Sơ đồ của Laser Carbon Dioxide

Bài viết này cung cấp sơ đồ của laser Carbon Dioxide (CO 2 ).

Laser công nghiệp hữu ích nhất để hàn và cắt là laser CO 2 trong đó môi trường phát quang là hỗn hợp của carbon dioxide, nitơ và helium theo tỷ lệ điển hình là 1: 1: 10 ở áp suất 20-10 torr với điện phóng điện 10-30.000 vôn.

Laser CO 2 có thể có một ống khí bịt kín hoặc khí chảy trong ống. Nguyên lý khí chảy làm tăng sản lượng điện khoảng 3 lần so với loại ống kín của vật liệu laser. Laser CO 2 có thể hoạt động cả ở chế độ sóng xung hoặc liên tục và đã được phát triển để cung cấp đầu ra thay đổi từ vài trăm watt đến hơn 20 kw. Các chùm tia laser được tạo ra nằm trong vùng hồng ngoại xa của phổ ở bước sóng khoảng 10, 6 Thaym (106000).

Dòng khí trong laser CO 2 có thể dọc theo trục của chùm tia laser hoặc ngang với nó ở áp suất hoạt động từ 80 torr trở xuống mặc dù chùm laser CO 2 xung đã được tạo ra ở áp suất khí quyển. Với cả hai loại dòng khí, một gương phản xạ hoàn toàn được sử dụng ở một đầu và truyền một phần, cho bước sóng 10, 6 Thay đổi, ở đầu kia để hoạt động như một cửa sổ đầu ra. Vật liệu bán dẫn được tráng như kẽm selenide (ZnSe) được sử dụng làm cửa sổ đầu ra cho laser CO 2 có công suất lên tới vài kilowatt. Tuy nhiên, các vật liệu như vậy bị cháy ở mức năng lượng cao hơn và do đó, một gương kim loại hình khuyên được sử dụng để tạo điều kiện cho việc truyền tải.

Một sơ đồ của laser CO 2 150 watt được hiển thị trong Hình 14, 22.

Các khí trộn trước được đưa liên tục vào ống tạo thành khoang laser. Ống phóng điện được làm mát bằng nước và điện thế dc khoảng 10 KV được duy trì giữa các điện cực. Ở mỗi đầu của ống phóng là một gương có thể điều chỉnh được gắn thông qua một ống mềm dẻo với ống. Một gương bao gồm vàng được lắng đọng trên pyrex hoặc thép không gỉ hoàn toàn phản chiếu ở mức 10-6, trong khi gương tạo thành cửa sổ đầu ra có lớp phủ điện môi được đặt trên đế Đức.

Đối với laser CO 2 công suất cao, ống phóng điện bao gồm một số ống được đặt trong cấu hình song song với sự sắp xếp để gấp ánh sáng quang học thông qua sự phản xạ qua lại. Các laser dòng chảy trục chậm có thể tạo ra công suất tối đa khoảng 500 watt vì 75 - 90% năng lượng phóng điện bị tiêu tán trong khí dẫn đến quá nhiệt và phân hủy do đầu ra giảm.

Để có công suất cao hơn, khí được dẫn qua ống laser ở tốc độ cao bằng máy thổi; điều này làm giảm tổn thất nhiệt cho các bức tường đến một lượng không đáng kể. Trong khi laser lưu lượng dọc trục chậm sẽ cung cấp khoảng 50 - 70 watt trên một mét khoang laser, thì laser lưu lượng trục nhanh có thể tạo ra tới 600 watt mỗi mét.

Hoạt động của Gas Laser:

Trong laser carbon dioxide, các phân tử CO 2 bị kích thích rung động bởi một luồng phóng điện qua khoang laser. Sự kích thích rung động trực tiếp của CO 2 bằng cách phóng điện là không hiệu quả. Tuy nhiên, N 2 chấp nhận năng lượng hiệu quả từ sự phóng điện và mức năng lượng rung động của các phân tử N 2 và một số phân tử CO 2 rất gần nhau. Đó là lý do tại sao N 2 được thêm vào CO 2 và do đó CO 2 bị kích thích bởi sự trao đổi năng lượng cộng hưởng với N 2 . Quá trình hai bước này nhanh và hiệu quả hơn nhiều so với quá trình kích thích trực tiếp CO 2 .

Sự chuyển đổi từ trạng thái năng lượng dao động trên sang mức trung gian đi kèm với sự phát xạ của một photon có bước sóng đặc trưng 10-6 âm trong vùng hồng ngoại của phổ bức xạ. Các phân tử CO 2 ở mức năng lượng trung gian phải trở về mức mặt đất để hoàn thành quá trình.

Điều này đạt được một cách nhanh chóng bằng cách thêm helium vào hỗn hợp CO 2 - N 2 ; bởi vì sự va chạm giữa các phân tử CO 2 và He dẫn đến việc chuyển năng lượng kích thích còn lại sang helium. Năng lượng này sau đó được loại bỏ dưới dạng nhiệt thải. Quá trình phát xạ laser khi giảm CO 2 và N 2 thông qua các mức năng lượng khác nhau được thể hiện trong hình 14, 23.

