Structuur van Nd: YAG-laser (met diagram)
Na het lezen van dit artikel leert u over de structuur van Nd: YAG laser met behulp van geschikte diagrammen.
Een Nd: YAG-laser bestaat uit een resonator, reflecterende en doorlatende spiegels en een voedingseenheid, zoals schematisch weergegeven in figuur 14.26.
De resonator of optische holte van de Nd: YAG-laser bestaat uit een flastlamp, laserstaaf, reflector en spiegels. De laserstaaf is een Yttrium-aluminium-granaat (YAG) bestaande uit Y 3 A 15 O 12 isometrisch kristal geïmplanteerd met zorgvuldig verdeelde 1% neodymium (Nd) -ionen. Dit kristal werd ontwikkeld door Geusic et al in 1962. De thermische geleidbaarheid ervan is tien keer die van glas. Continue oscillatie is mogelijk met YAG.
De Nd 3+ ionen vormen het oscillerende medium om laserwerking op vier niveaus te geven die typisch is voor lasers in vaste toestand. De vier energieniveaus aangeduid als E 0 tot E 3 en een laserovergang van Nd 3+ ionen worden getoond in Fig. 14.27. Zelfs als de concentratie van Nd 3+ ionen in kristal toeneemt, wordt het spectrum van het oscillerende licht niet breed, omdat de valentie- en ionstraal van Nd 3+ niet veel verschillen van die van Y 3+ .
Onder de solid-state lasers is Nd: YAG nu het populairst voor gebruik bij lassen. Eerdere robijnlasers waren populairder, maar nu wordt Nd: YAG-laser op grotere schaal gebruikt in de industrie vanwege de goede thermische eigenschappen van YAG-kristallen. Fig. 14.28 toont schematisch de essentiële kenmerken van een Nd: YAG laserlaseenheid.
De voeding van de Nd: YAG-lasereenheid genereert stroompulsen van de gewenste amplitude en duur en voedt deze in een elektrische booglamp of een spiraalflitslamp. De eerste wordt gebruikt voor oscillerende continue golf (CW) en de laatste voor het gepulseerde golf (PW) -licht. De YAG-staaf en bekrachtigingslamp zijn geïnstalleerd in de holte van een reflecterende spiegel. De vorm van de holte is een elliptische cilinder of een dubbele ellipsoïde; enkele typische holtes die in de praktijk worden gebruikt, worden getoond in Fig. 14.29.
Maximaal licht wordt in de laserstaaf gepompt met behulp van een reflectorsamenstel, waardoor de Nd-ionen worden geprikkeld om een laserstraal te produceren door spontane en gestimuleerde emissie. De gepulseerde excitatie van de laserstaaf resulteert in het genereren van een puls van laserlicht in hoofdzaak van dezelfde pulsduur als de stroompuls van de voeding. Hoewel continue Nd: YAG-lasers met een continue golf ook zijn ontwikkeld, maar niet alom worden gebruikt voor lassen.
Het vermogen om de huidige pulsparameters te regelen, maakt de regeling mogelijk van de diepte, het profiel en het uiterlijk van de laspenetratie. Typische pulsduren voor een Nd: YAG-las laser variëren van 0, 5 tot 20 m sec en de herhalingsfrequentie van 5 tot 500 hertz.
Laserstraal vlekdiameter en f-nummer :
Laseruitgangsbundeldiameters nemen toe met het vermogen van de laser, bijvoorbeeld 1, 5, 10 en 25 kw lasers hebben straaldiameters in de orde van 10, 25, 40 en 70 mm respectievelijk. De gemiddelde vermogensdichtheid over de diameters ligt in de orde van 6 tot 13 W / mm2; de feitelijke concentratie van het vermogen wordt verdeeld volgens de bundelmodus (zie figuur 14.17 A). Voor sleutelgatlassen door middel van laserstraal zijn vermogensdichtheden in de orde van 103 tot 10 5 W / mm2 vereist, hetgeen het focusseren van laserstraal op een zeer kleine plek met slechts een fractie van mm in diameter noodzakelijk maakt.
