Nd: YAG lazerio struktūra (su diagrama)
Perskaitę šį straipsnį sužinosite apie „Nd: YAG“ lazerio struktūrą tinkamų diagramų pagalba.
Nd: YAG lazeris susideda iš rezonatorių, atspindinčių ir perduodančių veidrodžių ir maitinimo bloko, kaip parodyta schemoje 14.26.
Nd: YAG lazerio rezonatorius arba optinė ertmė susideda iš žibinto, lazerio strypo, atšvaito ir veidrodžių. Lazerinis strypas yra itrio aliuminio granatas (YAG), sudarytas iš Y 3 A 15O 12 izometrinių kristalų, implantuotų atsargiai paskirstytomis 1% neodimio (Nd) jonais. Šį kristalą 1962 m. Sukūrė Geusic et al. Jo šilumos laidumas yra 10 kartų didesnis už stiklo. Nuolatinis svyravimas yra įmanoma su YAG.
Nd 3+ jonai sudaro svyruojančią terpę, kad gautų keturių lygių lazerinius veiksmus, būdingus kietojo kūno lazeriams. Keturi energijos lygiai, pažymėti E 0 - E 3, ir Nd 3+ jonų lazerio perėjimas yra parodyti 14.27 pav. Net jei padidėja Nd 3+ jonų koncentracija kristaluose, svyruojančios šviesos spektras nesiskiria, nes Nd 3+ valentiškumas ir jonų spindulys labai skiriasi nuo Y 3+ .
Tarp kietojo kūno lazerių, Nd: YAG dabar yra populiariausias naudoti suvirinimui. Ankstesni rubino lazeriai buvo populiaresni, tačiau dabar „Nd: YAG“ lazeris yra plačiau naudojamas pramonėje dėl gerų YAG kristalų savybių. Fig. 14.28 schematiškai parodo pagrindinius Nd: YAG lazerinio suvirinimo įrenginio bruožus.
Nd: YAG lazerio bloko maitinimo šaltinis generuoja norimus amplitudės ir trukmės srovės impulsus ir maitina juos į elektros lanko lempą arba spiralinę blykstę. Pirmasis naudojamas osciliuojančiai nepertraukiamai bangai (CW) ir pastarasis impulsinės bangos (PW) šviesai. YAG strypo ir sužadinimo lemputė sumontuota atspindinčio veidrodžio ertmėje. Ertmės forma yra elipsinis cilindras arba dvigubas elipsoidas; 14.29 pav. parodyti keli tipiniai praktikoje naudojami ertmės.
Maksimali šviesa yra perpumpuojama į lazerinį strypą, naudojant reflektorių agregatą, tokiu būdu skatinant Nd jonus gaminti lazerio spindulį spontaniškai ir stimuliuojant emisiją. Lazerio strypo impulsinis sužadinimas sukelia lazerio šviesos impulsą, kuris iš esmės turi tą pačią trukmę kaip ir srovės impulsas iš maitinimo šaltinio. Nors nepertraukiamo bangos Nd: YAG lazeriai taip pat buvo sukurti, tačiau jie nėra plačiai naudojami suvirinimui.
Galimybė valdyti srovės impulsų parametrus leidžia kontroliuoti suvirinimo gylį, profilį ir išvaizdą. Tipiniai impulsų trukmės Nd: YAG suvirinimo lazerio diapazone yra nuo 0, 5 iki 20 m sek. Ir pasikartojimo dažnis nuo 5 iki 500 hercų.
Lazerio spindulio taško skersmuo ir f skaičius :
Lazerio išėjimo spindulių skersmenys didėja, kai lazerio galia yra lygi, pavyzdžiui, 1, 5, 10 ir 25 kw lazerių skersmuo yra atitinkamai 10, 25, 40 ir 70 mm. Vidutinis galios tankis per skersmenis yra nuo 6 iki 13 W / mm 2 ; faktinė galios koncentracija paskirstoma pagal šviesos režimą (žr. 14.17 pav. A). Norint suvirinti raktų skyles, lazerio spindulio galios tankiai yra maždaug 10–10 5 W / mm 2, todėl reikia sutelkti lazerio spindulį į labai mažą, tik mm skersmens frakciją.
