Laserlassen: principes, karakteristieken en veiligheidsaspecten

Na het lezen van dit artikel leert u over: - 1. Inleiding tot laserlassen 2. Principe en mechanisme van laserlassen 3. Ruby-lasermateriaal en instellen 4. Bediening 5. Procesparameters 6. Laskenmerken 7. Laslasontwerp 8. Toepassingen 9. Varianten 10. Automatisering 11. Veiligheidsaspecten.

Introductie tot laserlassen:

Laser (lichtversterking door de gestimuleerde emissie van straling) lassen is misschien de nieuwste toevoeging aan de steeds groeiende familie van lasprocessen. De laserstraal is zeer directioneel, sterk, monochromatisch (van één golflengte) en coherent, dwz alle golven zijn in fase. Een dergelijke bundel kan worden gericht op een zeer kleine plek waardoor een zeer hoge energiedichtheid wordt verkregen die 10 ⁹ W / mm ² kan bereiken.

Aldus kan een laserstraal elk bekend materiaal, zoals de elektronenbundel, smelten of verdampen. Er zijn drie basistypes van lasers namelijk de solid-state laser, de gaslaser en de halfgeleiderlaser. Het type laser hangt af van de laserbron.

De solid-state lasers maken gebruik van kristallen zoals robijn, saffier en sommige kunstmatig gedoteerde kristallen, zoals met neodymium gedoopte yttriumaluminium-granaat (Nd-YAG) staafjes. De solid-state laser was de eerste succesvolle laser en het is gemakkelijk om het mechanisme van laserwerking door een dergelijke laser uit te leggen, bijvoorbeeld een robijnlaser.

Principe en mechanisme van laserlassen:

De functie van een laser is om licht te versterken. Gewoon licht kan niet als een laserlicht worden gebruikt, omdat stralingsenergie van een gewone lichtbron incoherent is en over een breed spectraal bereik wordt gedistribueerd, en monochromatische enkelkleurige bronnen bestaan ​​niet. Vanwege variante golflengten van verschillende kleuren die gewoon licht vormen, is het niet mogelijk om het te collimeren tot een scherp focus zonder de intensiteit op te offeren.

Voor zijn werking hangt de laser dus af van de emissie van straling die wordt gestimuleerd of teweeggebracht door de absorptie van elektromagnetische energie, of deeltjes van energie die fotonen worden genoemd, door atomen. Wanneer deze energie wordt geabsorbeerd, verhogen de elektronen in het atoom hun spin en breiden hun banen uit, waardoor de atomen in de aangeslagen toestand gaan.

Deze aangeslagen toestand is van korte duur en het atoom daalt onmiddellijk terug naar een tussenniveau of metastabiele toestand. Bij het terugvallen verliest het atoom zijn warmte-energie, maar behoudt het zijn fotonenergie. Kort nadat het atoom spontaan en willekeurig terugvalt naar de grondtoestand, waarbij de fotonenergie, of kwantumenergie, wordt vrijgegeven in de vorm van licht zoals afgebeeld in Fig. 14.17. Dit automatisch terugvallen naar het oorspronkelijke energieniveau, zonder daartoe gestimuleerd te zijn, wordt spontane emissie genoemd.

Zolang een atoom zich in een geëxciteerde toestand bevindt, kan het worden geïnduceerd of gestimuleerd om een ​​foton uit te zenden door een invallende golf van extern foton waarvan de energie exact gelijk is aan die van het foton dat door het atoom wordt vrijgemaakt in het geval van spontane emissie. Dit is de zogenaamde geïnduceerde of gestimuleerde emissie van straling.

Als een resultaat wordt de invallende golf versterkt door de golf die wordt uitgezonden door het geëxciteerde atoom. Voor het produceren van een laserstraal is het essentieel dat de uitgezonden golf exact in fase is met de golf die deze veroorzaakt. Op deze manier kunnen lasers elektrisch licht, thermische of chemische energie omzetten in monochromatische, coherente straling in de ultraviolette, zichtbare of infrarode gebieden van het elektromagnetische spectrum.

