Konfiguracja do spawania laserowego (z wykresem)

Po przeczytaniu tego artykułu dowiesz się o konfiguracji spawania laserowego za pomocą diagramów.

Słowo LASER oznacza "Jasne wzmocnienie przez stymulowaną emisję promieniowania". W spawaniu laserowym skoncentrowana, spójna wiązka światła uderza w pożądane miejsce, aby stopić i spawać metal. Światło spójne to takie, w którym fale są identyczne i równoległe i mogą przemieszczać się na duże odległości bez utraty intensywności lub odchylenia. Światło lasera jest nie tylko intensywne, ale może być łatwo zogniskowane bez zmniejszenia intensywności. Lasery zostały wprowadzone do przemysłu w 1950 roku.

Działanie lasera opiera się na fakcie, że gdy atom absorbuje foton (światło składa się z cząstek energii zwanych fotonami), zyskuje energię i przechodzi na wyższy poziom energii. Ten wzbudzony stan atomu jest krótkotrwały i spada do pośredniego poziomu metastabilnego stanu. W wyniku tego spadku atom traci energię cieplną, ale zachowuje energię fotonową.

Niedługo potem atom spada spontanicznie na pierwotny lub poziom ziemi, uwalniając energię fotonów w postaci światła. Zjawisko takiej emisji zdjęć pokazano schematycznie na ryc. 2.44. Emisja laserowa jest uzyskiwana, gdy górny poziom jest wystarczająco zaludniony kosztem niższego poziomu. Taka sytuacja nazywana jest inwersją populacji, a metoda jej uzyskiwania nazywa się pompowaniem.

Elementy lasingowe mogą być stałe, ciekłe, gazowe lub półprzewodnikowe. Niektóre z trwałych materiałów do lasingowania to rubin, granat erbowy, granat itrowy z domieszką neodymu lub YAG. Lasery stałe mają bardzo niską wydajność, zwykle poniżej 1%.

Płynne materiały lasera, takie jak tlenek neodymowy, są wydajniejsze niż lasery stałe w swojej mocy wyjściowej impulsu.

Gazy stosowane do lasingowania obejmują wodór, hel, azot, argon i dwutlenek węgla. Lasery gazowe mają najwyższą moc wyjściową i mogą być używane jako ciągłe lasery wiązkowe o wydajności nawet 25%.

Materiały półprzewodnikowe w stanie stałym obejmują monokryształy półprzewodników, takie jak arii galu i indu, stopy kadmu, selenu i siarki. Lasery półprzewodnikowe mają małą masę, niskie zużycie energii i bardzo wysoką wydajność do 70%.

Do celów przemysłowych często stosowanym materiałem laserowym jest rubin. Rubin jest tlenkiem glinu z atomami chromu w zakresie 0-05% w nim. Praktyczna forma lasera może składać się z pręta o średnicy ruby ​​10 mm i długości 100 mm z dokładnie szlifowanymi i wypolerowanymi końcami, z których jeden jest w 100%, a drugi w 98% odblaskowy.

Osiąga się to przez odpowiednie ich srebrowanie. Jony chromu z kryształem rubinu emitują promieniowanie wymuszone, a gdy intensywność promieniowania wzrasta przez wielokrotne wyładowania, wiązka laserowa światła monochromatycznego przechodzi przez mniej odbijający koniec rubinu, który jest skupiony przez soczewkę w miejscu, w którym jest potrzebny do spawania. Rys. 2.45 pokazuje układ lasera rubinowego. Wydajność lasera rubinowego jest bardzo niska, rzędu 1%. Pomimo tego, że lasery ruby ​​są szeroko stosowane jako narzędzie do spawania.

Czas trwania impulsu laserowego jest krótki i wynosi 10-9 sekund. Osiąga się to przez rozładowanie banku kondensatorów przez lampę błyskową ksenonową. Lampa błyskowa jest zasilana napięciem 18 kv. W ten sposób wiązka laserowa jest otrzymywana impulsowo. Możliwe jest, że duża liczba banków kondensatorów powoduje, że lampka ksenonowa miga ciągle, ale rubinowy pręt i układ odbicia są tak nagrzane, że nie jest możliwe utrzymanie ich w granicach ich działania.

