Mini enciklopedija: lazerinio suvirinimo principas ir proceso taikymas
Energijos lygiai
Materiją sudaro atomai, o atomai – branduolys ir elektronai. Elektronai skrieja aplink branduolį. Elektronų energija atome nėra savavališka.
Kvantinė mechanika, apibūdinanti mikroskopinį pasaulį, teigia, kad elektronai užima fiksuotus energijos lygmenis. Skirtingi energijos lygmenys atitinka skirtingas elektronų energijas: toliau nuo branduolio esančios orbitos turi didesnę energiją.
Be to, kiekviena orbita gali išlaikyti maksimalų elektronų skaičių. Pavyzdžiui, žemiausia orbita (arčiausiai branduolio) gali išlaikyti iki 2 elektronų, o aukštesnės orbitos – iki 8 elektronų ir taip toliau.
Perėjimas
Elektronai gali pereiti iš vieno energijos lygmens į kitą sugerdami arba išskirdami energiją.
Pavyzdžiui, kai elektronas sugeria fotoną, jis gali peršokti iš žemesnio energijos lygmens į aukštesnį. Panašiai elektronas, esantis aukštesniame energijos lygmenyje, gali nukristi į žemesnį lygmenį, išspinduliuodamas fotoną.
Šiuose procesuose sugerto arba skleidžiamo fotono energija visada lygi energijos skirtumui tarp dviejų lygmenų. Kadangi fotono energija lemia šviesos bangos ilgį, sugerta arba skleidžiama šviesa turi fiksuotą spalvą.
Lazerio generavimo principas
Stimuliuota absorbcija
Stimuliuota absorbcija įvyksta, kai žemos energijos būsenos atomai sugeria išorinę spinduliuotę ir pereina į didelės energijos būseną. Elektronai gali pereiti nuo žemo iki aukšto energijos lygio sugerdami fotonus.
Stimuliuota emisija
Stimuliuota emisija reiškia, kad aukšto energijos lygio elektronai, veikiami fotono „stimuliacijos“ arba „indukcijos“, pereina į žemą energijos lygį ir skleidžia fotoną tokiu pat dažniu, kaip ir krintantis fotonas.
Svarbiausias stimuliuojamos emisijos bruožas yra tas, kad sugeneruotas fotonas yra identiškas originaliam: tas pats dažnis, ta pati kryptis ir visiškai neatskiriamas. Tokiu būdu vienas fotonas per vieną stimuliuojamos emisijos procesą tampa dviem identiškais fotonais. Tai reiškia, kad šviesa sustiprinama arba amplifikuojama – pagrindinis lazerio generavimo principas.
Spontaninė emisija
Spontaninė emisija įvyksta, kai aukšto energijos lygmens elektronai be išorinės įtakos nukrenta į žemesnį lygmenį, perėjimo metu skleisdami šviesą (elektromagnetinę spinduliuotę). Fotono energija yra E=E2−E1, energijos skirtumas tarp dviejų lygmenų.
Lazerio generavimo sąlygos
Lazerio stiprinimo terpė
Lazerio generavimui reikalinga tinkama stiprinimo terpė, kuri gali būti dujos, skystis, kieta medžiaga arba puslaidininkis. Svarbiausia yra pasiekti populiacijos inversiją terpėje, kuri yra būtina lazerio išvesties sąlyga. Metastabilūs energijos lygmenys yra labai naudingi populiacijos inversijai.
Siurbimo šaltinis
Norint pasiekti populiacijos inversiją, atominė sistema turi būti sužadinta, kad padidėtų dalelių skaičius viršutiniame energijos lygmenyje.
Įprasti metodai apima:
- Elektrinis pumpavimas: dujų išlydis naudojant didelės kinetinės energijos elektronus
- Optinis pumpavimas: apšvitinimas impulsiniais šviesos šaltiniais
- Terminis siurbimas, cheminis siurbimas ir kt.
Šie metodai bendrai vadinami pumpavimu. Norint išlaikyti daugiau dalelių viršutiniame lygyje nei apatiniame lygyje ir gauti stabilų lazerio našumą, reikalingas nuolatinis pumpavimas.
Rezonatorius
Naudojant tinkamą stiprinimo terpę ir kaupinimo šaltinį, populiacijos inversija gali būti pasiekta, tačiau stimuliuojamos emisijos intensyvumas yra per silpnas praktiniam naudojimui. Reikalingas papildomas stiprinimas, kurį užtikrina optinis rezonatorius.
