Suvirinimas lazeriu: principas, charakteristikos ir saugos aspektai
Perskaitę šį straipsnį, sužinosite apie: - 1. Įvadas į lazerinį suvirinimą 2. Lazerinio suvirinimo principas ir mechanizmas 3. Rubino lazerinė įranga ir sąranka 4. Valdymas 5. Proceso parametrai 6. Suvirinimo charakteristikos 7. Suvirinimo jungtinė konstrukcija 8. Taikomosios programos 9. Variantai 10. Automatika 11. Saugos aspektai.
Įvadas į lazerinį suvirinimą:
Lazeris (šviesos stiprinimas naudojant stimuliuojamą spinduliuotės emisiją) galbūt yra naujausias papildymas vis didėjančiai suvirinimo procesų šeimai. Lazerio spindulys yra labai kryptingas, stiprus, monochromatinis (vieno bangos ilgio) ir nuoseklus, ty visos bangos yra fazės. Tokia spindulys gali būti sutelktas į labai mažą tašką, suteikiantį labai didelį energijos tankį, kuris gali siekti 10 9 W / mm 2 .
Taigi lazerio spindulys gali ištirpti arba išgaruoti bet kokią žinomą medžiagą, pavyzdžiui, elektronų pluoštą. Yra trys pagrindiniai lazerių tipai: kietojo lazerio, dujų lazerio ir puslaidininkinio lazerio. Lazerio tipas priklauso nuo lazerio šaltinio.
Kietakūniai lazeriai naudoja kristalus, tokius kaip rubinas, safyras ir kai kurie dirbtinai suardyti kristalai, pvz., Neodimiu legiruoti itrio aliuminio granato (Nd-YAG) strypai. Kietasis lazeris buvo pirmasis sėkmingas lazeris, todėl lengva paaiškinti vieno tokio lazerio lazerio, pvz., Rubino lazerio, mechanizmą.
Lazerinio suvirinimo principas ir mechanizmas:
Lazerio funkcija yra sustiprinti šviesą. Įprastinė šviesa negali būti naudojama kaip lazerinė šviesa, nes spindulinė energija iš paprasto šviesos šaltinio yra nesuderinama ir paskirstyta plačiame spektriniame diapazone, o monochromatinių vieno spalvos šaltinių nėra. Dėl skirtingų spalvų skirtingų bangų ilgių, sudarančių įprastą šviesą, neįmanoma susikaupti iki aštraus fokusavimo, neprarandant intensyvumo.
Todėl jo veikimui lazeris priklauso nuo spinduliuotės, stimuliuojamos arba sukeltos dėl elektromagnetinės energijos absorbcijos arba energijos dalelių, vadinamų fotonais, atomų. Kai ši energija absorbuojama, atomo elektronai padidina jų sukimąsi ir plečia jų orbitus, todėl atomai patenka į sužadintą būseną.
Ši sužadinta būsena yra trumpalaikė, o atomas iškart nukrenta į vidutinio lygio arba metastabilią būseną. Atšaukiant atomą praranda savo šilumos energiją, bet išsaugo savo fotonų energiją. Netrukus po to, kai atomas patenka spontaniškai ir atsitiktinai atgal į pagrindinę būseną, atleidžiantis fotono energiją arba kvantinę energiją šviesos pavidalu, kaip pavaizduota 14.17 pav. Šis automatinis grąžinimas į pradinį energijos lygį, neskatinant to daryti, vadinamas spontanišku išmetimu.
Kol atomas yra sužadintas, jis gali būti skatinamas arba skatinamas išskirti fotoną išorinio fotono, kurio energija yra lygi atomo išsiskiriančio fotono, spontaniškos emisijos atveju. Tai vadinama indukuota arba stimuliuojama spinduliuotės emisija.
Dėl šios priežasties sužadinimo banga sustiprinama sužadinto atomo skleidžiama banga. Lazerio spindulių gamybai labai svarbu, kad skleidžiamas bangas būtų tiksliai fazėje su banga, kuri ją sukelia. Tokiu būdu lazeriai gali paversti elektrinę šviesą, šiluminę ar cheminę energiją į monochromatinę, koherentinę spinduliuotę elektromagnetinio spektro ultravioletiniuose, matomuose ar infraraudonuosiuose regionuose.
