Cấu trúc của Nd: YAG Laser (Có sơ đồ)
Sau khi đọc bài viết này, bạn sẽ tìm hiểu về cấu trúc của laser Nd: YAG với sự trợ giúp của các sơ đồ phù hợp.
Một laser Nd: YAG bao gồm một bộ cộng hưởng, gương phản xạ và truyền và một đơn vị cung cấp năng lượng, như thể hiện dưới dạng sơ đồ trong hình 14, 26.
Bộ cộng hưởng hoặc khoang quang của laser Nd: YAG bao gồm đèn flast, que laser, gương phản xạ và gương. Các que laser là một garnet nhôm Yttri (YAG) bao gồm tinh thể đẳng cự Y 3 A 15 O 12 được cấy với các ion neodymium (Nd) 1% được phân phối cẩn thận. Tinh thể này được Geusic et al phát triển vào năm 1962. Độ dẫn nhiệt của nó gấp 10 lần so với thủy tinh. Dao động liên tục là có thể với YAG.
Các ion Nd 3+ tạo thành môi trường dao động để tạo ra hành động laser bốn cấp điển hình trong laser trạng thái rắn. Bốn mức năng lượng được chỉ định E 0 đến E 3 và sự chuyển đổi laser của các ion Nd 3+ được thể hiện trong hình 14, 27. Ngay cả khi nồng độ của các ion Nd 3+ trong tinh thể tăng lên, phổ của các tài liệu ánh sáng dao động không trở nên rộng, bởi vì hóa trị và bán kính ion của Nd 3+ không khác nhiều so với Y 3+ .
Trong số các laser trạng thái rắn, Nd: YAG hiện được sử dụng phổ biến nhất để hàn. Trước đây, laser ruby đã phổ biến hơn nhưng giờ đây, laser Nd: YAG được sử dụng rộng rãi hơn trong công nghiệp vì đặc tính nhiệt tốt của tinh thể YAG. Hình 14.28 cho thấy dưới dạng sơ đồ các tính năng thiết yếu của thiết bị hàn laser Nd: YAG.
Nguồn cung cấp năng lượng của đơn vị laser Nd: YAG tạo ra các xung hiện tại có biên độ và thời gian mong muốn và đưa chúng vào đèn hồ quang điện hoặc đèn flash xoắn ốc. Cái trước được sử dụng để dao động sóng liên tục (CW) và cái sau cho ánh sáng xung (PW). Thanh YAG và đèn kích thích được lắp đặt trong khoang của gương phản chiếu. Hình dạng của khoang là một hình trụ elip hoặc hình elip kép; một số lỗ sâu điển hình được sử dụng trong thực tế được chỉ ra, trong hình 14, 29.
Ánh sáng tối đa được bơm vào thanh laser với sự trợ giúp của tổ hợp gương phản xạ, do đó kích thích các ion Nd tạo ra chùm tia laser bằng cách phát xạ tự phát và kích thích. Sự kích thích xung của thanh laser dẫn đến việc tạo ra một xung ánh sáng laser về cơ bản có cùng thời gian phát xung với xung hiện tại từ nguồn cung cấp. Mặc dù laser Nd: YAG sóng liên tục cũng đã được phát triển nhưng hiện tại al không được sử dụng rộng rãi để hàn.
Khả năng kiểm soát các tham số xung hiện tại cho phép kiểm soát độ sâu thâm nhập của mối hàn, cấu hình và bề ngoài. Thời lượng xung điển hình cho laser hàn Nd: YAG từ 0, 5 đến 20 m giây và tốc độ lặp lại từ 5 đến 500 hertz.
Đường kính điểm tia laser và số f :
Đường kính chùm tia đầu ra tăng theo định mức công suất của laser, ví dụ laser 1, 5, 10 và 25 kw có đường kính chùm theo thứ tự lần lượt là 10, 25, 40 và 70 mm. Mật độ công suất trung bình trên các đường kính theo thứ tự từ 6 đến 13 W / mm 2 ; nồng độ năng lượng thực tế được phân phối theo chế độ chùm tia (xem hình 14, 17 A). Đối với hàn lỗ khóa bằng mật độ năng lượng của chùm tia laser theo thứ tự 10 3 đến 10 5 W / mm 2, bắt buộc phải tập trung chùm tia laser đến một điểm rất nhỏ chỉ có một phần nhỏ đường kính mm.