Onder de solid-state lasers die voor industriële doeleinden worden gebruikt, is het lasermateriaal vaak robijn. Ruby is aluminiumoxide, waarbij ongeveer 0-05% chroomatomen zijn. De chroomatomen leveren niet alleen actieve ionen voor laserwerking, maar geven de robijn zijn karakteristieke rode kleur. Chroomionen zenden rood licht uit wanneer ze worden gestimuleerd door groen licht. Om de laseractie te laten plaatsvinden, moet het gestimuleerde emissieproces vaker plaatsvinden dan het tegengestelde proces van fotonabsorptie. Volgens de kwantumtheorie hangt de waarschijnlijkheid van deze twee processen alleen af ​​van de relatieve populatie van het betrokken energieniveau volgens de Boltzmann-ratio.

N ₂ / N ₁ = exp E ₁ - E ₂ / kT ....... (14, 3)

waar,

N ₁ = aantal atomen op lager energieniveau E _1,

N ₂ = aantal atomen op een hoger energieniveau E _2,

T = absolute temperatuur,

k = Boltzmann's constante.

Laseremissie wordt verkregen wanneer het bovenste niveau wordt gevuld ten koste van het onderste niveau. Een dergelijke situatie wordt aangeduid als populatie-inversie en de methode om dit te bereiken wordt POMPEN genoemd. Solid-state lasers worden optisch gepompt door een flitsbuis.

Miljarden atomen, moleculen of ionen van het actieve medium absorberen energie wanneer ze worden gepompt, wat ze gedurende een zeer korte maar willekeurige levensduur houden, wanneer hun levensduur verloopt, geven ze hun energie op in de vorm van een foton en keren ze terug naar hun voormalige foton. staat tot opnieuw gepompt. De vrijgekomen fotonen bewegen in alle richtingen in relatie tot de optische as van de laser.

Als een foton botst met een ander geactiveerd atoom, enz., Zorgt het ervoor dat het foton voortijdig loslaat en de twee fotonen zullen in fase voortbewegen tot de volgende botsing. Fotonen die niet evenwijdig lopen aan de optische as van de laser gaan snel verloren van het systeem.

Diegenen die parallel aan de as reizen hebben hun padlengte aanzienlijk uitgebreid door de optische terugkoppeling die wordt verschaft door de spiegels, voordat de laserholte door de gedeeltelijk doorlatende spiegel wordt verlaten. Deze actie helpt bij het verkrijgen van een sterk gecollimeerde coherente lichtstraal van het vereiste vermogensniveau.

Bundelvermogen en modus:

De vermogensdichtheid over de diameter van een laseruitvoerbundel is niet uniform en is afhankelijk van het laseractieve medium, de interne afmetingen, het ontwerp van de optische terugkoppeling en het gebruikte excitatiesysteem. Het transversale dwarsprofiel van een laserstraal, die de energieverdeling toont, wordt de transversale elektromagnetische modus (TEM) genoemd. Er kunnen veel verschillende TEM's voor worden ontworpen en elk type krijgt een cijfer.

Over het algemeen geldt dat hoe hoger het getal, des te moeilijker het is om de laserstraal op een fijne plek te richten om een ​​hoge vermogensdichtheid te bereiken, wat erg belangrijk is bij laserlassen. Lasers met TEM ₀₀, TEM ₁₀, TEM ₁₁, TEM ₁₁ en TEM ₂₀ en combinaties van deze modi worden vaak gebruikt. Fig. 14.17 (A) toont de basisvormen van de bundelvermogenprofielen van deze modi. Sommige lasers produceren verschillende modi en deze worden meestal multi-mode werking genoemd.

Ruby-lasermateriaal en opstelling van laserlassen:

Ruby-laserapparatuur bestaat in wezen uit een laserkop en een voeding. 14.18 toont een schema van een dergelijke laser. Het bestaat uit een robijnrode staaf met een diameter van ongeveer 5-15 mm en een lengte van ongeveer 100 tot 200 mm. De diameter en lengte van de robijnrode staaf bepalen het vermogen van laseremissie.

De uiteinden zijn gepolijst tot optische vlakken en vervolgens verzilverd om een ​​100% reflecterend oppervlak aan het ene uiteinde te verkrijgen en 90-98% reflecterend op het andere uiteinde dat de uitvoer van de laserstraal levert. De afstand tussen de twee reflecterende uiteinden verschaft de resonantieholte bij frequenties waarvoor de afstand een integraal aantal halve golflengten is.