Koncentruotą taško dydį lemia lazerio spindulio skersmuo, naudojamos fokusavimo optikos židinio nuotolis, pluošto režimas ir spindulių išsiskyrimo kampas (skirtumo kampas yra kampas, kuriuo beveik lygiagrečiai lazerio spindulys sklinda paliekant lazerį).
Nd: YAG suvirinimo lazeriai paprastai turi didesnius spindulių nukrypimo kampus nei CO 2 lazeriai, todėl jų negalima sutelkti į labai mažus taškų dydžius nenaudojant kolimatoriaus, esančio prieš fokusavimo lęšį (ty atvirkštinio teleskopo).
Apytikslis šių lazerių taškinis dydis paprastai apskaičiuojamas pagal šią formulę:
Koncentruotas taško skersmuo = 2θF… (14.1)
kur,
θ = lazerio spindulio nukrypimo kampas (radianai), kai jis palieka lazerį arba kolimatorių,
F = naudojamas fokusavimo objektyvo židinio nuotolis (mm).
Nors fokusuotas taškinis skersmuo yra svarbus parametras, tačiau iš praktinio taško fokusavimo numeris yra naudingesnis nustatant tolerantiškas suvirinimo sąlygas, kai f skaičius apibrėžiamas kaip fokusavimo optikos (F) židinio nuotolio ir lazerio spindulio skersmens santykis ( D), ty
Fokusavimas f skaičius = F / D… (14.7)
Nd: YAG lazeriams nustatomas fotografuojamo spindulio skersmuo, 14.30 pav.
Jei suvirinimo greitis yra nepaprastai svarbus, geriausia suvirinti sutelktą taškinį dydį, atsižvelgiant į 4 Nd: YAG lazerių skaičių ir 7, 5 CO 2 lazeriams.
Koncentruotas taško dydis, fokusavimo gylis ir fokusavimo padėtis:
Norint pasiekti reikiamą galios tankį raktų skylių suvirinimui (10 3–10 5 W / mm 2 ), svarbiausias yra fokusuoto taško dydžio parinkimas ir priežiūra. Todėl reikia tinkamai pasirinkti fokusavimo optiką, kuri nustato fokusavimo taško dydį.
Kai šviesa sutelkta, spinduliai susilieja su labai mažu juosmens skersmeniu, d ir ilgiu, L, 14.30 pav. Tikslus minimalus liemens skersmuo ir ilgis priklauso nuo optikos tipo; jo židinio nuotolis, F; šviesos spindulio skersmuo D, atsirandantis ant optikos, nesvarbu, ar spinduliuojama spinduliuotė yra konverguojanti, ar besiskirianti; spindulio TEM numeris; šviesos bangos ilgis ir lazerio galia.
Ekranavimo dujos :
Lazerinio suvirinimo metu naudojama apsauginė dujos, skirtos apsaugoti išlydytą metalą nuo oksidacijos ir apsaugoti lazerio spindulio perdavimą, nes jis sutelkiamas į darbą, kuris užtikrina gerą skverbimąsi, sumažinant spindulių plitimą ir sklaidą, kurią gali sukelti garai ir dujos aplink suvirinimo rakto angą.
Lazeriniam suvirinimui naudojamos įprastinės apsauginės dujos yra argonas, CO 2, helis ir OFN (azotas be deguonies). Vis dėlto dažnai Nd: YAG lazeriu galima atlikti patenkinamus vieno taško suvirinimo siūlus be jokios apsauginės dujos, nes suvirinimas per trumpą laiką išlydomas, kad būtų padarytas oksidacinis rezultatas.
Tačiau, atliekant nepertraukiamus siūlus ar užpakalinius siūlus, sutampa Ar arba OFN dažniausiai naudojami lazeriams, kurių vardinis tankis yra iki 300 W. Virš šio galios lygio dujų ekranavimas tampa kritiškesnis ir gali paveikti įsiskverbimo gylį ir išvaizdą.
Nd: YAG lazeriams, veikiantiems 1 kW galios diapazone, skverbties kontrolės problema yra išspręsta naudojant apsauginius dujas Ar + 20% CO 2 arba Ar + (1-2)% O 2, tačiau nedidelė oksidacija. juos gali sukelti suvirinimo metalas. Helis taip pat gali būti naudojamas su Nd: YAG lazeriu, tačiau pranešama, kad jis sukelia daugiau suvirinimo porų nei naudojant OFN.