Kích thước điểm hội tụ được xác định bởi các đường kính chùm tia laser, độ dài tiêu cự của quang học hội tụ được sử dụng, chế độ chùm tia và góc phân kỳ chùm tia (Góc phân kỳ là góc mà chùm tia laser gần như song song lan truyền khi rời khỏi tia laser).
Laser hàn Nd: YAG thường có góc phân kỳ chùm tia lớn hơn so với laser CO 2 và do đó không thể tập trung vào kích thước điểm rất nhỏ mà không sử dụng ống chuẩn trực đặt trước ống kính hội tụ (tức là kính viễn vọng ngược).
Kích thước điểm tập trung gần đúng cho các laser này thường được ước tính từ công thức sau:
Đường kính điểm tập trung = 2θF Ngày (14.1)
Ở đâu,
= góc phân kỳ (radian) của chùm tia laser khi nó rời khỏi tia laser hoặc ống chuẩn trực,
F = độ dài tiêu cự (mm) của ống kính lấy nét được sử dụng.
Mặc dù đường kính điểm tập trung là một tham số quan trọng nhưng từ điểm đứng thực tế, số lấy nét tập trung sẽ hữu ích hơn để thiết lập các điều kiện hàn dung sai trong đó số f được định nghĩa là tỷ lệ độ dài tiêu cự của quang học hội tụ (F) với đường kính chùm tia laser ( Chết,
Số f tập trung = F / Dio (14.7)
Đường kính chùm tia tới, hình 14.30, được thiết lập cho laser Nd: YAG bằng cách chụp ảnh.
Trừ khi tốc độ hàn là tối quan trọng, tốt nhất là chọn kích thước điểm tập trung để hàn dựa trên số f là 4 cho laser Nd: YAG và 7.5 cho laser CO 2 .
Kích thước điểm tập trung, độ sâu của tiêu điểm và vị trí lấy nét:
Để đạt được mật độ năng lượng cần thiết cho hàn lỗ khóa (10 3 đến 10 5 W / mm 2 ) lựa chọn và duy trì kích thước điểm tập trung là quan trọng nhất. Điều này đòi hỏi phải lựa chọn đúng các thấu kính lấy nét xác định kích thước điểm lấy nét.
Khi ánh sáng được hội tụ, các tia hội tụ đến một đường kính thắt lưng rất nhỏ, d và chiều dài, L, Hình 14.30, trước khi chuyển hướng một lần nữa. Đường kính thắt lưng tối thiểu chính xác và chiều dài đạt được tùy thuộc vào loại quang học; tiêu cự của nó, F; đường kính chùm tia, D, sự cố trên quang học, cho dù chùm tia tới là hội tụ hay phân kỳ; số TEM chùm; bước sóng ánh sáng và năng lượng laser.
Khí bảo vệ :
Một khí bảo vệ được sử dụng trong hàn laser để bảo vệ kim loại nóng chảy khỏi quá trình oxy hóa và bảo vệ sự truyền tia laser khi nó tập trung vào công việc đảm bảo sự thâm nhập tốt bằng cách giảm thiểu sự giãn nở và tán xạ chùm tia có thể do hơi và khí gây ra xung quanh lỗ khóa hàn.
Các loại khí bảo vệ phổ biến được sử dụng để hàn laser là argon, CO 2, helium và OFN (nitơ không oxy). Tuy nhiên, khá thường xuyên, các mối hàn điểm đơn thỏa đáng có thể được thực hiện bằng laser Nd: YAG hoàn toàn không có khí bảo vệ vì mối hàn bị nóng chảy trong thời gian quá ngắn để gây ra thiệt hại oxy hóa.
Nhưng khi thực hiện một đường nối liên tục hoặc các mối hàn mông với các điểm chồng chéo Ar hoặc OFN thường được sử dụng cho các tia laser được định mức lên đến 300 W. Việc che chắn khí ở mức năng lượng này trở nên quan trọng hơn và có thể ảnh hưởng đến độ sâu thâm nhập và bề ngoài.
Đối với laser Nd: YAG hoạt động trong dải công suất 1 kW, vấn đề kiểm soát thâm nhập được khắc phục bằng cách sử dụng Ar + 20% CO 2 hoặc Ar + (1-2)% O 2 làm khí bảo vệ, tuy nhiên quá trình oxy hóa nhẹ kim loại hàn có thể được gây ra bởi chúng. Helium cũng có thể được sử dụng với laser Nd: YAG nhưng nó được báo cáo là gây ra độ xốp của mối hàn nhiều hơn so với việc sử dụng OFN.
