.
Rys. 14.36 Podstawowe konfiguracje połączeń blachy, które mogą być spawane laserowo
Niektóre typowe konfiguracje połączeń, które wspomagają wiązkę laserową w dostępie do złącza i lokalizacji części, pokazano na ryc. 14.37; są one praktyczne w przypadku inżynierii o grubości 3 mm lub większej. Takie złącza nadają się do precyzyjnego wyposażenia i produkcji obrabiarek i jeśli są starannie naniesione, wraz z niskimi zniekształceniami oferowanymi przez spawanie laserowe, mogą utrzymać naddatek na obróbkę po spawaniu do minimum.
Wydajność sprzętu:
Jest możliwe, że wnęka laserowa z uszkodzeniem ośrodka optycznego lub lasera może wytworzyć wymaganą moc lasera, ale z zniekształconą lub inną strukturą trybu wiązki, co wpływa na rozmiar plamki ogniskowej, a w konsekwencji na gęstość mocy spawania. Starzenie się lamp błyskowych Nd: YAG może stworzyć taki problem.
Analizatory wiązki laserowej służą do badania przekroju wiązek laserowych i ich struktur modowych. Takie urządzenie może być stosowane do sprawdzania charakterystyki wiązki podczas operacji zgrzewania, a zatem zapewnia sposób zapewnienia jakości w odniesieniu do wiązki laserowej. Niektóre analizatory wyświetlają tylko dwuwymiarowy obraz profilu belki, jednak nowsze analizatory mają możliwość wyświetlania za pomocą grafiki komputerowej trójwymiarowego obrazu izometrycznego, jak pokazano na rys. 14.38.
Manipulacja wiązką laserową:
Laser Nd: YAG jest bardzo wszechstronny w zakresie manipulacji wiązką, a także gdy jeden laser jest wymagany do pracy na wielu stanowiskach pracy. Wynika to z faktu, że długość fali krótkiej wynosząca 1, 06 mm od lasera Nd: YAG może być transmitowana przez światłowód z bardzo małą stratą mocy. Zdolność ta oznacza, że wiązka lasera może przemieszczać się bezpośrednio z jednostki laserowej przez elastyczny kabel do pistoletu laserowego zamontowanego na przegubowym ramieniu robota, rys. 14.39, bez znaczącej utraty mocy.
Dzięki temu laser Nd: YAG idealnie nadaje się do automatyzacji produkcji. Co więcej, laser może być umieszczony w pewnej odległości od linii produkcyjnej i wiązki laserowej do niego doprowadzonej. Jeden laser może obsługiwać wiele stanowisk roboczych do przełączania wiązki laserowej ze stacji na stację, podczas gdy spawanie na jednej stacji, częściowe ładowanie i rozładowywanie samochodu odbywa się na innych stacjach. Z drugiej strony kilka bardzo różnych stacji może współdzielić jeden laser.
Wielotrybowa wiązka z lasera Nd: YAG może zostać podzielona, rys. 14.40 (a), poprzez wstawienie schodkowych belek składających wiązki do i wzdłuż ścieżki belki. W ten sposób system podziału belki, w połączeniu z systemem dostarczania wiązki włókien optycznych, może wykonać kilka spoin jednocześnie na jednym lub wielu stanowiskach roboczych. Alternatywnie, wiązkę można kolejno przełączać, 14.40 (b), do różnych punktów, często do 30 metrów.
Istnieją przemysłowe systemy zgrzewania punktowego, w których wiązka jest przełączana między ośmioma stacjami roboczymi z prędkością 40 razy na sekundę. Tam, gdzie wiązka laserowa Nd: YAG jest dzielona, nieparzysty kształt każdego przekroju jest homogenizowany w postaci ogniskowej, transmitując ją przez światłowód.
Systemy wiązki światłowodowej są zdecydowanie najprostsze i wszechstronne. Materiał światłowodowy to SiO2 (kwarc) i generalnie ma mniej niż 1 mm średnicy.
Aby uzyskać maksymalną wydajność transmisji wiązki, końce włókien muszą być wysoce wypolerowane i idealnie kwadratowe i koncentryczne z osią optyczną soczewek umieszczonych na każdym końcu włókna. Ponadto pozycja ogniskowania wiązki przychodzącej musi być precyzyjna w stosunku do końca światłowodu.