Tarp kietųjų lazerių, naudojamų pramoniniams tikslams, lazerinė medžiaga yra gana dažnai rubinas. Rubinas yra aliuminio oksidas, kuriame apie 0-05% yra chromo atomai. Chromo atomai ne tik suteikia aktyvius jonus lazeriniam veikimui, bet taip pat suteikia rubinui būdingą raudoną spalvą. Chromo jonai skleidžia raudoną šviesą, kai stimuliuojama žalia šviesa. Kad lazerinis veikimas vyktų, stimuliuojamas emisijos procesas turi vykti dažniau nei priešingas fotono absorbcijos procesas. Remiantis kvantinės teorijos duomenimis, šių dviejų procesų tikimybė priklauso tik nuo atitinkamo energijos lygio santykinio gyventojų skaičiaus pagal Boltzmanno santykį.
N 2 / N 1 = exp E 1 - E 2 / kT ……. (14.3)
kur,
N 1 = Atomų skaičius mažesniame E 1 lygio lygyje ,
N 2 = atomų skaičius aukštesniame E 2 lygio lygyje ,
T = absoliuti temperatūra,
k = Boltzmanno konstanta.
Lazerio emisija gaunama, kai viršutinis lygis yra apgyvendintas žemesnės dalies sąskaita. Tokia situacija vadinama populiacijos inversija, o šio metodo metodas vadinamas PUMPING. Kietosios būsenos lazeriai optiniu būdu pumpuojami blykstės vamzdeliu.
Milijardai aktyvios terpės atomų, molekulių ar jonų siurbia energiją, kurią jie laiko labai trumpu, bet atsitiktiniu gyvenimo laikotarpiu, kai baigiasi jų gyvenimo laikas, jie atsisako savo energijos, kiekvienos fotono formos, ir grįžta į savo buvusį. būsenos, kol vėl išsiurbsite. Atleidžiami fotonai važiuoja visomis kryptimis, palyginti su lazerio optine ašimi.
Jei fotonas susiduria su kitu įtampos atomu ir pan., Jis per anksti atleidžia fotoną ir du fotonai važiuoja palaipsniui iki kito susidūrimo. Fotonai, kurie nevažiuoja lygiagrečiai su lazerio optine ašimi, greitai prarandami.
Tie, kurie važiuoja lygiagrečiai su ašimi, ilgis žymiai pailgėja nuo veidrodžių gaunamos optinės grįžtamojo ryšio, prieš paliekant lazerio ertmę per dalinai perduodamą veidrodį. Šis veiksmas padeda gauti labai kolimizuotą, reikalingą galios lygį.
Sijos galia ir režimas:
Galios tankis per lazerio išėjimo spindulio skersmenį nėra vienodas ir priklauso nuo lazerio aktyviosios terpės, jos vidinių matmenų, optinio grįžtamojo ryšio konstrukcijos ir panaudotos sužadinimo sistemos. Lazerio pluošto skersinis skerspjūvio profilis, rodantis jo galios paskirstymą, vadinamas skersiniu elektromagnetiniu režimu (TEM). Gali būti sukurta daug skirtingų TEM ir kiekvienas tipas yra įvertintas pagal skaičių.
Apskritai, kuo didesnis skaičius, tuo sunkiau lazerio spindulį sutelkti į puikią vietą, kad būtų pasiektas didelis galios tankis, kuris labai svarbus lazeriniam suvirinimui. Dažnai naudojami lazeriai su TEM 00, TEM 10, TEM 11, TEM 11 ir TEM 20 bei šių režimų deriniais. 14.17 pav. (A) pavaizduoti šių režimų šviesos galios profilių pagrindinės formos. Kai kurie lazeriai gamina kelis skirtingus režimus, kurie paprastai vadinami daugiafunkciniu režimu.
Rubino lazerinė įranga ir lazerinio suvirinimo nustatymas:
Rubino lazerinę įrangą iš esmės sudaro lazerinė galvutė ir maitinimo šaltinis. 14.18 pavaizduotas tokio lazerio schema. Jis susideda iš maždaug 5-15 mm skersmens ir apie 100 iki 200 mm ilgio rubino lazdelės. Rubino strypo skersmuo ir ilgis nustato lazerio emisijos galią.