Tốc độ dòng khí cần thiết chủ yếu phụ thuộc vào công suất laser. Ví dụ, một loại khí (tốc độ thấp từ 10 đến 20 lit / phút sẽ đủ cho công suất laser lên tới 3 kW. Khi sử dụng thiết bị che chắn đồng trục hoặc ống bên được định vị chính xác. Ở công suất từ 3 đến 5 kW, tốc độ 15- 30 lit / phút, và đối với những người có tốc độ từ 5 đến 10 kW từ 25 đến 40 lit / phút được đề xuất.
Thiết bị che chắn khí:
Đối với hàn laser Nd: YAG, một thiết bị che chắn ống bên đơn giản, như trong Hình 14.31, thường được sử dụng, đặc biệt là khi các mối hàn tại chỗ được đặt chính xác được yêu cầu. Điều này là do ống bên cung cấp khả năng tiếp cận trực quan tốt đến khu vực mục tiêu cho mối hàn tại chỗ.
Khi thực hiện các đường nối và mông liên tục, một tấm chắn hình khuyên đồng trục với chùm tia laser, như trong hình 14.32 giúp bảo vệ mối hàn đáng tin cậy. Thiết bị che chắn vòi đồng trục, được thể hiện trong hình 14, 33, tuy nhiên thực tế hơn khi súng laser được điều khiển bởi robot. Nó cũng cung cấp máng trượt quang với một số bảo vệ khỏi sự hàn văng có thể xảy ra bởi vì lực của dòng khí đồng trục sẽ chống lại một phần bất kỳ hạt nào đi lên trên đường truyền tia.
Thiết lập các điều kiện cho Nd: YAG Laser:
Hàn lỗ khóa thường không thể thực hiện được với laser Nd: YAG có công suất đầu ra dưới 500 W. Ở công suất trung bình thấp (400W) và thời gian xung liên quan là 4-8 m giây, độ sâu thâm nhập thường được giới hạn ở kích thước đường kính điểm là thứ tự 0, 5 0, 51 mm.
Các laser Nd: YAG công suất cao (> 800 W) với thời gian phát xung là 2 m nhìn thấy và tần số lặp lại xung cao 500 Hz, nó có thể tạo ra các loại mối hàn có lỗ khóa với tỷ lệ khung hình chiều rộng cao. Tuy nhiên, ở mức công suất này, các mối hàn sâu hơn, với tỷ lệ khung hình giảm, sẽ đạt được ở độ dài xung dài hơn và tốc độ lặp lại trên 25 Hz. Có một xu hướng hình thành mối hàn xảy ra khi độ rộng xung và tốc độ lặp lại được điều chỉnh liên quan đến công suất laser, như trong hình 14.34.
Có báo cáo rằng một mối hàn liên tục có độ sâu 0, 5 mm có thể đạt được ở tốc độ hàn hơn 3 m / phút. ở tốc độ lặp lại xung 500 Hz khi sử dụng công suất trung bình 1KW. Để thực hiện các mối hàn sâu và hẹp ở tốc độ cao, cần có độ rộng xung ngắn. Tuy nhiên, cần cẩn thận khi sử dụng các xung ngắn (<1 m thấy) và công suất cao (giả sử là 1 kW) vì quá trình hàn có thể xảy ra thông qua quá trình hóa hơi và phóng vật liệu quá mức.
Cấu hình chung :
Ngoài các khớp được chỉ ra trong hình 14, 21, hàn laser Nd: YAG có thể được áp dụng cho hầu hết các cấu hình khớp cơ bản trong các tấm và ống, như trong hình 14, 35 trong khi Hình 14.36 cho thấy các khớp kim loại tấm cơ bản có thể là laser hàn.
Hình 14.36 Các cấu hình khớp kim loại tấm cơ bản có thể được hàn bằng laser
Một số cấu hình khớp điển hình hỗ trợ chùm tia laser để truy cập khớp và vị trí bộ phận được thể hiện trong Hình 14.37; đây là những thực tế để kỹ sư có độ dày từ 3 mm trở lên. Các mối nối như vậy cho vay để chế tạo thiết bị chính xác và chế tạo máy công cụ và nếu được áp dụng cẩn thận, cùng với độ méo thấp do hàn laser, có thể giữ cho phụ cấp gia công sau hàn tối thiểu.