Būtinas dujų srautas daugiausia priklauso nuo lazerio galios. Pavyzdžiui, dujoms (mažas greitis nuo 10 iki 20 litrų / min. Pakaks lazeriui iki 3 kW galios. Naudojant teisingai išdėstytą koaksialinį arba šoninį vamzdelį ekranuojantį įrenginį. 3–5 kW galios, 15- 30 litų / min., O nuo 5 iki 10 kW - 25–40 litrų / min.
Dujų ekranavimo įrenginiai:
Nd: YAG lazerinio suvirinimo atveju paprastai naudojamas paprastas šoninio vamzdžio ekranavimo įtaisas, kaip parodyta 14.31 pav. Taip yra todėl, kad šoninis vamzdis suteikia gerą vizualinę prieigą prie tikslinės srities taškiniam virinimui.
Suvirinant nepertraukiamus siūlus ir užpakalinius siūlus, 14.32 pav. Pavaizduotas žiedinis sijonas su lazerio spinduliu yra patikimas. Tačiau 14.33 pav. Pavaizduotas koaksialinis purkštukų ekranavimo įrenginys yra praktiškesnis, kai lazerinį ginklą valdo robotas. Ji taip pat suteikia optinio dangtelio stiklą su tam tikra apsauga nuo galimo suvirinimo purslų, nes bendrojo ašinio dujų srauto jėga iš dalies priešinsis bet kokioms dalelėms, keliaujančioms spindulio keliu.
Nd: YAG lazerių sąlygų nustatymas:
Paprastai neįmanoma naudoti raktų suvirinimo naudojant Nd: YAG lazerius, kurių išėjimo galia yra mažesnė kaip 500 W. Mažos vidutinės galios (400W) ir su tuo susijusio impulso trukmės 4-8 m sek., Įsiskverbimo gylis paprastai apsiriboja taškinio skersmens dydžiu, kuris yra maždaug 0, 5–1 mm.
Didelės galios (> 800 W) Nd: YAG lazeriai, kurių impulso trukmė yra 2 m, o didelio impulso pasikartojimo dažnis - 500 Hz, gali sukurti raktų angos tipą, turintį didelį gylį, kurio plotis yra didelis. Tačiau esant tokiam galios lygiui, ilgesni impulso ilgiai ir pasikartojimo dažnis, viršijant 25 Hz, būtų pasiekti gilesni suvirinimo įtaisai, kurių kraštinių santykis būtų mažesnis. Suvirinimo formos formavimosi tendencija atsiranda, kai impulsų plotis ir pasikartojimo dažnis yra koreguojami pagal lazerio galią, kaip parodyta 14.34 pav.
Pranešama, kad 0, 5 mm gylio nepertraukiamas suvirinimas gali būti pasiektas daugiau kaip 3 m / min. kai impulsų pasikartojimo dažnis yra 500 Hz, kai naudojama vidutinė 1 kW galia. Norint sukurti didelius ir siaurus siūlus dideliu greičiu, reikia trumpų impulsų. Vis dėlto reikia imtis atsargumo priemonių naudojant trumpus impulsus (žr. 1 m) ir didelę galią (pvz., 1 kW), nes per didelis garavimas ir medžiagų išmetimas gali įvykti suvirinimas.
Bendra konfigūracija :
Be 14.21 pav. Pateiktų jungčių, Nd: YAG lazerinis suvirinimas gali būti taikomas daugumai pagrindinių plokščių ir vamzdelių jungčių konfigūracijų, kaip parodyta 14.35 pav., O 14.36 pav. - pagrindinės lakštinių metalų jungtys, kurios gali būti lazerinės. suvirinti.
14.36 pav. Pagrindinės lakštinio metalo jungtys, kurias galima suvirinti lazeriu
Kai kurios tipinės jungtinės konfigūracijos, padedančios lazerio spinduliui patekti į jungtį ir dalies vietą, parodytos 14.37 pav. jie yra praktiški 3 mm ar didesnio storio inžinieriui. Tokios jungtys gali būti tikslios įrangos ir staklių gamybos, o jei jos yra kruopščiai pritaikytos kartu su mažu lazerinio suvirinimo siūlomu iškraipymu, gali išlaikyti minimalų apdirbimo apdirbimo pašarų kiekį.
