Diagram över koldioxidlaser

Denna artikel ger schematiska diagram över koldioxid (CO 2 ) lasrar.

Den mest användbara industriella lasern för svetsning och skärning är CO 2 -lasern, i vilken lödmediet är en blandning av koldioxid, kväve och helium i ett typiskt förhållande av 1: 1: 10 vid ett tryck av 20-10 torr med en elektrisk urladdning av 10-30 000 volt.

CO 2 -lasern kan ha antingen ett förseglat rör av gas eller flytande gas i röret. Den flytande gasprincipen ökar effekten med cirka 3 gånger den för den förseglade rörtypen av lasermaterial. CO 2 -lasern kan användas både i pulserande eller kontinuerliga våglägen och har utvecklats för att leverera produktionen varierande från några hundra watt till mer än 20 kW. Den framställda laserstrålen är i ett långt infraröd område av spektret vid en våglängd av ca 10, 6 μm (106000 Å).

Gasflöde i en CO 2 -laser kan ligga längs laserstrålens axel eller tvärgående mot ett driftstryck på 80 torr eller mindre, även om pulserad CO 2- laserstråle har producerats vid atmosfärstryck. Med båda typerna av gasflöde används en helt reflekterande spegel i ena änden och en partiell sändning, för en våglängd av 10, 6 μm, i den andra änden för att fungera som ett utmatningsfönster. Belagt halvledarmaterial som zink selenid (ZnSe) används som utgångsfönster för CO 2 -laser med upp till flera kilowattutgångar. Sådana material utbrändes dock vid högre effektnivåer och sålunda används en ringformig metallspegel för att underlätta överföring.

Ett schematiskt diagram över en 150 watt CO2-laser visas i figur 14.22.

De förblandade gaserna matas kontinuerligt in i röret som bildar laserkaviteten. Utmatningsröret är vattenkyld och en DC-potential av ca 10 KV upprätthålls mellan elektroderna. Vid varje ände av urladdningsröret är en justerbar spegel fäst genom en flexibel bälg till röret. En spegel bestående av guld avsatt på pyrex eller rostfritt stål reflekterar helt vid 10-6 μm medan spegeln som bildar utmatningsfönstret har en dielektrisk beläggning avsatt på ett germaniumsubstrat.

För högkvalitativa CO2-lasrar består urladdningsröret av ett antal rör placerade i parallell konfiguration med arrangemang för optisk vikning av ljus genom fram och tillbaka reflektioner. De långsamma axialflödeslasrarna kan producera en maximal effekt på cirka 500 watt, eftersom 75-90% av urladdningsenergin släpps ut i gasen vilket resulterar i överhettning och sönderdelning med följdfallet i utmatningen.

För högre utmatning drivs gasen genom laserröret med hög hastighet av en fläkt; detta minskar värmeförlusten till väggarna till en försumbar mängd. Medan en långsam axialflödeslaser kommer att leverera cirka 50-70 watt per meter laserhålighet, kan den snabba axialflödeslasern generera upp till 600 watt per meter.

Gaslaserdrift:

I en koldioxidlaser är CO 2 -molekylerna vibrerande upphetsade av en elektrisk urladdning över laserkaviteten. Den direkta vibrationella exciteringen av CO 2 genom en elektrisk urladdning är ineffektivt. N 2 accepterar emellertid energi effektivt från urladdningen och vibrationella energinivåer av N 2- molekyler och några av dessa CO 2 -molekyler är mycket nära. Därför läggs N 2 till CO 2, och CO 2 är därför upphetsad genom resonansutbyte med N 2 . Denna tvåstegsprocess är mycket snabbare och effektivare än processen med direkt excitation av CO 2 .

Övergång från det övre vibrationsenergi till mellannivå åtföljs av utsläpp av en foton med en karakteristisk våglängd på 10-6 μm i strålningsspektrumets infraröda zon. CO 2 -molekyler vid den mellanliggande energinivån måste återgå till marknivå för att slutföra processen.

Detta uppnås snabbt genom att tillsätta helium till CO 2 -N 2- blandningen; eftersom kollision mellan CO 2 -molekyler och He resulterar i överföring av återstående exciteringsenergi till helium. Denna energi avlägsnas sedan som spillvärme. Processen för laserutsläpp genom fallet CO 2 och N 2 genom olika energinivåer visas i figur 14.23.