Hiệu suất thiết bị:
Có thể một khoang laser có lỗi quang học hoặc phát quang có thể tạo ra công suất laser cần thiết nhưng với cấu trúc chế độ chùm tia bị biến dạng hoặc khác nhau, do đó ảnh hưởng đến kích thước điểm lấy nét và do đó mật độ năng lượng hàn. Lão hóa đèn flash Nd: YAG có thể tạo ra một vấn đề như vậy.
Máy phân tích chùm tia laser được sử dụng để kiểm tra hình dạng cắt ngang của chùm tia laser và cấu trúc chế độ của chúng. Một thiết bị như vậy có thể được sử dụng để kiểm tra các đặc tính của chùm tia trong quá trình hàn và do đó cung cấp một phương pháp đảm bảo chất lượng đối với chùm tia laser. Một số máy phân tích chỉ hiển thị hình ảnh hai chiều của cấu hình chùm tia, tuy nhiên các máy phân tích gần đây có khả năng hiển thị, với sự trợ giúp của đồ họa máy tính, hình ảnh đẳng cự ba chiều, như trong Hình 14, 38.
Thao tác tia laser:
Laser Nd: YAG rất linh hoạt liên quan đến thao tác chùm tia và cả khi cần một laser để làm việc nhiều trạm làm việc. Điều này là do thực tế là chiều dài sóng ngắn 1, 06 mm từ laser Nd: YAG có thể được truyền qua một sợi quang với rất ít mất điện. Khả năng này có nghĩa là chùm tia laser có thể truyền trực tiếp từ bộ phận laser thông qua cáp linh hoạt đến súng laser gắn trên cổ tay có khớp nối của cánh tay robot, Hình 14, 39, mà không bị mất điện đáng kể.
Điều này làm cho laser Nd: YAG phù hợp lý tưởng với tự động hóa sản xuất. Hơn nữa, tia laser có thể được định vị một khoảng cách từ dây chuyền sản xuất và chùm tia laser được dẫn đến nó. Một laser có thể vận hành nhiều trạm làm việc để chuyển đổi chùm tia laser từ trạm này sang trạm khác, trong khi hàn một trạm, một phần tải và dỡ xe diễn ra tại các trạm khác. Mặt khác, một số trạm rất khác nhau có thể chia sẻ một lần laser.
Chùm tia đa chế độ từ laser Nd: YAG có thể được phân tách, Hình 14.40 (a), bằng cách chèn các gương gập chùm so le vào và trên đường đi của chùm tia. Do đó, hệ thống tách chùm, kết hợp với hệ thống phân phối chùm sợi quang, có thể tạo ra nhiều mối hàn đồng thời tại một hoặc nhiều trạm làm việc. Ngoài ra, chùm tia có thể được chuyển đổi liên tục, 14, 40 (b), đến các điểm khác nhau, thường cách xa tới 30 m.
Có các hệ thống hàn vi điểm công nghiệp trong đó chùm tia được chuyển đổi giữa tám máy trạm với tốc độ lên tới 40 lần mỗi giây. Khi chùm tia laser Nd: YAG bị phân tách, hình dạng kỳ lạ của mỗi mặt cắt được đồng nhất hóa thành một dạng có thể lấy nét bằng cách truyền nó qua sợi quang.
Các hệ thống phân phối chùm sợi quang cho đến nay là đơn giản và linh hoạt nhất. Vật liệu sợi quang là SiO 2 (thạch anh) và thường có đường kính nhỏ hơn 1 mm.
Để có hiệu suất truyền chùm tia tối đa, các đầu sợi phải được đánh bóng cao và vuông hoàn hảo và đồng tâm với trục quang của các thấu kính được đặt ở mỗi đầu sợi. Ngoài ra, vị trí tiêu điểm của chùm tia tới phải chính xác liên quan đến điểm cuối của sợi.
Hiệu quả truyền chùm cũng bị suy giảm nếu sợi bị uốn quá chặt. Sợi SiO 2 có đường kính 0, 5 mm có bán kính uốn cho phép xấp xỉ 100 mm trước khi hiệu quả bị suy giảm, trong khi đối với sợi có đường kính 1 mm thì bán kính an toàn lớn hơn ít nhất gấp đôi. Nói chung, tổng tổn thất năng lượng laser đối với hệ thống cáp quang và laser Nd: YAG không quá 10% 15%.