Wydajność transmisji wiązki jest również pogorszona, jeśli włókno zostanie zbyt mocno zgięte. Włókno SiO2 o średnicy 0, 5 mm ma dopuszczalny promień gięcia wynoszący w przybliżeniu 100 mm przed pogorszeniem wydajności, natomiast dla włókna o średnicy 1 mm bezpieczny promień jest co najmniej dwa razy większy. Ogólnie całkowita strata mocy lasera dla lasera Nd: YAG i systemu światłowodowego wynosi nie więcej niż 10-15%.
Zespoły światłowodów wykorzystywane do przesyłania mocy spawania laserowego są celowe i różnią się od tych stosowanych w elektronice. Te stosowane do spawania są chronione przez solidne i solidne poszycie, które obejmuje elastyczną stalową rurkę i nylonową osłonę, jak pokazano na Rys. 14.41. Chociaż środki te odpowiednio chronią światłowód, ich główną funkcją jest przeciwstawianie się przypadkowemu uszkodzeniu przemysłowemu, które może spowodować pęknięcie i umożliwić ucieczkę światła laserowego, co może prowadzić do niebezpiecznych konsekwencji.
Zagrożenie laserowe:
Nieostra wiązka laserowa, która ucieka przypadkowo ze ścieżki transmisji wiązki, może pokonać kilkaset metrów w powietrzu, zanim rozwinie się na tyle, by być bezpiecznym. Jeśli, z drugiej strony, skupiona wiązka spada przypadkowo na skórę, może powodować bardzo głębokie oparzenia, a nawet poważne oparzenia. Jednak skupiona wiązka rozszerza się znacznie szybciej poza punkt skupienia, osiągając ogólnie bezpieczną średnicę po kilku metrach.
Dokładna odległość zależy od ostrości f liczby; im niższa liczba, tym większa szybkość rozszerzania się wiązki. Zagrożenie może również powstać w wyniku odbicia skupionej wiązki od powierzchni przedmiotu obrabianego, zwłaszcza gdy wiązka padająca jest nachylona do przedmiotu obrabianego pod kątem mniejszym niż 70 °.
Ponieważ światło lasera z lasera Nd: YAG lub CO 2 jest niewidoczne dla ludzkiego oka i porusza się z bardzo dużą prędkością około 300 000 km / s, dlatego każda uciekająca odbita wiązka laserowa uderzy natychmiast, każdy, kto znajdzie się na jego drodze, powodując poważne oparzenia skóry. Nieskrępowana wiązka laserowa dużej mocy o średnicy kilku milimetrów, jeśli incydent na ciele może go zniszczyć przez całe życie.
Światło lasera z lasera Nd: YAG o długości fali 1, 06 pm jest szczególnie niebezpieczne dla oczu, ponieważ soczewka w oku może skupić tę długość fali w bardzo małym miejscu na siatkówce i spowodować poważne oparzenia oczu. Niestety, siatkówka nie rejestruje bólu spowodowanego przez takie martwe punkty, dlatego uszkodzenia spowodowane przez oko mogą nie zostać natychmiast zrealizowane. Dlatego regularne badania wzroku u personelu laserowego powinny być obowiązkowe, aby wykryć taką szkodę najwcześniej.
Oprócz uszkodzenia osoby, uciekające światło lasera może rozpalić ogień i łatwo stopić orurowanie i osłony kabli, a tym samym prowadzić do innych niepożądanych niebezpiecznych sytuacji, wpływając na bezpieczną pracę innych roślin. Należy pamiętać, że nieostry promień lasera z wielotaktowego lasera, o ile zostanie podany, z łatwością spali się na stalowych płytach, a nawet cegłach ogniotrwałych.
Ponieważ szkło i akryl są przezroczyste dla wiązki laserowej o długości fali 1, 06 pm z lasera Nd: YAG, materiały te nie powinny być używane do wystawiania okien, chyba że są pokryte specjalnymi powłokami absorbującymi.
Ze względu na wysokie ryzyko poważnego uszkodzenia wzroku z lasera Nd: YAG, zamiast okna obserwacyjnego, system telewizji przemysłowej najlepiej nadaje się do oglądania operacji spawania; przy użyciu właściwej kamery i filtrów obserwacje z bliska mogą być wykonane z absolutnym bezpieczeństwem.
