Sợi Laser: Thiết kế, Chất lượng chùm tia và Ưu điểm

Sau khi đọc bài viết này, bạn sẽ tìm hiểu về: - 1. Thiết kế Laser sợi quang 2. Chất lượng chùm tia của Laser sợi 3. Hiệu quả năng lượng 4. Ưu điểm 5. Công dụng.

Thiết kế của Laser sợi quang:

Laser sợi quang, không được nhầm lẫn với laser phân phối sợi trong đó sợi quang chỉ là một cơ chế phân phối quang học, là laser trạng thái rắn trong đó sợi quang thủy tinh pha tạp với mức độ thấp của một nguyên tố đất hiếm là môi trường phát quang. Điốt laser được sử dụng để bơm môi trường phát laser để phát ra các photon ở bước sóng đặc trưng cho nguyên tố đất hiếm được sử dụng làm nguyên tố pha tạp. Ytterbium (Yb) thường được sử dụng cho các laser sợi quang công suất cao và nó phát ra một chùm bước sóng gần giống như được thực hiện bởi các laser Nd: YAG, tức là giữa 1.060 và 1.085 micron.

Sợi pha tạp được đặt trong một vật liệu có chỉ số khúc xạ thấp, hoạt động như một ống dẫn sóng cho ánh sáng bơm và đảm bảo chuyển tối ưu của nó sang môi trường phát quang. Các cách tử nhiễu xạ được sử dụng làm gương chiếu hậu và bộ ghép đầu ra để tạo thành bộ cộng hưởng laser, tức là khoang laser.

Điều này dẫn đến sự hình thành của một tia laser dài rất nhỏ gọn do tính linh hoạt của sợi quang cuộn lên. Với định hình chùm tia thích hợp và quang học tập trung ở cuối của nó, có thể sử dụng sợi quang cũng như sợi phân phối chùm tia. Tuy nhiên, việc tách sợi phân phối chùm tia từ sợi quang được ưu tiên cho laser được sử dụng để hàn để bảo vệ chúng khỏi sự phản xạ ngược không mong muốn từ bề mặt phôi.

Hiện tại, các mô-đun laser sợi quang đơn mode lên đến 700 W có sẵn trên thị trường. Để đạt được công suất đầu ra multikilowatt phù hợp cho hàn lỗ kim loại xuyên sâu, các đầu ra từ một loạt các đơn vị chế độ đơn có sẵn trên thị trường này được kết hợp thành một đầu ra sợi đơn, như trong hình 14.44 cho laser sợi quang 7 kW.

Kỹ thuật kết hợp chùm tia này là độc quyền của nhà sản xuất laser nhưng làm giảm chất lượng chùm tia. Tuy nhiên, việc giảm chất lượng chùm tia là tương đối nhỏ và chùm tia kết quả vẫn có các tính chất phù hợp để truyền qua các sợi quang có đường kính nhỏ và đủ để sử dụng trong hàn.

Chất lượng chùm tia của Laser sợi:

Chất lượng chùm tia được định nghĩa là tỷ lệ giữa chiều rộng chùm tia và sản phẩm góc phân kỳ của chùm tia thực tế so với dự kiến ​​cho một chùm tia hoàn hảo mà hình dạng lan truyền là một hyperbola. Chất lượng chùm tia của laser trạng thái rắn, thường được gọi là sản phẩm tham số chùm tia (BPP), thường được trích dẫn bằng mm. milliradian (mm. m rad.) với giá trị thấp cho thấy chất lượng chùm tia cao.

Chất lượng chùm tia có thể được thể hiện bằng cách sử dụng đường kính chùm tia đầy đủ hoặc một nửa và góc phân kỳ. Tuy nhiên, theo tiêu chuẩn ISO về chất lượng chùm tia laser được trích dẫn theo đường kính nửa chùm tia và góc phân kỳ một nửa.

Chất lượng chùm tia cao có nghĩa là chùm tia có thể được tập trung vào sợi quang quang có đường kính nhỏ. Điều này dẫn đến đường kính thắt lưng chùm tối thiểu nhỏ hơn hoặc khoảng cách đứng lớn hơn. Đầu laser định vị đầu sợi quang vào phôi. Các chùm tia laser phân kỳ thoát ra khỏi sợi được đối chiếu trước tiên (nghĩa là được tạo song song) trước khi được tập trung vào đường kính thắt lưng tối thiểu còn được gọi là điểm laser.