Các tổ hợp sợi quang được sử dụng để truyền năng lượng hàn laser được tạo ra nhằm mục đích và khá khác biệt so với sử dụng trong điện tử. Những người được sử dụng để hàn được bảo vệ bởi lớp vỏ đáng kể và mạnh mẽ, bao gồm một ống thép và áo khoác nylon linh hoạt, như trong Hình 14.41. Mặc dù các biện pháp này bảo vệ đầy đủ sợi quang, chức năng chính của chúng là chống lại thiệt hại công nghiệp do tai nạn có thể gây ra gãy xương và cho phép ánh sáng laser thoát ra ngoài có thể dẫn đến hậu quả nguy hiểm.
Nguy cơ tia laser:
Một chùm tia laser không tập trung thoát ra một cách vô tình từ đường truyền chùm tia có khả năng truyền đi hàng trăm mét trong không khí trước khi nó sẽ mở rộng đủ để an toàn. Mặt khác, nếu một chùm tia tập trung rơi ngẫu nhiên vào da, nó có thể gây bỏng rất sâu hoặc thậm chí là các vết bỏng nghiêm trọng. Tuy nhiên, chùm sáng hội tụ mở rộng nhanh hơn nhiều so với điểm lấy nét thường đạt đường kính an toàn sau vài mét.
Khoảng cách chính xác phụ thuộc vào số f tập trung; số càng thấp thì tốc độ giãn nở của chùm tia càng lớn. Một mối nguy hiểm cũng có thể phát sinh do sự phản xạ của chùm tia hội tụ từ bề mặt phôi, đặc biệt nếu chùm tia tới nghiêng vào phôi ở góc dưới 70 °.
Bởi vì ánh sáng laser từ laser Nd: YAG hoặc CO 2 không thể nhìn thấy bằng mắt người và nó di chuyển với tốc độ cực cao khoảng 300.000 km / giây, do đó, bất kỳ tia laser phản xạ thoát nào sẽ tấn công ngay lập tức bất cứ ai trên đường đi gây bỏng da nghiêm trọng. Một chùm tia laser năng lượng cao không tập trung có đường kính vài mm nếu sự cố trên cơ thể có thể gây ra một cuộc sống.
Ánh sáng laser từ laser Nd: YAG có bước sóng 1.06 chiều đặc biệt nguy hiểm đối với mắt, vì ống kính trong mắt có thể tập trung bước sóng này đến một điểm rất nhỏ trên võng mạc và gây ra hiện tượng mắt nghiêm trọng. Thật không may, võng mạc không ghi nhận cơn đau do các điểm mù như vậy, do đó, tổn thương gây ra cho mắt có thể không được nhận ra ngay lập tức. Do đó, kiểm tra mắt thường xuyên cho nhân viên laser nên được thực hiện bắt buộc để phát hiện sớm nhất một thiệt hại như vậy.
Ngoài thiệt hại cho người, thoát ánh sáng laser có thể bắt đầu hỏa hoạn và dễ dàng làm tan ống dẫn và vỏ cáp và do đó dẫn đến các tình huống nguy hiểm không mong muốn khác bằng cách ảnh hưởng đến hoạt động an toàn của các nhà máy khác. Cần phải nhớ rằng một chùm tia laser không tập trung từ tia laser nhiều kilowatt, nếu có thời gian, sẽ dễ dàng đốt cháy qua các tấm thép và thậm chí là gạch lửa.
Bởi vì thủy tinh và acrylic trong suốt với chùm tia laser có bước sóng 1, 06 pm từ laser Nd: YAG, do đó những vật liệu này không nên được sử dụng để cung cấp cho các cửa sổ xem trừ khi chúng được phủ một lớp màng hấp thụ đặc biệt.
Do có nguy cơ tổn thương mắt nghiêm trọng từ laser Nd: YAG, thay vì cửa sổ xem, hệ thống truyền hình mạch gần phù hợp nhất để xem hoạt động hàn; với máy ảnh chính xác và các bộ lọc quan sát cận cảnh có thể được thực hiện trong sự an toàn tuyệt đối.