Giống như trong laser trạng thái rắn, laser khí cũng chỉ có thể hoạt động bằng cách thiết lập điều kiện đảo ngược dân số được thực hiện thông qua phóng điện phát sáng điện áp cao. Nhưng phóng điện phát sáng dẫn đến sự mất ổn định ở mức hiện tại trên 300 mA và nếu phóng điện phát sáng thay đổi thành phóng điện hồ quang, điều kiện nhiệt động lực học được thiết lập và không thể xảy ra hiện tượng phát quang.

Điều này có thể được ngăn chặn trong các hệ thống năng lượng cao thông qua sự ion hóa phụ trợ bằng cách sử dụng năng lượng điện tần số vô tuyến ở điện áp cao. Tuy nhiên, laser CO 2 công suất cao ngày nay chỉ hoạt động với một lần phóng điện dc mà không cần sử dụng ion hóa phụ trợ.

Laser CO 2 kích thích điện cao, công suất tối đa 20 kw có hiệu suất từ ​​10 - 15% được làm mát đối lưu; dòng khí nhanh chóng được sử dụng để loại bỏ nhiệt từ khoang laser. Để giảm thiểu chi phí vận hành, một bộ trao đổi nhiệt khí-lỏng được sử dụng và các khí laser được tuần hoàn lại trong hệ thống như thể hiện cho laser CO 2 lưu lượng dọc trục trong Hình 14.24. Chỉ một lượng nhỏ khí được tiêu thụ do nhu cầu loại bỏ liên tục và bổ sung một lượng nhỏ hỗn hợp khí laser để ngăn ngừa sự tích tụ các chất gây ô nhiễm do sự phân ly CO 2 và N 2 trong quá trình phóng điện.

Laser CO 2 có thể hoạt động cả ở chế độ sóng xung (PW) và sóng liên tục (CW).

Sức mạnh xung:

Với laser chùm xung, độ xuyên của mối hàn được xác định bởi năng lượng xung và thời gian. Sự thâm nhập tăng khi tăng năng lượng xung và thời gian. Thời lượng xung phải đủ dài để cho phép dẫn và nóng chảy đến độ sâu mong muốn. Vì công suất chùm tia được điều khiển bởi năng lượng xung và thời gian, mật độ năng lượng trên bề mặt làm việc được kiểm soát bằng quang học tập trung.

Sự thâm nhập trong hàn chùm xung cũng bị chi phối bởi các tính chất vật liệu. Đối với một năng lượng xung và thời gian nhất định, độ khuếch tán nhiệt cao hơn sẽ thâm nhập. Chùm tia laser công suất cao, là chùm tia có năng lượng xung cao và thời gian phát xung ngắn, được tìm thấy thích hợp cho các vật liệu như vậy có độ khuếch tán nhiệt cao và ngược lại là đúng đối với các vật liệu khuếch tán nhiệt thấp.

Độ xuyên thấu tối đa có thể đạt được với laser trạng thái rắn xung hiện nay chỉ khoảng 1-5 mm và do đó quá trình này có thể được sử dụng hiệu quả chỉ với các vật liệu đo ánh sáng. Mối liên quan giữa các biến quy trình đối với laser xung công suất thấp, khi được sử dụng để hàn thép không gỉ, titan và nhôm được trình bày dưới dạng đồ họa trong Hình 14.25.

Các laser CO 2 có sẵn có thể tạo ra các xung cực đại 3 KW với tần số lên tới 2-5 KHz từ một đơn vị công suất trung bình danh nghĩa 500 watt.

Sức mạnh liên tục:

Tia laser năng lượng liên tục thu được từ laser khí. Các laser có công suất thấp như vậy có thể được sử dụng cho sự thâm nhập dựa trên dẫn truyền loại thông thường trong khi chế độ thâm nhập của lỗ khóa chỉ có thể thu được với các laser công suất cao - với tốc độ hàn hơn 40 cm / phút. Có thể đạt được độ xuyên khoảng 20 mm trong thép hợp kim với laser CO 2 chùm tia liên tục 15KW. Các phần nặng hơn có thể được hàn trong hai lần, một từ mỗi bên.

Trong laser công suất cao, có khả năng ion hóa hơi kim loại có thể dẫn đến sự hình thành plasma trên bề mặt phôi có thể hấp thụ chùm tia laser với việc giảm độ sâu thâm nhập. Điều này thường được tránh bằng cách làm cho dòng khí heli chảy qua chỗ để quét các ion gây ra sự hình thành plasma.

Các laser khí được sử dụng để hàn hiện tại đều là các laser CO 2 bước sóng 10, 6 tham gia vì chúng đã được chứng minh là hiệu quả nhất và tạo ra công suất cao nhất. Tuy nhiên, laser Nd: YAG với các đặc tính cụ thể nhất định hiện nay là loại laser công nghiệp được sử dụng rộng rãi nhất được sử dụng để hàn.