De reflecterende oppervlakken worden geproduceerd door een van de twee soorten coatings. Eén type coating wordt geproduceerd door een dunne laag metaal aan te brengen, zoals aluminium, zilver of goud. Een dergelijke metallische coating kan echter bij gebruik worden verbrand en daardoor zijn reflecterende kwaliteit verliezen.

Een reflecterende coating met hogere prestaties kan worden geproduceerd door de uiteinden van het lasermateriaal te bekleden met meerdere niet-geleidende films, waardoor een diëlektrische spiegel wordt geproduceerd. De diëlektrische spiegel is afhankelijk van de interferentie tussen de lichtgolven die worden gereflecteerd door de meerlagige films, die meestal bestaan ​​uit sulfiden en fluoriden.

De gepolijste robijnrode staaf bevindt zich in het midden van de laserkop en is ingesloten in een transparante glazen buis. Koud stikstofgas circuleert over het oppervlak van de robijnstaaf en stroomt uit via een retourpad buiten de glazen buis. Tussen de glazen buis en de flitsbuis bevindt zich een geëvacueerde dubbelwandige glazen buis om een ​​vacuümscherm te bieden.

De dubbelwandige vacuümbuis bevat vloeibare stikstof die zorgt voor de toevoer van koud gas dat wordt verdiend door een geïsoleerde slang aan de laserkop. De vacuümbuis verhindert de warmtestroom van de flitsbuis naar de robijnstaaf, maar de transmissie van licht wordt niet veel beïnvloed.

Een buitenste schaal in een dubbel elliptisch reflecterende cilindrische omhulling is verschaft om het gehele samenstel te omsluiten om de maximale hoeveelheid licht aan de robijnstaaf te geven, zoals getoond in figuur 14.19. Er is een suppressor aanwezig om boogvorming tussen de Xenon-flitslamp en de buitenschil te voorkomen. De flitslamp is het meest efficiënt als deze warm is. Daarom, om het warm te houden en tegelijkertijd boogvorming als gevolg van vocht te voorkomen, wordt er continu hete lucht rond de flitslamp gecirculeerd.

Het voedingssysteem van de laserlaseenheid bestaat uit de voedingseenheid voor de flitsbuis, de solenoïde-bediende sluiter en een verlichtingstransformator op een bank, en de laserkop. De flitsbuis wordt geactiveerd met een voeding van 18 KV. Het flitsbuiscircuit bevat instelbare spoelen voor het variëren van de ontlaadtijd, die op zijn beurt de duur varieert van de lichtpuls die door de flitsbuis wordt afgevuurd.

Voor het pompen van een robijnlaser wordt meestal een Xenon flitsbuis gebruikt die bestaat uit een lamp vervaardigd uit optisch transparant kwarts dat twee wolfraamelektroden omsluit. Als de lamp uit is, is de druk in de lamp 10 atmosfeer. De voeding voor de Xenon-lamp wordt geleverd door een DC-bron met een nullastspanning van ten minste 70 volt en een hangende voltampère-eigenschap.

De Xenon-flitslampen kunnen honderden uren continu worden gebruikt met een snelheid van duizenden flitsen per seconde. Een intense enkele flitsbron kan een uitgang hebben die loopt tot tientallen miljoenen piekkaarskracht, en een kortebooglichtbron kan een flitsduur hebben van slechts 1μ.sec (één microseconde). Door op deze manier te werken, wordt de lamp een efficiënte inrichting voor het omzetten van elektrische energie in lichtenergie, hetgeen het proces is van het pompen van de laser.

Omdat het laserlicht vrijwel monochromatisch is, in essentie gecollimeerd en coherent, is het gemakkelijk om het te focussen met behulp van de algemeen gebruikte optische apparaten zoals prisma's en lenzen. De straal is echter ook gefocust op halogenidelenzen en een spiegelsysteem.

Lasers worden geclassificeerd als lasers met laag vermogen (10 kW).