Jo galai yra poliruoti į optinius butus ir tada sidabruoti, kad viename gale būtų 100% atspindintis paviršius, o kitame gale - 90-98%, kuris suteikia lazerio spindulio išėjimą. Atstumas tarp dviejų atspindinčių galų suteikia rezonansinę ertmę dažniuose, kurių tarpai yra integruotas pusinių bangų ilgių skaičius.
Atspindintys paviršiai gaminami iš dviejų tipų dangų. Vienas dengimo būdas gaminamas užpilant plonu metalo sluoksniu, pvz., Aliuminiu, sidabru arba auksu. Tačiau tokia metalo danga gali sudeginti ir taip prarasti atspindinčią kokybę.
Didesnio našumo atspindinčioji danga gali būti gaminama padengimo medžiagos galus padengiant keliomis nevadančiomis plėvelėmis, gaminančiomis dielektrinį veidrodį. Dielektrinis veidrodis priklauso nuo šviesos bangų, kurias atspindi daugiasluoksnės plėvelės, daugiausia susidedančios iš sulfidų ir fluoridų, trukdžių.
Poliruotasis rubino strypas dedamas į lazerio galvutės centrą ir yra uždengtas permatomu stiklo vamzdeliu. Šaltojo azoto dujos cirkuliuoja per rubino strypo paviršių ir teka iš grįžtamojo tako už stiklo vamzdelio. Tarp stiklo vamzdžio ir blykstės vamzdžio yra dvigubo sieninio stiklo vamzdelis, skirtas vakuuminiam ekranui užtikrinti.
Dvigubas sieninis vakuuminis vamzdis turi skystą azotą, kuris tiekia šaltas dujas, kurias uždirba izoliuota žarna prie lazerio galvutės. Vakuuminis vamzdis neleidžia šilumos srautui iš blykstės vamzdelio patekti į rubino strypą, bet šviesos perdavimas nėra labai paveiktas.
Išorinis apvalkalas dvigubos elipsės atspindinčiame cilindriniame korpuse yra skirtas visam įrenginiui uždengti, kad būtų gautas didžiausias šviesos kiekis rubino lazdelei, kaip parodyta Fig. Numatytas slopintuvas, kad būtų išvengta lankstymo tarp ksenono lemputės ir išorinio apvalkalo. Blykstės lemputė yra efektyviausia, kai šiltas. Todėl, norint išlaikyti šiltą ir tuo pačiu metu užkirsti kelią lankstumui dėl drėgmės, karšto oro cirkuliacija nuolat vyksta per blykstę.
Lazerinio suvirinimo įrenginio maitinimo sistema susideda iš blykstės vamzdžio galios agregato, solenoidinio valdiklio ir apšvietimo transformatoriaus ant stendo ir lazerio galvutės. Blykstės vamzdelis maitinamas 18 KV tiekimu. Blykstės vamzdžio grandinėje yra reguliuojamų ritinių, skirtų keisti išleidimo laiką, o tai savo ruožtu keičia šviesos impulso, kurį degina blykstė, trukmę.
Rubino lazeriui siurbti paprastai naudojamas ksenono blykstės vamzdis, kurį sudaro lemputė, pagaminta iš optiškai skaidraus kvarco, kuriame yra du volframo elektrodai. Kai lemputė išjungta, slėgis lemputės viduje yra 10 atmosferų. „Xenon“ lempos galia tiekiama nuolatinės srovės šaltiniu, kurio apkrovos įtampa ne mažesnė kaip 70 voltų, o srovės įtampa yra mažesnė.
Ksenono blykstės lempos gali būti nuolat valdomos šimtus valandų, kai greitis yra tūkstančiai. Intensyvaus vieno blykstės šaltinio galia gali siekti iki dešimčių milijonų didžiausios žvakės galios, o trumpo lankinio šviesos šaltinio blykstės trukmė gali būti tokia pati, kaip 1µ.sec (viena mikrosekundė). Tokiu būdu lempa tampa efektyviu prietaisu elektros energijos pavertimui šviesos energija, kuri yra lazerio siurbimo procesas.
Kadangi lazerio šviesa yra beveik monochromatinė, iš esmės kolimuota ir nuosekli, ją lengva sutelkti naudojant dažniausiai naudojamus optinius įrenginius, tokius kaip prizmės ir lęšiai. Tačiau sijos taip pat yra orientuotos į halogenų lęšius ir veidrodinę sistemą.
Lazeriai klasifikuojami kaip mažos galios (10 kW) lazeriai.