Liksom i solid-state lasrar kan gaslasrarna också fungera endast genom att etablera tillståndet för populationsinversion som åstadkommes genom högspänningsljusutmatning. Men glödladdning resulterar i instabilitet vid nuvarande nivåer över 300 mA och om glödladdningen ändras till ljusbågsutlopp, fastställs termodynamiska förhållanden och lasing kan inte uppstå.

Detta kan förhindras i högkraftsystem genom hjälpjonisering genom användning av radiofrekvent elektrisk kraft vid högspänning. Däremot arbetar dagens högkvalitativa CO2-lasrar enbart med en likströmssladdning utan användning av extrajoniseringen.

Elektriska exciterade CO 2 -lasrar med hög effekt på upp till 20 KW kontinuerlig utgång med en effektivitet på 10-15% kyls konvektivt; snabbt flöde av gaser används för att avlägsna värmen från laserhålan. För att minimera driftskostnaderna används en gas-till-vätskeformig värmeväxlare och lasergaserna återcirkuleras i systemet som visas för en axiell flödes-CO 2 -laser i fig 14.24. Endast en liten mängd gas förbrukas på grund av behovet av kontinuerligt avlägsnande och påfyllning av en liten mängd av lasergasblandningen för att förhindra uppbyggnad av föroreningar som alstras genom dissociation av CO2 och N2 i de elektriska urladdningarna.

CO 2 lasrar kan fungera både i pulserande våg (PW) och kontinuerliga våg (CW) lägen.

Pulserad kraft:

Med pulserad strål laser bestäms svetspenetrationen av pulsenergi och varaktighet. Penetration ökar med ökad puls energi och varaktighet. Pulsvärdet måste vara tillräckligt lång för att möjliggöra ledning och smältning till önskat djup. Eftersom strålkraften styrs av pulsenergi och varaktighet styrs energitätheten på arbetsytan genom att fokusera optiken.

Penetration i pulsstrålesvetsning styrs också av materialegenskaper. För en given pulsenergi och -varaktighet, högre värmer diffusiviteten sjunker penetreringen. Hög effekt laserstråle, det vill säga en stråle med hög pulsenergi och kort pulsvaraktighet, är lämplig för sådana material med hög termisk diffusivitet och omvänd är sant för material med låg termisk diffusivitet.

Maximal penetration som uppnås med nuvarande pulserad solid state laser är endast ca 1-5 mm och sålunda kan förfarandet användas effektivt för endast ljusmätningsmaterial. Förhållandet mellan processvariabler för pulserande lasrar med låg kapacitet, när de används för svetsning av rostfritt stål, titan och aluminium, presenteras i grafisk form i figur 14.25.

CO 2 lasrar finns tillgängliga som kan producera pulstoppar på 3 KW vid frekvens upp till 2-5 KHz från en nominell 500 watt genomsnittlig effektenhet.

Kontinuerlig kraft:

Kontinuerlig effektlaser erhålls från gaslasrar. Sådana lasrar med låg effekt kan användas för konventionell typ ledningsbaserad penetrering medan nyckelhål penetreringsmetod endast kan erhållas med högeffektslasrar - vid en svetshastighet på mer än 40 cm / min. En penetration på ca 20 mm i legerat stål kan erhållas med en 15 KW kontinuerlig strål-CO 2 -laser. Tungare sektioner kan svetsas i två pass, en från varje sida.

I högkraftslaser finns det en möjlighet att jonisera metalldampen, vilket kan leda till bildandet av plasma över arbetsstyckets yta som kan absorbera laserstrålen med följdminskning i penetrationsdjupet. Detta undviks vanligen genom att göra heliumgasflödet över platsen för att svepa joner som orsakar plasmadannelsen.

Gaslasrarna som används för svetsning är för närvarande alla 10, 6 anslutna våglängdskollaser eftersom de har visat sig vara mest effektiva och producerar högsta effekt. Men Nd: YAG-laser med sina specifika egenskaper är för närvarande den mest använda industriella lasern som används för svetsning.