Įrangos našumas:
Gali būti, kad lazerio ertmė su optine arba lazerine terpe gali sukelti reikiamą lazerio galią, bet su iškraipytu ar kitokiu šviesos režimo struktūru, tokiu būdu paveikdama fokusavimo taško dydį ir atitinkamai suvirinimo galios tankį. Nd: YAG blykstės lempų senėjimas gali sukelti tokią problemą.
Lazerio pluošto analizatoriai naudojami lazerinių spindulių ir jų režimo konstrukcijų skerspjūvio formai ištirti. Toks įtaisas gali būti naudojamas pluošto charakteristikų tikrinimui suvirinimo operacijos metu ir taip užtikrinant lazerio spindulio kokybės užtikrinimo metodą. Kai kurie analizatoriai rodo tik dviejų matmenų spindulio profilio vaizdą, tačiau naujesni analizatoriai, naudodami kompiuterinę grafiką, gali parodyti trimatį izometrinį vaizdą, kaip parodyta 14.38 pav.
Lazerio spindulių manipuliavimas:
„Nd: YAG“ lazeris yra labai universalus spindulio manipuliavimo atžvilgiu, taip pat kai vienas lazeris reikalingas daugeliui darbo vietų. Taip yra dėl to, kad trumpo bangos ilgis 1, 06 mm nuo „Nd: YAG“ lazerio gali būti perduodamas per optinį pluoštą su labai mažu galios praradimu. Šis gebėjimas reiškia, kad lazerio spindulys gali judėti tiesiai iš lazerinio bloko per lanksčią kabelį prie lazerinio pistoleto, sumontuoto ant roboto rėmo sujungto riešo, Fig.
Dėl to „Nd: YAG“ lazeris idealiai tinka gamybos automatizavimui. Be to, lazeris gali būti išdėstytas tam tikru atstumu nuo gamybos linijos ir prie jo prijungto lazerio spindulio. Vienas lazeris gali valdyti kelias darbo stotis, kad perjungtų lazerio spindulį iš stoties į stotį, tuo pačiu metu suvirinant vieną stotį, dalis pakrovimo ir iškrovimo automobilių vyksta kitose stotyse. Kita vertus, viena labai skirtinga stotis gali dalytis vienu lazeriu.
Nd: YAG lazerio daugialypis pluoštas gali būti padalintas, 14.40 (a) pav., Įstumiant įstrižus sijos lankstymo veidrodžius į ir per spindulio kelią. Taigi, pluošto skaldymo sistema kartu su šviesolaidinio pluošto tiekimo sistema gali vienu metu arba keliose darbo vietose vienu metu atlikti keletą suvirinimo siūlių. Kita vertus, spindulį galima perjungti iš eilės į 14.40 (b) skirtingus taškus, dažnai iki 30 m.
Yra pramoninės mikroskopinės suvirinimo sistemos, kuriose spindulys perjungiamas tarp aštuonių darbo vietų iki 40 kartų per sekundę. Kai Nd: YAG lazerio spindulys yra padalintas, kiekvienos skerspjūvio nelyginė forma homogenizuojama į fokusuojamą formą, perduodama ją per skaidulinę optiką.
Optinio pluošto perdavimo sistemos yra pačios paprastiausios ir universaliausios. Optinio pluošto medžiaga yra SiO 2 (kvarcas) ir paprastai yra mažesnė nei 1 mm skersmens.
Siekiant maksimalaus spindulių perdavimo efektyvumo, pluošto galai turi būti labai poliruoti ir puikiai kvadratiniai ir koncentriniai su kiekvienos skaidulos galuose esančių lęšių optine ašimi. Be to, įeinančio pluošto fokusavimo padėtis turi būti tiksli atsižvelgiant į pluošto galą.
