Struktur av Nd: YAG Laser (med diagram)
Efter att ha läst den här artikeln kommer du att lära dig om strukturen hos Nd: YAG laser med hjälp av lämpliga diagram.
En Nd: YAG-laser består av en resonator, reflekterande och sändande speglar och en strömförsörjningsenhet, såsom visas schematiskt i fig 14.26.
Resonatorn eller optiska kaviteten i Nd: YAG-lasern består av en flamplampa, laserstång, reflektor och speglar. Lasarstången är en Yttrium aluminium granat (YAG) bestående av Y 3 A 15 O 12 isometrisk kristall implanterad med noggrant fördelade 1% neodymium (Nd) joner. Denna kristall utvecklades av Geusic et al 1962. Dess värmeledningsförmåga är 10 gånger den hos glas. Kontinuerlig svängning är möjlig med YAG.
Nd3 + -jonerna bildar det oscillerande mediet för att ge lasernivåverkan på fyra nivåer typiska i solid state-lasrar. De fyra energinivåerna betecknade E0 till E3 och en laserövergång av Nd3 + joner visas i figur 14.27. Även om koncentrationen av Nd 3+ joner i kristall ökar, blir spektrumet hos det oscillerande ljuset inte brett, eftersom valens- och jonradiusen för Nd 3+ inte skiljer sig mycket från de av Y 3+ .
Bland de solid-state lasrarna är Nd: YAG nu mest populär för användning vid svetsning. Tidigare rubinlaser var mer populära men nu används Nd: YAG-laser i större utsträckning inom industrin på grund av goda termiska egenskaper hos YAG-kristaller. Fig. 14.28 visar schematiskt de väsentliga dragen hos en Nd: YAG lasersvetsenhet.
Strömförsörjningen i Nd: YAG-laserenheten genererar nuvarande pulser med önskad amplitud och varaktighet och matar dem in i en ljusbågslampa eller en spiral-blixtlampa. Den tidigare används för oscillerande kontinuerlig våg (CW) och den senare för pulserad våg (PW) -ljus. YAG-stången och excitationslampan installeras i hålrummet i en reflekterande spegel. Hålrummets form är en elliptisk cylinder eller en dubbel ellipsoid; några typiska håligheter som används i praktiken visas i fig 14.29.
Maximal ljus pumpas in i laserstången med hjälp av reflektormontering och spänner sålunda Nd-joner för att producera laserstråle genom spontan och stimulerad emission. Den pulserade exciteringen av laserstången resulterar i alstring av en puls av laserljus väsentligen av samma pulsvaraktighet som strömpulsen från strömförsörjningen. Även om kontinuerliga våg Nd: YAG-lasrar också har utvecklats men redan finns används inte allmänt för svetsning.
Möjligheten att styra till nuvarande pulsparametrar möjliggör kontroll av svetsdjup, djup och profil. Typiska pulsvaraktigheter för ett Nd: YAG-svetslaserområde från 0, 5 till 20 m sek och repetitionshastigheten från 5 till 500 hertz.
Laser Beam Spot Diameter och f Number :
Laserutmatningsstråldiametrarna ökar med laserns effektvärde, till exempel 1, 5, 10 och 25 kw lasrar har stråldiametrar i storleksordningen 10, 25, 40 respektive 70 mm. Den genomsnittliga effektdensiteten över diametrarna är i storleksordningen 6 till 13 W / mm 2 ; den faktiska koncentrationen av effekt fördelas i enlighet med strålningsläget (se fig 14.17 A). För nyckelhålsvetsning med laserstrålekraftdensiteter i storleksordningen 10 3 till 10 är 5 W / mm 2 nödvändiga för att fokusera laserstrålen till en mycket liten punkt med endast en bråkdel av mm i diameter.
Den fokuserade punktstorleken bestäms av laserstråldiametrarna, brännvidden för fokuseringsoptiken som används, strålningsläget och stråldivergensvinkeln (Divergensvinkeln är den vinkel vid vilken den nästan parallella laserstrålen sprider sig när den lämnar lasern).
Nd: YAG-svetslaser har i allmänhet större stråldiveringsvinklar än CO 2 -lasrar och kan därför inte fokuseras på mycket små fläckstorlekar utan att använda en kollimator placerad före fokuseringslinsen (dvs ett teleskop i omvända).
Den ungefärliga fokuserade punktstorleken för dessa lasrar beräknas vanligtvis från följande formel:
Fokuserad punktdiameter = 2θF ... (14, 1)
var,
θ = laserstrålens divergensvinkel (radianer) när den lämnar lasern eller kollimatorn,
F = brännvidden (mm) för den använda fokuseringslinsen.