Lazerinio suvirinimo veikimas:
Rubino lazerį pumpuoja ksenono arba „Krypton“ blykstės vamzdis. Kai blykstės vamzdelis apšviečia strypą, dauguma chromo atomų važiuoja į sužadintą būseną. Lazerinis veiksmas vyksta rubino lazdoje, kai daugiau nei pusė chromo atomų buvo pumpuoti į aukštą energijos lygį arba metastabilios būklės, sukeldamos populiacijos inversiją. Lazerinis veiksmas prasideda, jei sužadintas atomas spontaniškai skleidžia fotoną palei rubino strypo ašį.
Šis fotonas paskatins kitą sužadintą atomą, kad išskirtų antrąjį (arba sukeltą) fotoną. Šis procesas tęsiasi kumuliatyviai, nes fotonai atsispindi iš strypų galų ir keliauja per rezonansinę ertmę, formuodami bangų priekį. Dėl šių daugelio atspindžių iš abiejų rubino strypų galų pluošto galia yra sukurta iki milžiniško lygio.
Jei šviesos intensyvumas iš blykstės vamzdžio viršija tam tikrą kritinį lygį, vyksta lazerinis veikimas ir kelias tūkstančias sekundės išsiskiria stipri fotonų pluoštas, kurio bangos ilgis yra 6943A. Išvesties lazerio spindulys yra labai nukreiptas, stiprus, monochromatinis ir nuoseklus.
Šviesos pluošto energijos tankis lęšio lokuose yra pateikiamas lygtimi:
ρ = E / V ……… .. (144)
kur,
ρ = energijos tankis,
E = šviesos energija,
V = fokusavimo garsumas.
Lazerio spindulio fokusavimo tūris yra labai mažas. Todėl tokio pluošto energijos tankis fokusavimo metu gali būti labai didelis, pasiekiant iki 10 7 W / cm2. Lazerio impulso trukmė yra trumpa - maždaug 10–9 sekundės.
Lazerinio suvirinimo metu svarbu, kad impulsai turėtų maksimalią trukmę ir mažiausius atstumus, ty didelio impulso pasikartojimo dažnį (PRF). Tačiau rubino lazeriai yra mažai efektyvūs ir didžioji dalis siurbimo energijos konvertuojama į šilumą. Dėl šios priežasties rubino lazdelė tampa labai karšta, todėl blykstės vamzdis negali tinkamai veikti esant dideliems PRF.
Dėl to būtina kuo labiau pašalinti šilumos, gautos naudojant optinį siurblį, kiekį; pavyzdžiui, kietojo kūno lazeriui, kurio vidutinė išėjimo galia yra 400W, aušinimo sistema turi pašalinti apie 15 kW atliekų šilumos. Taigi, PRF ir lazerių galingumą riboja jų aušinimo sistemos. Rubino lazerių efektyvumas yra labai mažas; apie 0-1%. Nepaisant to, rubino lazeriai plačiai naudojami kaip suvirinimo įrankiai.
Esami suvirinimo lazeriai PRF gali svyruoti nuo 1 iki 100 per minutę. Vieno lazerio impulso prasiskverbęs plotas yra mm dalis. Štai kodėl tokie lazeriai dažniau naudojami tik vietoje.
Dėl mažo PRF ir mažos galios lazeriai iki šiol negali dirbti su EBW, kuris gali labai siaurai ir giliai įsiskverbti į sunkiuosius metalus. Lazerinio pluošto suvirinimas, palyginti su elektronų pluošto suvirinimu, yra labiau universalus, nes jis gali suvirinti metalus ore, dujų ekranuose ir net vakuume. Be to, lazerio spindulys gali virinti permatomas medžiagas, nes jos netrukdo lazerio šviesai.
Didelė dalis lazerio šviesos praeina per rubino strypo šonus ir netampa lazerio spindulio dalimi. Nepaisant to, kad šis efektyvumas yra labai mažas, šie energijos nuostoliai yra priimtini, nes fokusuotas lazerio šviesos taškas yra milijoną kartų intensyvesnis nei šviesos iš blykstės lempos, kuri inicijuoja lazerio veikimą, ir yra daug kartų intensyvesnė už šviesą iš šios bangos ilgio, išskirto iš lygiaverčio saulės paviršiaus ploto.
