Anglies dioksido lazerių schema
Šiame straipsnyje pateikiamos anglies dioksido (CO 2 ) lazerių schemos.
Naudingiausias pramoninis lazeris suvirinimui ir pjovimui yra CO 2 lazeris, kuriame lazerinė terpė yra anglies dioksido, azoto ir helio mišinys, kurio santykinis santykis yra 1: 1: 10 esant 20–10 torr slėgiui su elektros energija. 10-30 000 voltų.
CO 2 lazeris gali turėti arba užsandarintą dujų vamzdelį arba tekančią dują. Srauto dujų principas padidina galingumą maždaug 3 kartus, lyginant su užsandarinto tipo lazerine medžiaga. CO 2 lazeris gali veikti tiek impulso, tiek nepertraukiamo bangų režimu ir sukurtas taip, kad pasiektų produkciją nuo kelių šimtų vatų iki daugiau nei 20 kW. Gauta lazerio spinduliuotė yra spindulio infraraudonųjų spindulių srityje, kurio bangos ilgis yra apie 10, 6 µm (106000 Å).
Dujų srautas CO 2 lazeryje gali būti išilgai lazerio pluošto ašies arba skersinis į jį esant 80 torr ar mažesniam darbiniam slėgiui, nors CO 2 lazerio spindulys yra gaminamas atmosferos slėgiu. Abiejuose dujų srauto tipuose viename gale naudojamas visiškai atspindintis veidrodis, o kitame gale - 10, 6 μm bangos ilgio dalinis perdavimas, kad veiktų kaip išėjimo langas. Dengtos puslaidininkinės medžiagos, tokios kaip cinko selenidas (ZnSe), yra CO 2 lazerių, kurių galia neviršija kelių kilovatų, išėjimo langai. Tačiau tokios medžiagos yra sudegintos didesniu galios lygiu, todėl perduodymui palengvinti naudojamas žiedinis metalinis veidrodis.
150 vatų CO 2 lazerio schema pateikta 14.22 pav.
Iš anksto sumaišytos dujos nuolat tiekiamos į vamzdelį, kuriame yra lazerio ertmė. Išleidimo vamzdis yra aušinamas vandeniu, o tarp elektrodų yra maždaug 10 KV potencialas. Kiekviename išleidimo vamzdžio gale yra reguliuojamas veidrodis, pritvirtintas per lankstų vamzdį. Vienas veidrodis, susidedantis iš aukso, nusodinto ant pyrex arba nerūdijančio plieno, visiškai atspindi 10-6 µm, o išėjimo lango veidrodis turi dielektrinę dangą, nusodintą ant germanio pagrindo.
Didelio galingumo CO 2 lazeriams išleidimo vamzdelis susideda iš daugybės vamzdžių, išdėstytų lygiagrečiai konfigūracijai su išdėstymu optinei šviesai sulankstyti per pirmyn ir atgal. Lėtieji ašiniai srautiniai lazeriai gali gauti maksimalią galią apie 500 vatų, nes 75–90% išleidimo energijos išsisklaido dujose, dėl to jos perkaitimas ir skilimas, dėl to sumažėja išėjimas.
Didesniam išėjimui dujos per lazerinį vamzdelį dideliu greičiu perpumpuoja orapūtę; tai sumažina sienų šilumos nuostolius iki nedidelės sumos. Lėtas ašinio srauto lazeris bus tiekiamas apie 50–70 vatų lazerio ertmės metrui, tačiau greitasis ašinis srautas lazeriu gali sukurti iki 600 vatų metrui.
Dujų lazerio veikimas:
Anglies dioksido lazeryje CO 2 molekulės vibruoja virpesius per lazerio ertmę. Tiesioginis vibracinis CO 2 sužadinimas elektriniu iškrovimu yra neveiksmingas. Tačiau N2 energiją efektyviai priima iš iškrovimo ir vibracijos energijos lygiai N2 molekulių ir kai kurių iš šių CO 2 molekulių yra labai arti. Štai kodėl N2 yra pridedamas prie CO 2, todėl CO 2 yra sužadinamas rezonansinės energijos mainais su N2. Šis dviejų pakopų procesas yra daug greitesnis ir efektyvesnis nei tiesioginio CO 2 sužadinimo procesas.
Perėjimą nuo viršutinės vibracinės energijos būsenos į tarpinį lygį lydi fotono emisija, kurios spinduliavimo spektro infraraudonojoje zonoje yra būdingas 10-6 µm bangos ilgis. CO 2 molekulės tarpiniame energijos lygmenyje turi grįžti į žemės lygį, kad procesas būtų užbaigtas.
Tai pasiekiama greitai, pridedant helio į CO 2 -N 2 mišinį; nes susidūrimas tarp CO 2 molekulių ir Jis lemia likusio sužadinimo energijos perdavimą į helį. Tada ši energija pašalinama kaip atliekų šiluma. Lazerio išsiskyrimo procesas dėl CO 2 ir N 2 kritimo per skirtingus energijos lygius parodytas 14.23 pav.