De gefocusseerde puntgrootte wordt bepaald door de laserstraaldiameters, de brandpuntsafstand van de gebruikte focusseeroptica, de straalmodus en de bundelafwijkingshoek (de divergentiehoek is de hoek waarbij de bijna parallelle laserstraal zich voortplant bij het verlaten van de laser).
Nd: YAG-laslasers hebben over het algemeen grotere divergentiehoeken dan CO 2 -lasers en kunnen daarom niet worden scherpgesteld op zeer kleine spotgroottes zonder een collimator te gebruiken die vóór de focusseerlens is geplaatst (dwz een telescoop in omgekeerde richting).
De benaderde gefocusseerde spotgrootte voor deze lasers wordt meestal geschat op basis van de volgende formule:
Gerichte spotdiameter = 2θF ... (14.1)
waar,
θ = de divergentiehoek (radialen) van de laserstraal bij het verlaten van de laser of collimator,
F = de brandpuntsafstand (mm) van de gebruikte focusseerlens.
Hoewel de gerichte spotdiameter een belangrijke parameter is, maar vanuit een praktisch standpunt, is het focusseffect groter om tolerante lasomstandigheden vast te stellen waarbij f-aantal wordt gedefinieerd als een verhouding van de brandpuntsafstand van de focusseeroptiek (F) tot de laserstraaldiameter ( Dood gaan,
Focus f nummer = F / D ... (14.7)
De invallende bundeldiameter, figuur 14.30, moet worden vastgesteld voor Nd: YAG-lasers door een fotografische afdruk te maken.
Tenzij lassnelheid van het grootste belang is, is het het beste om de gefocusseerde puntgrootte voor lassen te kiezen op basis van f-aantal 4 voor Nd: YAG-lasers en 7, 5 voor CO 2 -lasers.
Gerichte spotgrootte, scherptediepte en focuspositie:
Om de vereiste vermogensdichtheid voor sleutelgatlassen (10 3 tot 10 5 W / mm 2 ) te bereiken, is selectie en onderhoud van de gerichte spotgrootte het belangrijkst. Dit vereist een juiste selectie van focusseeroptica die de focuspuntgrootte bepalen.
Wanneer licht wordt gefocusseerd, komen de stralen samen tot een zeer kleine middellijn, d en lengte, L, Fig. 14.30, voordat ze weer divergeren. De exacte minimale taillediameter en bereikte lengte hangt af van het type optica; de brandpuntsafstand, F; de bundeldiameter, D, invallend op de optica, of de invallende bundel convergeert of divergeert; het TEM-nummer van de bundel; de lichtgolflengte en het laservermogen.
Afschermingsgassen :
Een afschermend gas wordt gebruikt bij het laserlassen om het gesmolten metaal te beschermen tegen oxidatie en om de transmissie van de laserstraal te beschermen, omdat deze zich richt op het werk dat een goede penetratie garandeert door bundeluitzetting en verstrooiing te minimaliseren die kan worden veroorzaakt door dampen en gassen rond het lassleutelgat.
De algemene afschermende gassen die worden gebruikt voor laserlassen zijn argon, CO 2, helium en OFN (zuurstofvrije stikstof). Heel vaak kunnen echter bevredigende enkelvoudige puntlassen worden gemaakt met Nd: YAG-laser zonder afschermingsgas, omdat de las te kort wordt gesmolten om oxiderende schade tot gevolg te hebben.
Maar bij het maken van een doorlopende naad of stomplassen met overlappende vlekken wordt Ar of OFN in het algemeen gebruikt voor lasers met een nominale waarde tot 300 W. Boven dit vermogensniveau wordt de gasafscherming kritischer en kan de penetratiediepte en het uiterlijk beïnvloeden.
Voor Nd: YAG-lasers die in het vermogensbereik van 1 kW werken, wordt het probleem van penetratieregeling verholpen door het gebruik van Ar + 20% CO 2 of Ar + (1-2)% O 2 als beschermgas, hoe gering ook de oxidatie van lasmetaal kan door hen worden veroorzaakt. Helium kan ook worden gebruikt met Nd: YAG-laser, maar er wordt gemeld dat het meer lasporositeit veroorzaakt dan met het gebruik van OFN.