Rubino strypo spinduliuojama lazerinė šviesa yra tinkamai suformuota ir nukreipta į darbą optine sistema, susidedančia iš prizmės, objektyvo ir papildomo objektyvo. Jei reikia, į optinę sistemą gali būti įtraukti keli pagalbiniai lęšiai, skirti šviesą orientuoti į 0-25 mm skersmens tašką. Energijos tankis fokusuotame taške yra toks didelis, kad bet kokia žinoma medžiaga gali būti lydoma, išgarinama arba suvirinama tokiu fokusuotu lazerio spinduliu.
Lazerio spindulys iš dalies atsispindi arba nukreipiamas lygiais metaliniais paviršiais, o elektronų pluoštas nėra. Kai atsispindi didelė lazerio pluošto dalis, ji gali slopinti energijos perdavimą į ruošinį. Tačiau, kai fokusuoto lazerio spindulio energijos tankis viršija 10 KW / mm 2, pastebimas didelis paviršiaus sugeriamos energijos santykio pokytis, kaip parodyta 14.20 pav.
Kai šis slenkstis viršijamas, pagerėja energijos perdavimas ir lazerio spindulys sukelia raktų skylių tipą. Šis energijos perdavimo pagerėjimas yra susijęs su plazmos vystymusi per darbo paviršių. Nors tai yra pranašumas pradiniame etape, pernelyg didelės plazmos susidarymas per suvirinimo baseiną tampa kliūtimi spinduliui.
Kad būtų pagaminti lygūs, gerai suformuoti karoliukai, būtina apsaugoti suvirinimo baseiną su tam tikromis inertinėmis dujomis, o helis yra geriausiai tinkamas.
Suvirinimas lazerio spinduliu iš tikrųjų yra mažesnis už 1, 5 kw galios lygį; nors aukščiau šio lygio, maksimali skvarba yra apie 2 mm / kw.
Lazerinio suvirinimo proceso parametrai:
Proceso parametrų pasirinkimas grindžiamas trimis veiksniais:
i) Kondensatorių skaičius ir atitinkama įtampa, kad būtų pasiektas norimas energijos įvedimo lygis, atsižvelgiant į santykį;
E = 1 / 2CV 2 ……… .. (14-5)
kur,
C = talpa
V = įtampa
iii) Tinkamas optikos pasirinkimas, skirtas valdyti pluošto taško dydį ir formą;
iii) šviesos židinio taško pasirinkimas ruošinio paviršiuje arba virš jo.
Kritinis aspektas yra kondensatorių, naudojamų norimam energijos lygiui gauti, skaičius. Kondensatorių skaičiaus padidėjimas grandinėje sąlygoja ilgesnį impulso ciklo laiką, dėl kurio sumažėja pulso spindulio galia.
Norint gauti pilną skverbties garso suvirinimą be priverstinio nukreipimo, pageidautina, kad:
i) lazerio spindulio galia turėtų būti tinkama metalui ištirpinti, bet nepakankamai aukšta, kad jį išgarintų pasirinktu suvirinimo greičiu;
(ii) impulso ciklo laikas turi būti pakankamai ilgas, kad šiluma būtų pernešama per medžiagos storį.
Kitas veiksnys yra spindulio židinio taško vieta ruošinio paviršiaus atžvilgiu. Maksimalus įsiskverbimas įvyksta, kai spindulys šiek tiek nukreipiamas žemiau paviršiaus. Pralaidumas yra mažesnis, kai spindulys yra sutelktas ant paviršiaus arba giliai į ruošinį. Skverbties gylis didėja didėjant pluošto galiai.
Suvirinimo lazeriu charakteristikos:
Lazerinis suvirinimas naudojamas panašių ir skirtingų metalinių jungčių su plieno, vario, nikelio, nerūdijančio plieno, aliuminio lydinių, geležies-nikelio pagrindo lydinių, titano ir ugniai atsparių metalų ir lydinių gamybai.
Dėl labai mažos specifinės energijos sąnaudos darbui šilumos paveiktą zoną ir šilumos nuostolius, esančius greta siūlės, sumažina. Kai kuriuose laivų statybiniuose plienuose pastebėtas šaknų poringumas ir tai laikoma dėl nepatenkinamo greičio iki spindulio galios santykio.