Werking van laserlassen:

De robijnlaser wordt gepompt door een Xenon- of een Krypton-flitsbuis. Wanneer de flitsbuis de staaf verlicht, worden de meeste chroomatomen in een aangeslagen toestand gebracht. Laseractie vindt plaats in de robijnstaaf wanneer ruim de helft van de chroomatomen zijn gepompt naar het hoge energieniveau of de metastabiele toestand die populatie-inversie veroorzaakt. Laseractie begint als een geëxciteerd atoom spontaan een foton langs de as van de robijnroede uitzendt.

Dit foton zal een ander opgewonden atoom stimuleren om een ​​tweede (of geïnduceerd) foton uit te zenden. Dit proces gaat cumulatief door omdat de fotonen worden gereflecteerd door de staafeinden en de resonante holte doorkruisen die herhaaldelijk een golffront vormt. Als resultaat van deze meerdere reflecties van beide uiteinden van de robijnroede is de bundelkracht tot een enorm niveau opgebouwd.

Als de intensiteit van het licht van de flitsbuis een bepaald kritisch niveau overschrijdt, vindt de laserwerking plaats en wordt een krachtige fotonenbundel met een golflengte van 6943A in een paar duizendsten van een seconde uitgestraald. De uitgaande laserstraal is zeer directioneel, sterk, monochroom en coherent.

De energiedichtheid van een lichtbundel op de locus van een lens wordt gegeven door de vergelijking:

ρ = E / V ......... .. (144)

waar,

ρ = energiedichtheid,

E = straalenergie,

V = focusvolume.

Het focusvolume voor een laserstraal is erg klein. Daarom kan de energiedichtheid van een dergelijke bundel op de focus zeer hoog zijn, reikend tot ¹⁰⁷ W / cm2. De duur van een laserpuls is kort, in de orde van ^10-9 seconden.

Bij laserlassen is het belangrijk dat pulsen maximale duur en minimale afstanden hebben, dat wil zeggen, een hoge pulsherhalingsfrequentie (PRF). Robijnlasers hebben echter een laag rendement en een groot deel van de pompenergie wordt omgezet in warmte. Dat zorgt ervoor dat de robijnroede erg heet wordt en daarom kan de flitsbuis niet goed werken bij hoge PRF's.

Dit vereist het onttrekken van zoveel mogelijk van de warmte gegenereerd door optisch pompen als mogelijk; Voor bijvoorbeeld een solid-state laser met een gemiddelde output van 400 W, moet het koelsysteem ongeveer 15 KW afvalwarmte verwijderen. PRF en vermogen van lasers worden dus beperkt door hun koelsystemen. De efficiëntie van robijnlasers is erg laag; ongeveer 0-1%. Ondanks dit feit worden robijnlasers echter op grote schaal gebruikt als lasgereedschap.

Met bestaande laslasers kan de PRF variëren van 1 tot 100 per minuut. Het gebied gepenetreerd door een enkele laserpuls is een fractie van een mm. Dit is de reden waarom dergelijke lasers in de volksmond worden gebruikt voor het maken van alleen spotverbindingen.

Vanwege hun lage PRF en laag vermogen kunnen de lasers tot nu toe niet wedijveren met EBW-proces dat in zeer zware metalen zeer smalle en diepe penetratielassen kan maken. Laserstraallassen in vergelijking met elektronenstraallassen is echter veelzijdiger omdat het metalen in de lucht, in het gasscherm en zelfs in vacuüm kan lassen. Ook kan een laserstraal door transparante materialen lassen omdat ze de doorgang van laserlicht niet belemmeren.

Veel van het licht van een laser passeert de zijkanten van de robijnroede en wordt geen onderdeel van de laserstraal. Ondanks het uiterst lage rendement, zijn deze energieverliezen acceptabel omdat de gefocusseerde lichtvlek van een laser miljoenen keren intenser is dan het licht van de flitslamp dat de lasactie initieert en feitelijk vele malen intenser is dan het licht van die golflengte uitgestraald uit een equivalent gebied van het oppervlak van de zon.

Het laserlicht uitgestraald door de robijnrode staaf is op de juiste manier gevormd en op het werk gericht door een optisch systeem bestaande uit een prisma, een lens en een accessoire lens. Verschillende accessoire lenzen kunnen, indien nodig, worden opgenomen in het optische systeem om de bundel te focusseren naar een spot met een diameter van 0-25 tot 0-05 mm. De energiedichtheid bij het gefocusseerde punt is zo hoog dat elk bekend materiaal kan worden gesmolten, verdampt of gelast met een dergelijke gefocusseerde laserstraal.