Het benodigde gasdebiet is voornamelijk afhankelijk van het laservermogen. Bijvoorbeeld een gas (lage snelheid van 10 tot 20 lit / min. Zal voldoende zijn voor een laser met een vermogen tot 3 kW.) Bij gebruik van een correct geplaatste coaxiale of zijbuisafscherming. Bij vermogens van 3 tot 5 kW zijn de snelheden van 15- 30 lit / min, en voor die tussen 5 en 10 kW worden de tarieven van 25 tot 40 lit / min voorgesteld.
Gasafschermingstoestellen:
Voor Nd: YAG laserlassen wordt in het algemeen een eenvoudige zijbuisafscherming gebruikt, zoals weergegeven in Fig. 14.31, waar nauwkeurig geplaatste puntlassen vereist zijn. Dit komt omdat de zijbuis een goede visuele toegang verschaft tot het doelgebied voor de puntlas.
Bij het maken van continue naad- en stomplassen biedt een ringvormig mantelschild dat coaxiaal is met de laserstraal, getoond in Fig. 14.32, een betrouwbare lasbescherming. Co-axiale spuitmondafscherming, getoond in Fig. 14.33, is echter praktischer wanneer het laserpistool door een robot wordt gemanipuleerd. Het verschaft ook de optische afdekschuif met enige bescherming tegen mogelijk lasspatten omdat de kracht van de coaxiale gasstroom gedeeltelijk zal verzetten tegen alle deeltjes die door de stralengang bewegen.
Voorwaarden voor Nd: YAG Lasers:
Keyhole-lassen is meestal niet mogelijk met Nd: YAG-lasers met een uitgangsvermogen van minder dan 500 W. Bij lage gemiddelde vermogens (400 W) en de bijbehorende pulstiming van 4-8 m sec is de penetratiediepte meestal beperkt tot de diameter van de spotdiameter. is in de orde van 0, 5-1 mm.
De Nd: YAG-lasers met hoog vermogen (> 800 W) met een pulstijd van bijvoorbeeld 2 m zien en een hoge pulsherhalingsfrequentie van 500 Hz kunnen lassen van het sleutelgattype produceren met een hoge aspectverhouding van diepte lo breedte. Op dit vermogensniveau zouden echter diepere lassen, met een gereduceerde beeldverhouding, kunnen worden bereikt bij langere pulslengtes en herhalingsfrequenties boven 25 Hz. Er is een trend in lasvormvorming die optreedt als pulsbreedte en herhalingsfrequentie worden aangepast in verhouding tot laservermogen, zoals getoond in Fig. 14.34.
Het is gemeld dat een continue las van 0, 5 mm diepte kan worden bereikt met een lassnelheid van meer dan 3 m / min. bij een pulsherhalingssnelheid van 500 Hz bij gebruik van een gemiddeld vermogen van 1 KW. Om diepe en smalle lassen bij hoge snelheden te maken, zijn korte pulsbreedtes vereist. Wees echter voorzichtig bij het gebruik van korte pulsen (<1 m zie) en hoog vermogen (zeg 1 kW) omdat lasonderbieding kan optreden door overmatige verdamping en materiaaluitwerping.
Gezamenlijke configuratie :
Afgezien van de verbindingen getoond in Fig. 14.21, kan Nd: YAG laserlassen worden aangebracht op de meeste van de basisverbindingsconfiguraties in platen en pijpen, zoals getoond in Fig. 14.35, terwijl Fig. 14.36 de elementaire plaatmetalen verbindingen toont die laser kunnen zijn gelast.
Fig. 14.36 De configuraties van de basisplaatmetalen verbindingen die met een laser kunnen worden gelast
Enkele typische verbindingsconfiguraties die de laserstraal helpen bij de toegang tot de verbinding en de locatie van het onderdeel worden getoond in Fig. 14.37; deze zijn praktisch om te engineeren in een dikte van 3 mm of meer. Dergelijke verbindingen lenen zich voor precisiemateriaal en machinegereedschapsfabricage en, indien zorgvuldig aangebracht, tezamen met de lage vervorming die wordt geboden door laserlassen, kunnen de post-lasbewerkingstolerantie op het minimum worden gehouden.