Dvigubo sėjimo suvirinimo šaknų poringumas susijęs su dujų išsiskyrimu ir nepakankamu laiku jo pašalinimui. Daugumoje šių plienų suvirinimo siūlių įrodyta, kad tinkamas lankstumas atliekamas šoninio lenkimo bandymu. Autogeniniai giliai įsiskverbiantys lazeriniai suvirinimo siūlai pasižymi mechaninėmis savybėmis, kurios lyginamos su įprastu lanko suvirinimu naudojant užpildą.
Suvirinant plieną tam tikromis sąlygomis vyksta suvirinimo metalo valymas, dėl to, kad lengvesnė šviesa sugeria nemetalines intarpas metaluose ir dėl to jas išgaruoja ir pašalina. Stebint sintezės zonos gryninimą kelių skirtingų juodųjų metalų lydinių lazerinio suvirinimo metu, matyti, kad tai gali būti unikalios gilios skverbties, autogeninio lazerinio suvirinimo savybės.
Plieninių suvirinimo siūlių metalografinis patikrinimas taip pat atskleidė įtraukties turinio sumažėjimą, kuris, kaip manoma, yra atsakingas už charpio lentynos energijos ir santykinai šiurkščių grūdų dydžio padidėjimą, taigi ir aukštą perėjimo temperatūrą.
Iš dažniausiai naudojamų konstrukcinių lydinių aliuminio lydiniai pasirodė esąs sunkiausia lazeriniu suvirinimu dėl didelio pradinio paviršiaus atspindžio ir poringumo, panašaus į lankinio suvirinimo.
Korozijai atsparaus plieno ir titano lydinių suvirinimo tyrimai parodė, kad aukštos kokybės jungtys gali būti pagamintos nuo 0 iki 2 mm storio lapo. Suvirinimo siūlės yra vakuuminės ir turi 90% pagrindinio metalo stiprumo. Suvirinimo greitis, naudojamas šiems siūlams, yra 17-25 cm / min.
Suvirintasis lazerinio suvirinimo jungtinis dizainas:
Bendras lazerinio suvirinimo projektavimas ir montavimas paprastai yra panašūs į tuos, kurie naudojami elektronų pluošto suvirinimui. Tačiau kai kurie lakštinio metalo lazerinio suvirinimo jungiamieji projektai taip pat pateikti 14.21 pav. Sujungimo tarpas, viršijantis 3% medžiagos storio, paprastai gali būti užpildytas. Panašūs rezultatai gaunami, jei suvirinimui naudojama pernelyg didelė energija. Nepakankamas pripildymas pašalinamas pripildant metalo užpildą per pirminį suvirinimo paspaudimą arba antrą kosmetikos leidimą. Kartais pripildomas metalas, skirtas modifikuoti suvirinimo metalo chemiją. Tokiu atveju, norint užpildyti norimą užpildą, gali būti naudojamas kvadratinis griovelis, turintis siaurą tarpą arba vandens griovelį.
Apskritai, gerai nustatyta suvirinimo siūlių paruošimo procedūra taikoma ir lazeriniam suvirinimui. Pageidautina, kad nuokrypis arba lygi suvirinimo padėtis būtų tinkama, nors suvirinimas, pvz., Horizontalus, vertikalus ir viršutinis suvirinimas, gali būti atliekamas esant gerai veikiančioms sąlygoms.
Lazerinio suvirinimo taikymas:
Vienas iš pagrindinių lazerinio suvirinimo privalumų yra intensyvios šilumos, kuri veikia labai mažą plotą, generavimas, todėl suvirinimo energijos sąnaudos yra mažos. Dėl šios proceso savybės jis gali būti naudojamas skirtingiems metalams su labai skirtingomis fizinėmis savybėmis suvirinti. Taip pat galima suvirinti metalus, turinčius santykinai didelį elektrinį pasipriešinimą ir žymiai skirtingus komponentus.
Paprastai lazeriniam suvirinimui naudojami metaliniai užpildai, todėl bet kuris komponentas tam tikroje padėtyje gali būti suvirintas, jei lazerio spindulys gali būti sutelktas tuo momentu. Suvirinimas su dideliu tikslumu gali būti daromas metalo storio, kurio storis yra mm. Dėl labai aukšto šildymo ir aušinimo lazerinio suvirinimo, grūdų augimas yra ribotas, o streso mažinimas ir suvirinimo ištiesinimas pašalinami.