Een laserstraal wordt gedeeltelijk gereflecteerd of afgebogen door gladde metalen oppervlakken, terwijl een elektronenstraal dat niet is. Wanneer een aanzienlijk deel van een laserstraal wordt gereflecteerd, kan dit de overdracht van energie naar het werkstuk belemmeren. Wanneer de energiedichtheid van een gefocusseerde laserstraal echter 10 KW / mm2 overschrijdt, vindt een opmerkelijke verandering in de hoeveelheid energie geabsorbeerd door het oppervlak plaats zoals getoond in Fig. 14.20.

Zodra dit drempelniveau is overschreden, vindt een verbeterde energieoverdracht plaats en veroorzaakt de laserstraal een type penetratie van het sleutelgat. Deze verbetering in energieoverdracht is geassocieerd met de ontwikkeling van plasma over het werkoppervlak. Hoewel dit in het beginstadium een ​​voordeel is, wordt het genereren van overmatig plasma over het smeltbad uiteindelijk een belemmering voor de straal.

Voor het produceren van gladde, goed gevormde kralen is het essentieel om het smeltbad te beschermen met een beetje inert gas en helium blijkt het beste doel te dienen.

Lassen met een laserstraal is niet echt uitvoerbaar onder een vermogensniveau van 1, 5 kw; terwijl boven dit niveau het maximale penetratievermogen ongeveer 2 mm / kw is.

Procesparameters voor laserlassen:

Selectie van procesparameters is gebaseerd op drie factoren:

(i) aantal condensatoren en de corresponderende spanning om het gewenste energie-ingangsniveau te verkrijgen, gebaseerd op de relatie,

E = 1 / 2CV ² ......... .. (14-5)

waar,

C = capaciteit

V = spanning

(iii) juiste selectie van optica voor het regelen van de grootte en vorm van de bundelvlek,

(iii) Selectie van het brandpunt van de straal op of boven het oppervlak van het werkstuk.

Het aantal condensatoren dat wordt gebruikt om het gewenste energieniveau te verkrijgen, is een kritische overweging. Toename van het aantal condensatoren in het circuit resulteert in een langere pulscyclustijd met een daaruit voortvloeiende afname van het vermogen van de pulsbundel.

Om een ​​volledige penetratiegeluidslas te verkrijgen zonder ondersnijding, is het wenselijk dat:

(i) Het vermogen van de laserstraal moet voldoende zijn om het metaal te smelten, maar niet hoog genoeg om het te verdampen met de geselecteerde lassnelheid,

(ii) De pulscyclustijd is lang genoeg om de warmte door de dikte van het materiaal te leiden.

Een andere factor is de locatie van het brandpunt van de straal ten opzichte van het oppervlak van het werkstuk. Maximale penetratie treedt op wanneer de bundel enigszins onder het oppervlak is gefocusseerd. Penetratie is minder wanneer de bundel op het oppervlak of diep in het werkstuk is gericht. Diepte van penetratie neemt toe met toename van het bundelvermogen.

Laskarakteristieken voor laserlassen:

Laserlassen is gebruikt om soortgelijke en ongelijksoortige metalen verbindingen te produceren met staal, koper, nikkel, roestvrij staal, aluminiumlegeringen, legeringen op basis van ijzer-nikkel, titanium en de vuurvaste metalen en legeringen.

Vanwege de zeer lage specifieke energieinvoer naar het werk worden de door warmte beïnvloede zone en de thermische schade aan het materiaal naast de las tot een minimum beperkt. Wortelporositeit is waargenomen in sommige scheepsbouwstaalsoorten en dit wordt beschouwd als te wijten aan de onbevredigende snelheid van het bundelvermogen.

Wortelporositeit in lassen met dubbele doorgang is geassocieerd met gasontwikkeling en onvoldoende tijd voor verwijdering ervan. Adequate taaiheid is aangetoond, door middel van een zijwaartse buigingstest, in de meeste lassen in deze staalsoorten. Autogene laserlassen met diepe penetratie vertonen mechanische eigenschappen die gunstig zijn in vergelijking met conventioneel booglassen met behulp van vulmetaal.