Även om fokuserad punktdiameter är en viktig parameter, men från en praktisk standpunkt är fokuseringsnumret mer användbart för att fastställa toleranta svetsförhållanden där f-tal definieras som ett förhållande mellan fokuseringsoptikens (F) brännvidd till laserstråldiametern ( D), dvs
Fokus f nummer = F / D ... (14.7)
Den infallande stråldiametern, fig. 14.30, etableras för Nd: YAG-lasrar genom att ta ett fotografiskt tryck.
Om inte svetshastigheten är avgörande är det bäst att välja den fokuserade punktstorleken för svetsning baserat på f antal 4 för Nd: YAG lasrar och 7, 5 för CO 2 lasrar.
Fokuserad punktstorlek, fokusfokus och fokusposition:
För att uppnå den önskade effektdensiteten för nyckelhålsvetsning (10 3 till 10 5 W / mm 2 ) är val och underhåll av den fokuserade punktstorleken viktigast. Detta förutsätter korrekt val av fokuseringsoptik som bestämmer fokuspunktstorleken.
När ljuset är inriktat, konvergerar strålarna till en mycket liten midjediameter, d och längd, L, Fig. 14.30, innan de avviker igen. Den exakta minsta midjediametern och längden som uppnås beror på typen av optik; dess brännvidd, F; stråldiametern, D, som inträffar på optiken, huruvida den infallande strålen är konvergerande eller divergerande; strålen TEM nummer; ljusvåglängden och laserkraften.
Sköldgaser :
En skärmgas används vid lasersvetsning för att skydda den smälta metallen från oxidation och för att skydda överföringen av laserstrålen när det gäller att fokusera på arbetet som säkerställer god penetration genom att minimera strålens expansion och spridning som kan vara orsakad av ångor och gaser runt svets nyckelhålet.
De gemensamma avskärmningsgaserna som används för lasersvetsning är argon, CO 2, helium och OFN (syrefritt kväve). Oftast kan emellertid tillfredsställande enpunktsvetsar tillverkas med Nd: YAG-laser utan skyddsgas alls, eftersom svetsen är smält för kort tid en gång för att orsaka oxiderande skada på resultatet.
Men när man gör en kontinuerlig söm- eller strumsvetsning med överlappande fläckar, används Ar eller OFN generellt för lasrar upp till 300 W. Ovanför den här effektnivån blir gasskärmning mer kritisk och kan påverka penetrationsdjupet och utseendet.
För Nd: YAG lasrar som arbetar i effektområdet 1 kW övervinns problemet med penetrationskontroll genom användning av Ar + 20% CO2 eller Ar + (1-2)% O2 som avskärmningsgas, men liten oxidation av svetsmetall kan orsakas av dem. Helium kan också användas med Nd: YAG laser, men det rapporteras orsaka mer svetsporositet än med användning av OFN.
Den nödvändiga gasflödeshastigheten är huvudsakligen beroende av laserkraften. Till exempel kan en gas (låg hastighet av 10 till 20 liter / min) räcka för en laser upp till 3 kW kapacitet. Vid användning av en korrekt placerad koaxial- eller sidrörsskärmningsenhet. Vid kraftar från 3 till 5 kW, satsar 15- 30 lit / min, och för de mellan 5 och 10 kW hastigheter av 25 till 40 lit / min rekommenderas.
Gasskyddsanordningar:
För Nd: YAG-lasersvetsning används en enkel sidoslangavskärmningsanordning, såsom visas i figur 14.31, i allmänhet, speciellt där precisionsplacerade punktsvetsar krävs. Detta beror på att sidröret ger god visuell åtkomst till målområdet för punktsvetsen.
Vid utförande av kontinuerliga söms- och stavsvetsar ger en ringformad kjolsköld samaxiell med laserstrålen, som visas i figur 14.32, ett tillförlitligt svetsskydd. Den koaxiella munstycksskärmningsanordningen, som visas i Fig. 14.33, är emellertid mer praktisk där laserpistolen manipuleras av en robot. Det ger också optisk täckglas med lite skydd mot eventuell svetsspatter eftersom kraften hos den koaxiella gasströmmen delvis kommer att motsätta sig några partiklar som reser upp mot strålbanan.