Vienas iš taikomųjų programų, ypač tinkamų dabartiniams lazeriams, yra mikrokontaktų gamyba. Todėl lazerinis suvirinimas yra ypač tinkamas radijo inžinerijai ir elektronams, skirtiems smulkių laidų virinimui į plėveles ant mikroprocesorinių plokščių, kietųjų būsenų grandinių ir mikro modulių.
Lazerio spinduliai gali suvirinti įvairiausius mikroelektronikoje naudojamus metalo komponentus, pavyzdžiui, aukso ir silicio, aukso ir germanio, nikelio ir tantalo, vario ir aliuminio gali būti sėkmingai suvirinti lazerinio pluošto suvirinimo būdu.
0, 5 mm skersmens nikelio laidų suvirinimas lygiagrečiai, 0, 125 mm storio nikelio juostelių suvirinimas, elektroninių modulių hermetiškas užsandarinimas ir 0, 25 mm storio titano vamzdžio suvirinimas iki 0, 625 mm storio titano disko yra keletas konkrečių pranešimų apie naudojimą. suvirinimo lazeriu.
Lazerinio spindulio suvirinimo variantai:
Be kietojo kūno lazerių, tokių kaip rubino lazeris, taip pat yra lazerių, kuriuose lazerinės medžiagos yra skysčiai, pvz., Neodimio oksido tirpalai, kai kurie dažikliai ir kt. lazeriai, bet viršija juos impulsinės galios atžvilgiu, nes jų lazeriniai elementai yra dideli.
Trečia ir efektyviausia lazerių klasė yra ta, kurioje lazerinės medžiagos yra atskiri puslaidininkių kristalai, tokie kaip galis ir indžio arsenidas, kadmio, seleno ir sieros kiekis, ir tt Puslaidininkiniai lazeriai turi mažą svorį energiją ir turi didelį efektyvumą iki 70%.
Ketvirta ir galbūt svarbiausia lazerių klasė yra ta, kuri naudoja dujas ir jų mišinius, tokius kaip vandenilis, azotas, argonas ir anglies dioksidas. Dujų lazeriai turi didžiausią spinduliuotės spektrą ir didžiausią galios galią nepertraukiamosios bangos (CW) veikimo metu kartu su gana aukštu 15–25% efektyvumu.
Tarp visų šių variantų CO 2 dujų lazeriai ir ND: YAG lazeriai yra plačiausiai naudojami pramoniniams tikslams, nes jie yra patvarūs daugialypės operacijos ir todėl čia išsamiai aptariami.
Lazerio spindulių suvirinimo automatika:
Žmogaus akis gali būti naudojamas lazerio spindulio stebėjimui, jei jis yra matomame regione (ty nuo 0, 3 iki 0, 7 µm) nuo spektro. Tačiau dažniausiai suvirinimui naudojama lazerinė šviesa žmogaus akiai nematoma, kaip matyti iš 14.45 pav., Kurioje pateikiamos kai kurių populiaresnių lazerio spindulių bangų ilgio spektro vietos gairės. Todėl būtina efektyviai ir sėkmingai naudoti lazerio pluoštą automatizavimui, nes kitaip jis gali sukelti nepriimtiną kokybės gamybą arba netgi sukelti rimtus nelaimingus atsitikimus.
Kai reikia automatikos ar didesnio efektyvumo, lazerio spindulio nustatymui ir padėčiai nustatyti naudojami lazerio pluošto padėties detektoriai. Šiuo tikslu galima nustatyti vieno ar dviejų matmenų lazerio spinduliuotės detektorius. 14.46 pav. Pavaizduota supaprastinta lazerinio suderinimo sistemos su kvadranto detektoriumi schema. Kiekvienas detektoriaus kvadrantas yra atskiras fotodiodas, kuris sukuria elektros išėjimo signalą, proporcingą gaunamai šviesai.
Jei aptiktas lazerio spindulys yra centruojamas ant detektoriaus, kiekvienas kvadranto detektoriaus segmentas gauna tą patį energijos kiekį. Kai lazerio spindulys nėra centruotas, vienas ar du detektoriaus kvadrantai gaus daugiau šviesos galios. Sukurtos sistemos, kurios naudoja kvadrantinių detektorių išėjimus, kad gautų lazerio spindulio padėtį detektoriaus centro atžvilgiu. Neseniai pasiekta pažanga kompiuterių vizualizavimo sistemose sukūrė dviejų matmenų diodų matricų detektorių sistemas pramonėje. Vieno matmens centravimo linijinio fotodiodo arba šoninio poveikio fotodiodus galima naudoti.