Optinis rezonatorius susideda iš dviejų labai gerai atspindinčių veidrodžių, išdėstytų lygiagrečiai abiejuose lazerio galuose:
- Vienas visiško atspindžio veidrodis
- Vienas dalinio atspindžio ir dalinio pralaidumo veidrodis
Visiško atspindžio veidrodis atspindi visą krintančią šviesą atgal pradiniu keliu. Dalinio atspindžio veidrodis atspindi fotonus, kurių energijos lygis yra mažesnis už tam tikrą ribą, atgal į terpę, o fotonai, kurių energijos lygis viršija ribą, sklinda kaip sustiprinta lazerio šviesa.
Šviesa rezonatoriuje svyruoja pirmyn ir atgal, sukeldama stimuliuojamos emisijos grandininę reakciją, kuri sustiprėja kaip lavina ir sukuria didelio intensyvumo lazerio spinduliuotę.
Kas yra siurblio lempa?
Ksenono lempa yra inertinių dujų išlydžio lempa, paprastai tiesaus vamzdžio formos. Paprastai ją sudaro elektrodai, kvarcinis vamzdelis ir užpildytas ksenono (Xe) dujomis.
Elektrodai pagaminti iš aukštos lydymosi temperatūros, didelio elektronų emisijos efektyvumo ir mažo dulkėjimo metalo. Lempos vamzdelis pagamintas iš didelio stiprumo, atsparaus aukštai temperatūrai, didelio pralaidumo kvarcinio stiklo, užpildyto ksenono dujomis.
Kas yra Nd:YAG lazerinis strypas?
Nd:YAG (neodimiu legiruotas itrio aliuminio granatas) yra dažniausiai naudojama kietojo lazerio medžiaga.
YAG yra kubinis kristalas, pasižymintis dideliu kietumu, puikia optine kokybe ir dideliu šilumos laidumu. Trivalenčiai neodimio jonai pakeičia kai kuriuos trivalenčius itrio jonus kristalinėje gardelėje, todėl granatas vadinamas neodimiu legiruotu itrio aliuminio granatu.
Lazerio charakteristikos
Geras nuoseklumas
Įprastų šaltinių skleidžiama šviesa yra chaotiška krypties, fazės ir laiko atžvilgiu, ir jos negalima sufokusuoti į vieną tašką net ir lęšiu.
Lazerio šviesa yra labai koherentinė: ji turi gryną dažnį, sklinda ta pačia kryptimi tobuloje fazėje ir gali būti sufokusuota į mažytę tašką su labai koncentruota energija.
Puikus kryptingumas
Lazeris pasižymi daug geresniu kryptingumu nei bet kuris kitas šviesos šaltinis, skleisdamas beveik lygiagretų spindulį. Net nukreipus jį į Mėnulį (apie 384 000 km atstumu), dėmės skersmuo yra tik apie 2 km.
Geras monochromiškumas
Stimuliuotos emisijos lazerio šviesa turi itin siaurą dažnių diapazoną. Paprastai tariant, lazeris pasižymi puikiu monochromatiškumu – jo „spalva“ yra itin gryna. Monochromatiškumas yra labai svarbus lazerinio apdorojimo taikymams.
Didelis ryškumas
Lazerinis suvirinimas naudoja puikų lazerio spindulių kryptingumą ir didelį galios tankį. Lazeris per optinę sistemą sufokusuoja mažą plotą, per labai trumpą laiką suformuodamas labai koncentruotą šilumos šaltinį, kuris išlydo medžiagą ir suformuoja stabilias suvirinimo vietas bei siūles.
Lazerinio suvirinimo privalumai
Palyginti su kitais suvirinimo metodais, lazerinis suvirinimas siūlo:
- Didelė energijos koncentracija, didelis suvirinimo efektyvumas, didelis tikslumas ir didelis suvirinimo siūlių gylio ir pločio santykis.
- Mažas šilumos tiekimas, maža karščio paveikta zona, minimalus liekamasis įtempis ir deformacija.
- Bekontaktis suvirinimas, lankstus šviesolaidinis perdavimas, geras prieinamumas ir aukštas automatizavimo lygis.
- Lankstus jungčių dizainas, taupantis žaliavas.
- Tiksliai valdoma energija, stabilūs suvirinimo rezultatai ir puiki suvirinimo siūlės išvaizda.
Metalinių medžiagų lazerinio suvirinimo procesai
Nerūdijantis plienas
- Gerų rezultatų galima pasiekti naudojant įprastus stačiakampės bangos impulsus.
- Suprojektuokite jungtis taip, kad suvirinimo vietos nebūtų prigludusios prie nemetalinių medžiagų.
- Rezervuokite pakankamą suvirinimo plotą ir ruošinio storį, kad būtų užtikrintas tvirtumas ir išvaizda.