Taip pat sumažėja spindulių perdavimo efektyvumas, jei pluoštas yra pernelyg sulenktas. 0, 5 mm skersmens SiO 2 pluošto leistinas lenkimo spindulys yra maždaug 100 mm prieš sumažinant efektyvumą, o 1 mm skersmens pluoštui saugus spindulys yra bent du kartus didesnis. Apskritai, bendras lazerio galios netekimas Nd: YAG lazerio ir skaidulinės optikos sistemai yra ne didesnis kaip 10–15%.
Optinio pluošto mazgai, naudojami lazerio suvirinimo galėms perduoti, yra tiksliai pagaminti ir visiškai skiriasi nuo naudojamų elektronikoje. Suvirinimui naudojami apsauginiai elementai yra apsaugoti dideliu ir tvirtu apvalkalu, kuriame yra lankstus plieno vamzdelis ir nailono apvalkalas, kaip parodyta 14.41 pav. Nors šios priemonės tinkamai apsaugo optinį pluoštą, jų pagrindinė funkcija yra atsitiktinai sugadinti pramoninę žalą, kuri gali sukelti lūžį ir leisti lazerio šviesai išvengti, o tai gali sukelti pavojingų pasekmių.
Lazerio spindulių pavojai:
Nesudėtingas lazerio spindulys, atsitiktinai išeinantis iš spindulio perdavimo tako, gali kelis šimtus metrų kelti ore, kol jis nepakankamai išsiplės, kad būtų saugus. Kita vertus, jei oda yra nukreipta į odą, ji gali sukelti labai gilius nudegimus ar net sunkias degimo skyles. Tačiau, fokusavimo taškas išplečia daug greičiau už fokusavimo taško, kuris paprastai pasiekia saugų skersmenį po kelių metrų.
Tikslus atstumas priklauso nuo fokusavimo f numerio; kuo mažesnis skaičius, tuo didesnis spindulių plitimo greitis. Taip pat gali kilti pavojus dėl apdailos spindulio atspindėjimo nuo ruošinio paviršiaus, ypač jei įsijungianti spindulys yra linkęs į ruošinį mažesniu nei 70 ° kampu.
Kadangi lazerio šviesa iš Nd: YAG arba CO 2 lazerio yra nematoma žmogaus akims ir ji važiuoja itin dideliu greičiu, maždaug 300 000 km / s, todėl bet koks išeinantis atspindėtas lazerio spindulys akimirksniu užteks visiems, keliaujantiems, sukeldamas rimtus odos nudegimus. Nesukurtas didelio galingumo lazerinis spindulys, kurio skersmuo yra kelių mm, jei atsitiktų ant kūno, gali būti palengvintas gyvenimas.
„Nd: YAG“ lazerio lazerio šviesa, kurios bangos ilgis yra 1, 06 pm, yra ypač pavojinga akiai, nes akies lęšis gali sutelkti šį bangos ilgį į labai mažą tinklainės tašką ir sukelti rimtus akių bumus. Deja, tinklainė neregistruoja skausmo, kurį sukelia tokių aklųjų dėmių, todėl akims daroma žala negali būti realizuota nedelsiant. Todėl, siekiant kuo greičiau nustatyti tokią žalą, privaloma reguliariai tikrinti lazerinio personalo akis.
Be žalos žmogui, išeinantis lazerio šviesa gali pradėti gaisrą ir lengvai išlydyti vamzdynus ir kabelių dangčius, todėl gali sukelti kitų nepageidaujamų pavojingų situacijų, darant įtaką kitų įrenginių saugiam naudojimui. Reikia nepamiršti, kad nesudėtingas lazerio spindulys iš daugelio kilovatų lazerio, jei jam suteikiamas laikas, lengvai sudegins plienines plokštes ir netgi priešgaisrines plytas.
Kadangi stiklas ir akrilas yra permatomi lazerio spinduliui nuo 1, 06 val. Bangos ilgio iš Nd: YAG lazerio, šios medžiagos neturėtų būti naudojamos žiūrėjimo langams teikti, nebent jos būtų padengtos specialiomis sugeriančiomis plėvelėmis.
Dėl didelio Nd: YAG lazerio didelės akies pažeidimo rizikos vietoj žiūrėjimo lango suvirinimo operacijos peržiūrai geriausiai tinka uždarosios grandinės televizijos sistema; su tinkamu fotoaparatu ir filtrais, gali būti atliekami išsamūs stebėjimai visiškai saugiai.