Upprättande av villkor för Nd: YAG Lasers:
Nyckelhålsvetsning är vanligtvis inte möjlig med Nd: YAG-lasrar med utgångseffekt under 500 W. Vid låga genomsnittliga krafter (400W) och den relaterade pulstidningen på 4-8 m sek, är penetrationsdjupet vanligtvis begränsat till storleken av punktdiametern som är av storleksordningen 0, 5-1 mm.
Den höga effekten (> 800 W) Nd: YAG-lasrar med pulstid på sikt 2 m se och hög pulsrepetitionsfrekvens på 500 Hz kan producera nyckelhålstypsvetsar med högt bildförhållande djup lo bredd. Vid denna effektnivå skulle emellertid djupare svetsar med minskat bildförhållande uppnås vid längre pulslängder och repetitionshastigheter över 25 Hz. Det finns en trend i svetsformbildning som uppträder som pulsbredd och repetitionshastigheten justeras i förhållande till laserkraften, såsom visas i fig 14.34.
Det rapporteras att en kontinuerlig svetsning med 0, 5 mm djup kan uppnås vid en svetshastighet på mer än 3 m / min. vid en pulsrepetitionshastighet på 500 Hz vid användning av en genomsnittlig effekt på 1 KW. För att göra djupa och smala svetsar vid höga hastigheter krävs korta pulsbredder. Dock bör man ta hand om korta pulser (<1 m se) och hög effekt (säg 1 kW) eftersom svetsunderlag kan uppstå genom överdriven förångning och materialutmatning.
Gemensam konfiguration :
Förutom lederna som visas i figur 14.21 kan Nd: YAG-lasersvetsning appliceras på de flesta av de grundläggande fogkonfigurationerna i plattor och rör, såsom visas i figur 14.35 medan figur 14.36 visar de grundläggande plåtfogar som kan vara laser svetsas.
Fig. 14.36 De grundläggande plattformskonfigurationerna som kan lasersvetsas
Vissa typiska gemensamma konfigurationer som hjälper laserstråle till gemensam åtkomst och dellokation visas i fig 14.37; Dessa är praktiska för att konstruera i tjocklek 3 mm eller mer. Sådana leder leder till precisionsutrustning och maskinverktygstillverkning och kan, om de tillämpas noggrant, tillsammans med den låga snedvridningen som erbjuds av lasersvetsning, hålla minimal svetsning efter svetsning.
Utrustning prestanda:
Det är möjligt att ett laserhålrum med ett optiskt eller lassmediumfel kan producera den erforderliga laserkraften men med en förvrängd eller annan strålmodusstruktur, vilket på så sätt påverkar fokuspunktstorleken och följaktligen svetskraftsdensiteten. Åldrande av Nd: YAG-blixtlampor kan skapa ett sådant problem.
Laserstråleanalysatorer används för att undersöka tvärsnittsformen hos laserstrålarna och deras lägesstrukturer. En sådan anordning kan användas för att kontrollera strålegenskaper under svetsoperationen och åstadkomma sålunda en metod för kvalitetssäkring med avseende på laserstrålen. Vissa analysatorer visar endast tvådimensionell bild av strålprofilen, men senare analysatorer har förmågan att med hjälp av datorgrafik visa tredimensionell isometrisk bild, som visas i figur 14.38.
Laser Beam Manipulation:
Nd: YAG laser är mycket mångsidig när det gäller strålmanipulation och även när en laser behövs för att arbeta flera arbetsstationer. Detta beror på det faktum att kortvåglängden 1, 06 mm från Nd: YAG-lasern kan överföras via en fiberoptik med mycket liten strömförlust. Denna förmåga innebär att laserstrålen kan röra sig direkt från laserenheten via en flexibel kabel till en laserpistol monterad på en ledad handled av en robotarm, fig 14.39, utan en betydande strömförlust.
Detta gör Nd: YAG laser idealisk för produktionsautomatisering. Dessutom kan lasern placeras något avstånd från produktionslinjen och laserstrålen pipas till den. En laser kan styra flera arbetsstationer för att byta laserstråle från station till station, medan svetsning av en station, lastning och lossning av bil sker på andra stationer. Å andra sidan kan flera mycket olika stationer dela en laser med tiden.
Flerlägesstrålen från en Nd: YAG-laser kan delas, fig. 14.40 (a), genom att sätta in spjutspeglar med spjällstrålar i och över strålbanan. Sålunda kan stråldelningssystemet i kombination med ett fiberoptisk strålleveranssystem göra flera svetsar samtidigt vid en eller flera arbetsstationer. Alternativt kan strålen sekventiellt bytas, 14.40 (b), till olika punkter, ofta upp till 30 m bort.