- Suvirinimo metu užtikrinkite ruošinio švarą ir sausą aplinką.
Aliuminio lydiniai
- Dideliam atspindumui reikalinga didelė lazerio maksimali galia.
- Linkęs įtrūkti impulsinio taškinio suvirinimo metu, dėl to sumažėja stiprumas.
- Medžiagos sudėtis gali sukelti taškymąsi; naudokite aukštos kokybės žaliavas.
- Geresni rezultatai esant dideliam taško dydžiui ir ilgam impulso pločiui.
Varis ir vario lydiniai
- Didesnis atspindėjimas nei aliuminio; reikalauja dar didesnės lazerio maksimalios galios.
- Lazerio galvutė turi būti pakreipta kampu.
- Vario lydinius (žalvarį, nikelio kupronikelį ir kt.) sunkiau suvirinti dėl legiruojančių elementų, todėl reikia atidžiai parinkti parametrus.
Dažni lazerinio suvirinimo defektai ir sprendimai
Neteisingi parametrai arba netinkamas veikimas dažnai sukelia suvirinimo defektus, įskaitant:
- Paviršiaus taškymasis
- Vidinis suvirinimo poringumas
- Suvirinimo įtrūkimai
- Suvirinimo deformacija
Suvirinimo purslai
Taškymąsi daugiausia sukelia per didelis lazerio galios tankis: ruošinys per trumpą laiką sugeria per daug energijos, todėl medžiaga smarkiai garuoja ir susidaro smarki išlydyto metalo reakcija.
Purslai gadina išvaizdą, surinkimo tikslumą ir suvirinimo stiprumą.
Priežastys
- Pernelyg didelė lazerio maksimali galia.
- Netinkama suvirinimo bangos forma, ypač su didelio atspindžio medžiagomis.
- Medžiagų segregacija, dėl kurios vietinė energija sugeriama labai greitai.
- Užterštumas arba nemetalinės priemaišos ant ruošinio paviršiaus.
- Žemos lydymosi temperatūros medžiagos tarp ruošinių arba po jais, kurios suvirinimo metu išskiria dujas.
- Uždaros tuščiavidurės konstrukcijos, sukeliančios dujų plėtimąsi ir taškymąsi.
Sprendimai
- Optimizuokite parametrus: sumažinkite maksimalią galią arba naudokite smailias bangų formas.
- Naudokite kvalifikuotas, aukštos kokybės žaliavas.
- Sustiprinkite valymą prieš suvirinimą, kad pašalintumėte alyvą ir priemaišas.
- Optimizuokite suvirinimo konstrukcijos projektavimą.
Vidinis poringumas
Poringumas yra dažniausias lazerinio suvirinimo defektas. Greitas terminis ciklas ir trumpas išlydyto metalo išsilaikymo laikas neleidžia dujoms išsiskirti ir susidaro poros.
Paplitę tipai: vandenilio poros, anglies monoksido poros ir rakto skylutės kolapso poros.
Suvirinimo įtrūkimai
Įtrūkimai smarkiai sumažina suvirinimo siūlės stiprumą ir tarnavimo laiką. Greitas lazerinio suvirinimo įkaitimas ir aušinimas padidina įtrūkimų riziką.
Dauguma lazerinio suvirinimo įtrūkimų yra karštieji įtrūkimai, būdingi aliuminio lydiniams ir didelio anglies kiekio / didelio legiruoto plieno gaminiams.
Prevencija
- Trapioms medžiagoms pridėkite išankstinio pašildymo ir lėto aušinimo bangų formas, kad sumažintumėte įtrūkimų atsiradimą.
- Optimizuokite jungčių konstrukciją, kad sumažintumėte suvirinimo įtempį.
- Pasirinkite medžiagas, kurios turi mažesnį polinkį įtrūkti, esant lygiavertėms eksploatacinėms savybėms.
Suvirinimo deformacija
Deformacija dažnai pasireiškia plonuose lakštuose, didelio ploto ruošiniuose arba daugiataškio suvirinimo metu, o tai turi įtakos surinkimui ir veikimui. Ją sukelia netolygus šilumos tiekimas ir nepastovus šiluminis plėtimasis / susitraukimas.
Sprendimai
- Optimizuokite parametrus, kad sumažintumėte šilumos tiekimą: padidinkite maksimalią galią, tuo pačiu sumažindami impulso plotį.
- Sumažinkite suvirinimo greitį ir impulsų dažnį, kad sumažintumėte šilumos išsiskyrimą per laiko vienetą.
- Optimizuokite suvirinimo seką, kad užtikrintumėte vienodą kaitinimą.
Įrašo laikas: 2026 m. vasario 25 d.