Naudojant atitinkamą padėties detektorių kartu su automatizuota / robotizuota sistema, galima pasiekti norimą kokybę suvirintoje gamyboje.
Lazerinio suvirinimo saugos aspektai:
Įprasti pavojai, susiję su lazerio pluošto suvirinimu, apima akių pažeidimus, odos nudegimus, poveikį kvėpavimo sistemai, elektros šoką, cheminius pavojus ir pavojus, susijusius su kriogeniniu aušinimu.
Lazerinės sijos nesukuria rentgeno spindulių normalaus veikimo metu, tačiau jos sukuria didelio intensyvumo šviesą, kuri gali pažeisti akių regėjimą arba sukelti sunkius nudegimus. Jei bangos ilgis yra nuo 0, 4 iki 1, 4 μm, žmogaus akių sistema sutelkia spindulį net iki 10 5 kartų ant tinklainės. Šis bangos ilgio regionas vadinamas akies fokusavimo regionu arba tinklainės pavojaus regionu.
Matoma akių fokusavimo srities dalis, kurioje akis nustato spalvą, yra tik nuo 0, 4 iki 0, 7 µm. Tinklainės neaptikta 0, 7–1, 4 µm bangos ilgių, jie akių sistemai nematomi, nors jie yra akies fokusuojami.
Taigi, jei spindulio bangos ilgis yra akies fokusavimo regione, akies pažeidimai atsiranda tinklainės audiniuose, nes ragena, lęšis ir vandeniniai audiniai absorbuoja labai mažai energijos. Tačiau bangos ilgiai, esantys už fokusuojamo regiono ribų, sugeria išorinius akies komponentus, ypač pažeidžiant rageną.
Todėl būtina turėti išankstines žinias apie lazerio spindulio bangos ilgį ir 14.45 pav.
Turi būti pasirūpinta, kad būtų naudojamos atitinkamos lazerinės sistemos akiniai. Ilgesniais infraraudonųjų spindulių bangos ilgiais, pvz., 10, 6 μm CO 2 lazerio bangos ilgiu, net paprastas stiklas yra nepermatomas.
Įprasta užtikrinti, kad darbo zonos aplink lazerius būtų nudažytos šviesiomis spalvomis ir būtų šviesiai apšviestos.
Oda sugeria visus lazerio bangų ilgius, tačiau reikia daugiau energijos, kad būtų pažeista oda, nei akių pažeidimas, ir žalos atveju reikia daugiau energijos iš nuolatinių bangų lazerių nei iš impulsinių lazerių. Jei lazeris spinduliuoja ne trumpiau kaip 0, 25 sekundės, tai laikoma nuolatinės bangos lazeriu. Eksimeriniai ir CO 2 lazeriai yra ypač gebantys pažeisti odą. Ugnį slopinantys ilgomis rankovėmis suknelės ir pirštinės daugeliu atvejų užtikrina tinkamą odos apsaugą.
Nors elektrostatiniai arba elektromagnetiniai laukai nėra nukreipti lazerio pluošto, spindulys iš dalies atsispindi arba nukreipiamas lygiais metaliniais paviršiais, kurie gali paveikti akis ar odą, o lazerio nudegimai gali būti gilūs ir labai lėtai išgydyti.
Dauguma lazerinių sistemų yra susijusios su aukštos įtampos didelės srovės srovės srovės naudojimu, todėl visuomet gali atsirasti mirtinų elektros smūgių. Tiesa, beveik visi sunkūs ar mirtini nelaimingi atsitikimai su lazeriais buvo susiję su elektros tiekimu. Taigi niekada nedirbkite vieni, kai tiesiogiai dirbate su didelio galingumo lazeriu.
Didelio skverbimosi ir bandymų suvirinimo į plastiką metu gali susidaryti toksiški arba smulkūs metaliniai dūmai. Sunkios plazmos susidarymo metu gali atsirasti ozono, dėl kurio reikia tinkamai įrengti vėdinimo ir išmetimo sistemas.
Apibendrinant galima teigti, kad lazeris yra toks pat saugus kaip ir bet kuris kitas aukštos energijos įrankis, todėl jį reikia tvarkyti tinkamai. Naudotojo pareiga yra išmokti tvarkyti ją teisingai.