Det finns industriella mikropunktssvetssystem där strålen byts mellan åtta arbetsstationer upp till 40 gånger per sekund. När Nd: YAG-laserstrålen är uppdelad, homogeniseras den udda formen av varje tvärsnitt i en fokuserbar form genom att sända den genom fiberoptik.
Fiberoptiska strålleveranssystem är överlägset enklaste och mångsidiga. Det optiska fibermaterialet är Si02 (kvarts) och är vanligtvis mindre än 1 mm i diameter.
För maximal strålöverföringseffektivitet måste fiberändarna vara mycket polerade och perfekt kvadratiska och koncentriska med linsens optiska axel positionerad vid varje ände av fibern. Vidare måste fokusinställningen för den inkommande strålen vara exakt i förhållande till fiberns ände.
Beamöverföringseffektiviteten är också försämrad om fibern är böjd för hårt. En SiO 2- fiber med en diameter på 0, 5 mm har en tillåten böjningsradie på ungefär 100 mm innan effektiviteten försämras, medan den säkra raden för en 1 mm diameter är minst dubbelt så stor. Generellt är den totala förlusten av laserkraft för ett Nd: YAG laser och fiberoptisk system inte mer än 10-15%.
De optiska fiberaggregaten som används för att överföra lasersvetskrafter är avsedda och helt olika än de som används i elektronik. De som används för svetsning är skyddade av väsentlig och robust mantel, som inkluderar ett flexibelt stålrör och nylonjacka, som visas i figur 14.41. Även om dessa åtgärder på ett adekvat sätt skyddar den optiska fibern, är deras huvudsakliga funktion att motstå oavsiktlig industriell skada som kan orsaka sprickor och låta laserljus fly från vilket kan leda till farliga konsekvenser.
Laserskador:
En ofokuserad laserstråle som släpps av misstag från strålväxeln kan resa flera hundra meter i luften innan den kommer att expandera tillräckligt för att vara säker. Om å andra sidan en fokuserad stråle faller förhoppningsvis på huden kan det orsaka mycket djupa brännskador eller till och med allvarliga brännskador. En fokuserad stråle expanderar dock mycket snabbare bortom fokuspunkten, som i allmänhet når en säker diameter efter några meter.
Det exakta avståndet beror på fokusf-talet; ju lägre antal desto större är strålans expansionshastighet. En fara kan också uppstå på grund av reflektion av en fokuserad stråle från arbetsstyckets yta, särskilt om den infallande strålen är lutad mot arbetsstycket i en vinkel på mindre än 70 °.
Eftersom laserljuset från Nd: YAG eller CO 2 -lasern är osynlig för det mänskliga ögat och det färdas med extremt hög hastighet på cirka 300 000 km / s, kommer all strömlös strålkastare att träffa omedelbart någon i sin väg som orsakar allvarliga hudförbränningar. En icke-fokuserad laserstråle med hög effekt på flera mm i diameter om det skulle hända att det skulle vara ett liv på kroppen.
Laserljus från Nd: YAG-laser med en våglängd på 1, 06 är särskilt farligt för ögat, eftersom linsen i ögat kan fokusera denna våglängd till en mycket liten plats i näthinnan och orsaka allvarliga ögonbrott. Tyvärr kan näthinnan inte registrera smärta orsakad av sådana blinda fläckar, så att skadorna som orsakas av ögat kanske inte kan realiseras omedelbart. Regelbundna ögontester för laserpersonal bör därför vara obligatoriska för att upptäcka en sådan skada så tidigt som möjligt.
Förutom skador på personen kan avlastande laserljus starta bränder och smälta lätt rörledningar och kabelöverdrag och leder sålunda till andra oönskade farliga situationer genom att det påverkar säker drift av andra växter. Man måste komma ihåg att en ofokuserad laserstråle från en multi-kilowattlaser, om den givits tid, lätt brinner genom stålplattor och jämnt eldstenar.
Eftersom glas och akryl är genomskinliga för laserstråle med 1, 06 nm våglängd från Nd: YAG-laser, bör dessa material därför inte användas för att tillhandahålla betraktningsfönster om de inte är belagda med speciella absorberande filmbeläggningar.
På grund av stor risk för allvarlig ögonskada från en Nd: YAG-laser, är det i stället för ett betraktningsfönster lämpligt att titta på ett tv-system för att titta på svetsoperationen. med rätt kamera och filter kan närliggande observationer göras i absolut säkerhet.