Kaip ir kietojo kūno lazeriuose, dujų lazeriai taip pat gali veikti tik nustatydami populiacijos inversijos sąlygą, kuri pasiekiama naudojant aukštos įtampos spinduliuotę. Tačiau spinduliuotės iškrovos rezultatas yra nestabilumas esant srovės lygiams, viršijantiems 300 mA, ir jei švytėjimo išlydžio pasikeitimas keičia lanką, termodinaminės sąlygos nustatomos ir lazavimas negali įvykti.
Tai galima užkirsti kelią didelės galios sistemose naudojant papildomą jonizaciją naudojant radijo dažnių elektros energiją didelėse įtampose. Tačiau dabartiniai didelio galingumo CO 2 lazeriai veikia tik su nuolatinės srovės iškrovimu, nenaudojant pagalbinės jonizacijos.
Didelės galios elektriniai sužadinti CO 2 lazeriai, kurių nuolatinė išėjimo galia yra iki 20 kW, kurių efektyvumas yra 10-15%, yra konvekciniu būdu aušinami; greitas dujų srautas naudojamas šilumos šalinimui iš lazerio ertmės. Siekiant sumažinti eksploatacines išlaidas, naudojamas dujų ir skysčio šilumokaitis, o lazerinės dujos iš naujo cirkuliuoja sistemoje, kaip parodyta 14.24 pav. Tik nedidelis dujų kiekis suvartojamas dėl to, kad reikia nuolat šalinti ir papildyti nedidelį kiekį lazerinio dujų mišinio, kad būtų išvengta teršalų, susidarančių dėl CO 2 ir N 2 disociacijos, susidarymo elektros išleidimuose.
CO 2 lazeriai gali veikti tiek impulso bangoje (PW), tiek nuolatinės bangos (CW) režimuose.
Impulsinė galia:
Su impulso lazeriu suvirinimo įsiskverbimą lemia impulso energija ir trukmė. Skverbimasis didėja, didėjant impulso energijai ir trukmei. Impulso trukmė turi būti pakankamai ilga, kad būtų galima atlikti laidumą ir lydyti iki norimo gylio. Kadangi pluošto galia yra valdoma impulso energija ir trukme, darbo paviršiaus energijos tankis valdomas fokusuojant optiką.
Pralaidumą impulso suvirinimui taip pat reguliuoja medžiagų savybės. Dėl tam tikros impulsinės energijos ir trukmės didesnė šiluminė difuzija mažesnė už skverbimąsi. Didelės galios lazerio spindulys, ty spindulys, turintis didelę impulso energiją ir trumpą impulso trukmę, yra tinkamas tokioms medžiagoms, turinčioms didelį šiluminį difuzinį ir atvirkštinį, esant mažos šiluminės difuzijos medžiagoms.
Maksimali skverbtis, pasiekiamas esant dabartinei impulsinei kietojo kūno lazeriui, yra tik apie 1–5 mm, todėl šis procesas gali būti efektyviai naudojamas tik šviesos matmenų medžiagoms. Proceso kintamųjų santykis mažo galingumo impulsiniams lazeriams, kai naudojamas suvirinant nerūdijančio plieno, titano ir aliuminio, pateikiamas grafiškai 14.25 pav.
Galimi CO 2 lazeriai, galintys pagaminti 3 KW impulsų smailes iki 2–5 KHz dažnio nuo vardinio 500 vatų vidutinio galios bloko.
Nuolatinė galia:
Nuolatinės galios lazerio spindulys gaunamas iš dujų lazerių. Tokie mažo galingumo lazeriai gali būti naudojami įprastiniam laidumui užtikrinti, o skverbties raktų režimas gali būti gaunamas tik su didelio galingumo lazeriais, kai suvirinimo greitis yra didesnis nei 40 cm / min. Aliuminio plieno įsiskverbimas apie 20 mm gali būti gaunamas naudojant 15 KW nuolatinį sijos CO 2 lazerį. Sunkesni ruožai gali būti suvirinti dviem leidimais, po vieną iš kiekvienos pusės.
Didelio galingumo lazeriuose yra galimybė metalizuoti garų jonizaciją, kuri gali sukelti plazmos susidarymą virš ruošinio paviršiaus, kuris gali sugerti lazerio spindulį, todėl sumažėja įsiskverbimo gylis. Tai paprastai išvengiama, kai helio dujų srautas teka vietoje, kad išplautų jonus, sukeliančius plazmos formavimąsi.
Suvirinti naudojami dujų lazeriai šiuo metu yra visi 10, 6 prisijungimo bangos ilgio CO 2 lazeriai, nes jie pasirodė esąs efektyviausi ir gamina didžiausią galią. Tačiau Nd: YAG lazeris, turintis tam tikrų specifinių savybių, šiuo metu yra plačiausiai naudojamas suvirinimo pramoninis lazeris.