Lasmetaalzuivering vindt plaats onder bepaalde omstandigheden tijdens het lassen van staal als gevolg van preferentiële absorptie van de straal door niet-metallische insluitsels in het metaal, hetgeen resulteert in hun verdamping en verwijdering. De waarneming van smeltlaszuivering tijdens laserlassen van verschillende ferro-basislegeringen geeft aan dat dit een uniek kenmerk kan zijn van diepe penetratie, autogeen laserlassen.

Metallografische inspectie van staallassen toonde ook een afname in inclusie-inhoud die wordt geacht verantwoordelijk te zijn voor toename van charpy shelf-energie en relatief grove korrelgrootte en derhalve de hoge overgangstemperatuur.

Van de vaak gebruikte structurele legeringen zijn aluminiumlegeringen het moeilijkst te laseren door hun hoge initiële oppervlaktereflectiviteit en porositeitsvorming vergelijkbaar met die bij booglassen.

Onderzoek naar het lassen van corrosiebestendige staalsoorten en titaniumlegeringen heeft aangetoond dat de verbindingen van hoge kwaliteit kunnen worden gemaakt op plaat 0-1 tot 2 mm dik. De lassen zijn vacuümdicht en hebben 90% van de sterkte van het moedermetaal. De lassnelheid die wordt gebruikt voor dergelijke lassen is 17-25 cm / min.

Laslasontwerp voor laserlassen:

Gezamenlijke ontwerpen en fit-up gebruikt bij laserlassen zijn over het algemeen vergelijkbaar met die gebruikt voor elektronenstraallassen. Sommige van de gezamenlijke ontwerpen die worden gebruikt voor het laserlassen van plaatmetaal worden echter ook getoond in figuur 14.21. Een voegopening van meer dan 3% van de materiaaldikte kan normaal leiden tot onvoldoende vullingen. Vergelijkbare resultaten worden verkregen als overmatige energie wordt gebruikt voor lassen, resulterend in doorval. Ondervullen wordt verholpen door het toevoegen van vulmetaal tijdens ofwel de primaire laspass of een cosmetische tweede passage. Filler-metaal wordt soms toegevoegd om de lasmetaalchemie te modificeren. In een dergelijk geval kan een vierkante groef met een smalle spleet of een V-groef worden gebruikt om de gewenste vulstoftoevoeging te verschaffen.

In het algemeen geldt dat ook voor het laserlassen de beproefde procedure voor de voorbereiding van lasverbindingen geldt. Een neerwaartse of vlakke laspositie verdient de voorkeur, hoewel lassen op de juiste positie zoals horizontale, verticale en bovenliggende lassen kunnen worden gemaakt onder omstandigheden die ruim binnen de sleutelgatlasmodus liggen.

Toepassingen van laserlassen:

Een van de belangrijkste voordelen van laserlassen is het genereren van intense hitte die een extreem klein gebied beïnvloedt, waardoor de vereiste energie-input voor het maken van een las laag is. Vanwege dit kenmerk van het proces kan het worden gebruikt om verschillende metalen te lassen met sterk variërende fysische eigenschappen. Ook zijn metalen met relatief hoge elektrische weerstand en componenten van aanzienlijk van elkaar verschillend en kunnen massa's worden gelast.

Normaal gesproken wordt geen lasermetaal gebruikt bij het laserlassen. Daarom kan elke component in een bepaalde positie worden gelast, op voorwaarde dat de laserstraal op dat punt kan worden scherpgesteld. Lassen met hoge precisie kunnen zelfs in een metaaldikte van een fractie van een mm worden gemaakt. Vanwege zeer hoge verhittings- en koelsnelheden bij laserlassen is de korrelgroei beperkt, evenals het verlichten van de spanning en het rechttrekken van de las.

Een van de toepassingen die met name geschikt is voor hedendaagse lasers, is het maken van microverbindingen. Daarom is laserlassen bijzonder geschikt gebleken voor radiotechniek en elektronica voor het lassen van fijne draadleidingen naar films op microcircuitborden, halfgeleidercircuits en micromodules.