Mật độ công suất khả dụng cho công suất đầu ra nhất định được xác định bởi mối quan hệ giữa tiêu cự của ống kính đối chiếu và tiêu cự, và tỷ lệ đường kính của sợi phân phối chùm tia và kích thước điểm chùm tia laser.

Khoảng cách chờ, tức là khoảng cách giữa thấu kính lấy nét và bề mặt phôi, phải đủ dài để sự tán xạ từ quá trình hàn sẽ không làm hỏng quang học xử lý. Khoảng cách đứng càng lớn, độ sâu tiêu cự cũng lớn hơn, đó là thước đo mức độ phân kỳ của chùm tia trong một khoảng cách nhất định. Vì vậy, chất lượng chùm tia cao hơn có thể cung cấp mật độ năng lượng cao hơn ở tiêu điểm chùm tia hoặc khoảng cách đứng lớn hơn / độ sâu tiêu cự lớn hơn, cả hai đều ảnh hưởng đến hiệu suất hàn.

Hiện tại laser sợi Yb có công suất lên tới 17 mã lực với HA khoảng 12 mm. m rad. đang được sử dụng trong ngành công nghiệp.

Hiệu suất năng lượng của Laser sợi quang:

Hình dạng sợi dài, mỏng cho phép làm mát hiệu quả và do đó lý tưởng để giảm thiểu hiệu ứng nhiệt khi bơm laser. Điều đó, và mức tăng cao vốn có của nguồn laser sợi quang mang lại hiệu suất chuyển đổi năng lượng cao, đó là tỷ lệ công suất quang có sẵn tại phôi so với công suất điện tiêu thụ và được trích dẫn là từ 20 đến 30%.

Con số này cao hơn đáng kể so với hiệu suất chuyển đổi năng lượng khoảng 8% và 3% đối với laser CO ₂ và laser Nd: YAG được bơm đèn tương ứng. Điều này dẫn đến yêu cầu năng lượng thấp hơn cả để chạy laser và hệ thống làm mát của nó. Trong bối cảnh này, có thể được biết rằng làm mát không khí là đủ cho laser sợi Yb lên đến 2 KW trong khi laser sợi đầu ra cao hơn yêu cầu làm mát bằng nước.

Ưu điểm của Laser sợi quang:

Sau đây là một số ưu điểm chính của laser sợi quang so với các hệ thống laser phổ biến và được thiết lập tốt khác trong ngành chế tạo:

1. Do sợi quang có thể được cuộn và không cần các bộ phận cồng kềnh, nên dấu chân (tức là không gian cần thiết để lắp đặt) của laser sợi nhỏ hơn đáng kể so với các hệ thống laser CO ₂ và Nd: YAG phổ biến hiện nay.

2. Đây là một thiết kế đơn giản và nhỏ gọn nên có thể được cài đặt chỉ trong vài giờ.

3. Độ tin cậy cao; nó có thể chạy trong 100.000 giờ trước khi bảo trì / hỏng máy bơm diode laser.

4. Chi phí / kW của laser sợi Yb tương đương với nguồn laser Nd: YAG được bơm bằng đèn.

5. Do hồ hàn cực nhỏ được tạo ra bởi chùm tia laser sợi Yb, các mối hàn được tạo ra rất hẹp, không dễ bị nứt trung tâm hoặc lỗ chân lông.

Công dụng của Laser Laser:

Ngành công nghiệp ô tô nói riêng là người sử dụng chính của công nghệ chùm tia laser bao gồm laser sợi Yb. Laser sợi năng lượng cao cũng được sử dụng cho quá trình hàn tất cả các vị trí cho thép đường ống dày tới 16 mm. Tốc độ hàn lên tới 2, 2 m / phút đã được báo cáo là được sử dụng cho tất cả các vị trí hàn của ống thép dày 11, 2 mm với công suất chùm tia, tại phôi, 2 kW.