Uitrusting prestaties:
Het is mogelijk dat een laserholte met een optische of lasergevoeligheid het vereiste laservermogen produceert, maar met een vervormde of afwijkende straalmodusstructuur, waardoor de focuspuntgrootte en bijgevolg de lasvermogendichtheid wordt beïnvloed. Veroudering van Nd: YAG-flitslampen kunnen zo'n probleem veroorzaken.
Laserstraalanalysatoren worden gebruikt om de dwarsdoorsnedevorm van laserstralen en hun modusstructuren te onderzoeken. Een dergelijke inrichting kan worden gebruikt om de balkkarakteristieken tijdens de lasbewerking te controleren en aldus een werkwijze voor kwaliteitsborging met betrekking tot de laserstraal te verschaffen. Sommige analysers geven slechts een tweedimensionaal beeld van het straalprofiel weer, maar recentere analysatoren hebben de mogelijkheid om met behulp van computergrafieken een driedimensionaal isometrisch beeld weer te geven, zoals weergegeven in figuur 14.38.
Laser Beam manipulatie:
Nd: YAG-laser is zeer veelzijdig wat betreft straalmanipulatie en ook wanneer één laser nodig is om meerdere werkstations te bewerken. Dit komt door het feit dat een korte golflengte van 1, 06 mm van de Nd: YAG-laser kan worden overgedragen via een glasvezel met zeer weinig vermogensverlies. Dit vermogen betekent dat de laserstraal rechtstreeks van de lasereenheid door een flexibele kabel kan reizen naar een laserpistool gemonteerd op een scharnierende pols van een robotarm, figuur 14.39, zonder een aanzienlijk vermogensverlies.
Dit maakt Nd: YAG-laser bij uitstek geschikt voor productieautomatisering. Bovendien kan de laser op enige afstand van de productielijn worden gepositioneerd en kan er een laserstraal aan worden toegevoerd. Eén laser kan meerdere werkstations bedienen voor het schakelen van de laserstraal van station naar station, terwijl het lassen van een station, een deellaad- en losauto plaatsvindt op andere stations. Aan de andere kant kunnen verschillende zeer verschillende stations de tijd delen met één laser.
De multi-mode straal van een Nd: YAG-laser kan worden gesplitst, Fig. 14.40 (a), door gespreide bundels inklapbare spiegels in en dwars op de stralengang te plaatsen. Aldus kan het bundelsplitsingsysteem, in samenhang met een vezeloptische bundelafgiftesysteem, verschillende lasnaden tegelijkertijd op één of meer werkstations maken. Als alternatief kan de bundel achtereenvolgens worden geschakeld, 14.40 (b), naar verschillende punten, vaak tot op 30 m afstand.
Er zijn industriële micro-puntlassystemen waarbij de straal tussen maximaal acht werkstations wordt geschakeld met maximaal 40 keer per seconde. Wanneer de Nd: YAG-laserstraal wordt gesplitst, wordt de oneven vorm van elke doorsnede gehomogeniseerd tot een focusseerbare vorm door deze via vezeloptiek te verzenden.
De vezeloptische straalafleversystemen zijn verreweg het meest eenvoudig en veelzijdig. Het optische vezelmateriaal is Si02 (kwarts) en heeft in het algemeen een diameter van minder dan 1 mm.
Voor maximale transmissie-efficiëntie van de bundel moeten de uiteinden van de vezels in hoge mate gepolijst en perfect vierkant en concentrisch zijn met de optische as van de lenzen gepositioneerd aan elk einde van de vezel. Bovendien moet de focuspositie van de inkomende straal nauwkeurig zijn in relatie tot het uiteinde van de vezel.