De laserstraal kan de meest uiteenlopende componenten van metaal in micro-elektronica lassen, bijvoorbeeld goud en silicium, goud en germanium, nikkel en tantaal, koper en aluminium kunnen allemaal met succes worden gelast door laserstraallassen.

Lassen van nikkeldraden met een diameter van 0, 5 mm in parallelle configuratie, puntlassen van 0, 125 mm dikke nikkellinten, hermetische afdichting van elektronische modules, en lassen van titanium buizen met een wanddikte van 0, 25 mm tot 0, 625 mm dikke titaniumschijf zijn enkele specifieke toepassingen die zijn gerapporteerd over het gebruik van laserstraallassen.

Varianten van laserstraal lassen:

Afgezien van de solid-state lasers zoals de robijnlaser, zijn er ook lasers waarin de lasermaterialen vloeistoffen zijn, zoals oplossingen van neodymiumoxide, sommige kleurstoffen, enz. Anorganische vloeibare lasers liggen zeer dicht in hun mogelijkheden en prestaties tot gepulseerd solid-state lasers maar overschrijdt ze in termen van pulsvermogen-output omdat hun laserelementen een groot volume hebben.

De derde en meest efficiënte klasse van lasers is die waarin de lasermaterialen eenkristallen zijn van halfgeleiders zoals gallium en indiumarsenide, cadmium, selenium en zwavel, enz. Halfgeleiderlasers hebben een laag gewicht, hebben weinig input nodig energie en hebben een hoog rendement van maximaal 70%.

Vierde en misschien wel de belangrijkste klasse van lasers is degene die gassen en hun mengsels gebruikt, zoals waterstof, stikstof, argon en koolstofdioxide. Gaslasers hebben het breedste spectrum van straling en het hoogste vermogen in continu-golf (CW) -bedrijf in combinatie met een vrij hoog rendement van 15 tot 25%.

Van al deze varianten worden CO ₂ -gaslasers en ND: YAG-lasers het meest uitgebreid gebruikt voor industriële toepassingen omdat ze in staat zijn tot duurzame multikilowattwerking en daarom worden deze hier in detail besproken.

Automatisering bij laserstraallassen:

Het menselijk oog kan worden gebruikt om de laserstraal te observeren, mits deze zich binnen het zichtbare gebied bevindt (golflengte tussen 0, 3 en 0, 7 μm) van het spectrum. Meestal is het laserlicht dat voor het lassen wordt gebruikt echter onzichtbaar voor het menselijk oog, zoals blijkt uit Fig. 14.45, dat richtlijnen geeft met betrekking tot de locatie van het spectrum van enkele van de meer populaire laserstraal-golflengten. Het is daarom absoluut noodzakelijk om automatisering te gebruiken voor een effectief en succesvol gebruik van laserstraal voor lassen, anders kan dit leiden tot onaanvaardbare kwaliteitsfabricage of zelfs tot ernstige ongelukken.

Wanneer automatisering of meer efficiëntie vereist is, worden laserstraalpositiedetectors gebruikt om de laserstraal te lokaliseren en te positioneren. Voor dit doel zijn positiedetectors beschikbaar voor een of twee dimensionale detectie van de laserstraal. Een vereenvoudigd diagram van een laseruitlijnsysteem met een kwadrantdetector wordt getoond in Fig. 14.46. Elk kwadrant van de detector is een afzonderlijke fotodiode die een elektrisch uitgangssignaal produceert dat evenredig is aan het lichtvermogen dat het ontvangt.

Als de invallende laserstraal gecentreerd is op de detector, ontvangt elk segment van de kwadrantdetector dezelfde hoeveelheid vermogen. Wanneer de laserstraal niet gecentreerd is, zullen één of twee kwadranten van de detector meer lichtvermogen ontvangen. Er zijn systemen ontworpen die de uitgangen van kwadrantdetectoren gebruiken om de laserstraalpositie ten opzichte van het midden van de detector te bepalen. Recente ontwikkelingen in computerzichtsystemen hebben tweedimensionale diode-array-detectiesystemen algemeen beschikbaar gemaakt in de industrie. Voor eendimensionale centrerende voering kunnen fotodiode of laterale effectfotodiodes worden gebruikt.