Nawet przy najbardziej wydajnym chłodzeniu, impulsy powyżej 100 na minutę są trudne do uzyskania. Częstotliwość powtarzania impulsów (PRF) dla lasera rubinowego wynosi zwykle około 10-15. Tak więc większość energii pompowania jest marnowana w postaci ciepła. Jednak pomimo niskiego zużycia energii można go wykorzystać do spawania, ponieważ uzyskuje się bardzo wysokie stężenie energii rzędu 10 9 W / mm 2 .

Lampa łukowa ksenonowa to żarówka wytwarzana z optycznie przezroczystego kwarcu z dwoma elektrodami wolframowymi. W pozycji wyłączonej ciśnienie ksenonowe w lampie wynosi 10 atmosfer. Moc lampy ksenonowej jest dostarczana ze źródła prądu stałego bez napięcia ładowania co najmniej 70 woltów i zwisającej charakterystyki woltamperowej. Lampy łukowe ksenonowe mogą pracować nieprzerwanie przez setki godzin.

Najbardziej użytecznym laserem do spawania jest laser CO 2, w którym ośrodek lasera jest mieszaniną CO2, azotu i helu w stosunku 1: 1: 10 pod ciśnieniem od 20 do 50 torów (mm słupa rtęci) wyładowanie elektryczne do 30 000 woltów. Laser CO 2 może pracować w sposób ciągły z mocą wyjściową do 20 kW. Promień lasera składa się z promieniowania podczerwonego o długości fali 1, 06 μm, tj. 106, 00 A ° (1 Angstrom, A ° = 10 -10 m).

Laser CO 2 składa się ze szklanej rurki, w której przepływa mieszanina gazu. Na każdym z dwóch końców znajduje się jedna elektroda, pomiędzy którymi ustawia się wyładowanie wysokiego napięcia. Podobnie jak lasery stałe, na każdym z końców znajduje się jeden reflektor, z których jeden częściowo odbija. Przestrzeń między dwoma reflektorami nazywa się wnęką laserową. Promień lasera emitowany przez powierzchnię półodbiciową jest ogniskowany do pożądanego miejsca, jak pokazano na Rys. 2.46.

Spawanie wiązką laserową jest bardziej wszechstronne niż wiązka EBW, ponieważ może spawać metale w powietrzu, w osłonie gazów iw próżni. Może również spawać przez przezroczyste materiały, ponieważ wiązka laserowa nie jest przez nie zasłaniana. Obecnie z powodzeniem zastosowano wiązkę laserową do spawania płyt o grubości do 10 mm.

Komercyjnie, spawanie laserowe znajduje zastosowanie w inżynierii radiowej i elektronice, gdzie druty cienkie często są łączone z filmami na płytkach mikroprocesorowych, obwodach półprzewodnikowych i mikromodułach. Promień lasera może spawać najróżniejsze kombinacje metali stosowanych w mikroelektronice, takich jak złoto i krzem, german i złoto, nikiel i tantal, miedź i aluminium. Oczekuje się również, że będzie on stosowany w precyzyjnych pracach wysokiej jakości, takich jak w przemyśle lotniczym i szybkich zastosowaniach produkcji masowej, jak w przemyśle motoryzacyjnym.

Zwykle spawanie laserowe było z powodzeniem stosowane do spawania stali odpornych na stęenia i stopów tytanu, w których spoiny o wysokiej jakości produkowane są w arkuszach o grubości od 0-1 do 2 mm. Stwierdzono, że spoiny były szczelne próżniowo i miały 90% wytrzymałości metalu macierzystego. Prędkości spawania od 10 do 15 m / godz. Zostały wykorzystane do spawania laserowego.

Chociaż spawanie laserowe ma duży potencjał i oczekuje się, że będzie konkurować z EBW w najbliższej przyszłości, ale obecnie laser o dużej mocy jest rzadkim urządzeniem i jest niezwykle drogi.