De efficiëntie van de bundeltransmissie wordt ook aangetast als de vezel te strak wordt gebogen. Een SiO 2- vezel met een diameter van 0, 5 mm heeft een toegestane buigradius van ongeveer 100 mm voordat het rendement wordt verminderd, terwijl voor een vezel met een diameter van 1 mm de veilige straal ten minste tweemaal zo groot is. Over het algemeen bedraagt het totale verlies van laservermogen voor een Nd: YAG-laser en een glasvezelstelsel niet meer dan 10-15%.
De optische vezelassemblages die worden gebruikt om laserlassen uit te zenden, zijn speciaal gemaakt en verschillen nogal van die in de elektronica. Die gebruikt voor lassen worden beschermd door een substantiële en robuuste omhulling, die een flexibele stalen buis en nylon mantel omvat, zoals getoond in Fig. 14.41. Hoewel deze maatregelen de optische vezel voldoende beschermen, is de belangrijkste functie ervan bestand te zijn tegen accidentele industriële schade die breuk zou kunnen veroorzaken en laserlicht zou kunnen laten ontsnappen wat tot gevaarlijke gevolgen zou kunnen leiden.
Laserstraalgevaren:
Een niet-gerichte laserstraal die per ongeluk uit het bundeltransmissiepad ontsnapt, kan honderden meters in de lucht reizen voordat deze voldoende veilig kan worden uitgezet. Als aan de andere kant een gefocuste bundel incidenteel op de huid valt, kan dit zeer diepe brandwonden of zelfs ernstige brandgaatjes veroorzaken. Een gefocusseerde bundel expandeert echter veel sneller voorbij het focuspunt en bereikt over het algemeen na enkele meters een veilige diameter.
De precieze afstand is afhankelijk van het f-focusfocus; Hoe lager het getal, des te groter de snelheid van de bundeluitzetting. Een gevaar kan zich ook voordoen als gevolg van de reflectie van een gefocusseerde straal vanaf het oppervlak van het werkstuk, vooral als de invallende bundel onder een hoek van minder dan 70 ° ten opzichte van het werkstuk helt.
Omdat het laserlicht van Nd: YAG of CO2 laser voor het menselijk oog onzichtbaar is en het met een extreem hoge snelheid van ongeveer 300.000 km / sec voortbeweegt, zal een ontsnappende gereflecteerde laserstraal ogenblikkelijk iemand op zijn pad treffen die ernstige huidverbrandingen veroorzaakt. Een ongerichte laserstraal met een groot vermogen van enkele mm diameter, indien deze op het lichaam valt, kan dit voor het leven verminken.
Laserlicht van Nd: YAG-laser met zijn golflengte van 1.06 uur is bijzonder gevaarlijk voor het oog, omdat de lens in het oog deze golflengte op een zeer kleine plek op het netvlies kan richten en ernstige oogbrekers kan veroorzaken. Helaas registreert retina geen pijn veroorzaakt door dergelijke blinde vlekken waardoor de schade aan het oog mogelijk niet onmiddellijk wordt gerealiseerd. Regelmatige oogtesten voor laserpersoneel moeten daarom verplicht worden gesteld om een dergelijke schade op zijn vroegst te detecteren.
Afgezien van schade aan de persoon, kan ontsnappend laserlicht branden starten en gemakkelijk leidingwerk en kabelafdekkingen doen smelten en zo leiden tot andere ongewenste gevaarlijke situaties door de veilige werking van andere installaties te beïnvloeden. Er moet rekening mee worden gehouden dat een ongerichte laserstraal van een multi-kilowatt-laser, indien opgegeven, gemakkelijk door stalen platen en zelfs vuurstenen kan branden.
Omdat glas en acryl transparant zijn voor laserstralen met een golflengte van 1, 06 pm van Nd: YAG-laser, mogen deze materialen daarom niet worden gebruikt voor het leveren van kijkvensters tenzij ze zijn bekleed met speciale absorberende filmcoatings.
Vanwege een hoog risico op ernstig oogletsel door een Nd: YAG-laser, is een kortgesloten televisiesysteem in plaats van een kijkvenster het meest geschikt om de lasoperatie te bekijken; met de juiste camera en filters kunnen in absolute veiligheid waarnemingen worden gedaan.