Met behulp van een geschikte positiedetector in combinatie met een geautomatiseerd / Robotic-systeem is het mogelijk om de gewenste kwaliteit in gelaste fabricage te bereiken.

Veiligheidsaspecten van laserlassen:

De normale gevaren verbonden aan laserstraallassen zijn oogletsel, brandwonden op de huid, effect op het ademhalingssysteem, elektrische schokken, chemische risico's en gevaren bij het hanteren van cryogene koelmiddelen.

Laserstralen genereren tijdens normale werking geen röntgenstraling, maar produceren wel licht van een hoge intensiteit dat het gezichtsvermogen van het oog kan beschadigen of ernstige brandwonden kan veroorzaken. Als de golflengte tussen 0, 4 en 1, 4 μm ligt, focust het menselijk oculair systeem de invallende bundel met wel 105 keer op het netvlies. Dit golflengtegebied wordt het oculaire focusgebied of het retinale gevarengebied genoemd.

De zichtbare proportie van het oculaire focusgebied waarin het oog kleur detecteert, varieert slechts van ongeveer 0, 4 tot 0, 7 μm. Golflengten in het bereik van 0, 7 tot 1, 4 μm worden niet gedetecteerd door het netvlies, ze zijn onzichtbaar voor het oculaire systeem, hoewel ze focuseerbaar zijn door het oog.

Dus, als de golflengte van de bundel zich in het oculaire focusgebied bevindt, treedt oogbeschadiging op in de retinale weefsels omdat zeer weinig energie wordt geabsorbeerd door het hoornvlies, de lens en de waterige weefsels. Golflengten buiten het focusseerbare gebied worden echter door de buitenste componenten van het oog geabsorbeerd, waardoor vooral het hoornvlies wordt beschadigd.

Het is daarom noodzakelijk om vooraf kennis te hebben van de golflengte van de laserstraal en Fig. 14.45 geeft de nodige informatie.

Er moet op worden gelet dat een geschikte bril voor het specifieke lasersysteem wordt gebruikt. Bij langere infrarode golflengten, bijvoorbeeld 10, 6 μm golflengte van CO ₂ -laser, is zelfs gewoon glas ondoorzichtig.

Het is een gebruikelijke praktijk om ervoor te zorgen dat werkgebieden rond lasers worden geverfd met lichte kleuren en helder worden verlicht.

De huid absorbeert alle lasergolflengten, maar voor huidbeschadiging is veel meer energie nodig dan voor oogbeschadiging en voor schade is meer energie nodig van lasers met continue golf dan van gepulseerde lasers. Als een laser continu straling uitzendt gedurende minimaal 0, 25 seconden, wordt deze beschouwd als een continue golflaser. Excimer- en CO ₂ -lasers hebben met name het vermogen om de huid te beschadigen. Vlamvertragende shirts en handschoenen met lange mouwen bieden in de meeste gevallen voldoende bescherming van de huid.

Hoewel de laserstraal niet wordt afgebogen door de elektrostatische of elektromagnetische velden, wordt de straal gedeeltelijk gereflecteerd of afgebogen door gladde metalen oppervlakken die het oog of de huid kunnen aantasten, en laserbrandwonden kunnen diep zijn en zeer traag om te genezen.

Bij de meeste lasersystemen wordt gebruik gemaakt van hoogspanningsstroom met hoge stroomsterkte, waardoor de mogelijkheid van dodelijke elektrische schokken altijd aanwezig is. Eigenlijk hebben bijna alle ernstige of dodelijke ongevallen met lasers te maken met de elektrische voeding. Werk dus nooit alleen als u rechtstreeks een krachtige laser bedient.

Giftige of fijne metaaldampen kunnen worden gevormd tijdens diep doordringen en proeflassen op kunststoffen. Ernstige plasmageneratie kan ozon produceren waarvoor een toereikende voorziening voor ventilatie- en uitlaatsystemen noodzakelijk is.

Concluderend kan gezegd worden dat laser net zo veilig is als elk ander hoogenergetisch gereedschap en op de juiste manier moet worden behandeld. Het is de verantwoordelijkheid van de gebruiker om te leren hoe hij correct moet omgaan.