Diagramm von Kohlendioxidlasern
Dieser Artikel enthält schematische Diagramme von Kohlendioxid (CO 2 ) -Lasern.
Der nützlichste industrielle Laser zum Schweißen und Schneiden ist der CO 2 -Laser, bei dem das Lasermedium eine Mischung aus Kohlendioxid, Stickstoff und Helium in einem typischen Verhältnis von 1: 1: 10 bei einem Druck von 20 bis 10 Torr mit einem elektrischen Strom ist Entladung von 10-30.000 Volt.
Der CO 2 -Laser kann entweder ein abgedichtetes Gasrohr oder ein Gasstrom innerhalb des Rohrs aufweisen. Das Prinzip des Fließgases erhöht die Leistungsabgabe um etwa das 3-fache des Lasermaterials mit abgedichteten Rohren. Der CO 2 -Laser kann sowohl im Puls- als auch im Dauerstrichmodus betrieben werden und wurde entwickelt, um eine Leistung von wenigen hundert Watt bis zu mehr als 20 KW zu liefern. Der erzeugte Laserstrahl befindet sich im fernen Infrarotbereich des Spektrums bei einer Wellenlänge von etwa 10, 6 um (106000 Å).
Der Gasstrom in einem CO 2 -Laser kann bei einem Betriebsdruck von 80 Torr oder weniger entlang der Achse des Laserstrahls oder quer dazu verlaufen, obwohl bei Atmosphärendruck ein gepulster CO 2 -Laserstrahl erzeugt wurde. Bei beiden Arten von Gasströmung wird an einem Ende ein totalreflektierender Spiegel und an dem anderen Ende ein für eine Wellenlänge von 10, 6 µm teilweise transmittierender Spiegel verwendet, der als Ausgangsfenster dient. Beschichtetes Halbleitermaterial wie Zinkselenid (ZnSe) wird als Ausgangsfenster für CO 2 -Laser mit bis zu mehreren Kilowatt Leistung eingesetzt. Solche Materialien werden jedoch bei höheren Leistungswerten ausgebrannt und daher wird ein ringförmiger Metallspiegel verwendet, um die Übertragung zu erleichtern.
Ein schematisches Diagramm eines 150 Watt CO 2 -Lasers ist in Abb. 14.22 dargestellt.
Die vorgemischten Gase werden kontinuierlich in die den Laserreservoir bildende Röhre eingeleitet. Die Entladungsröhre ist wassergekühlt und ein Gleichspannungspotential von etwa 10 kV wird zwischen den Elektroden aufrechterhalten. An jedem Ende der Entladungsröhre befindet sich ein einstellbarer Spiegel, der durch einen flexiblen Balg an der Röhre befestigt ist. Ein Spiegel, der aus auf Pyrex oder Edelstahl abgeschiedenem Gold besteht, reflektiert bei 10-6 um total, während der das Ausgangsfenster bildende Spiegel eine dielektrische Beschichtung aufweist, die auf einem Germaniumsubstrat abgeschieden ist.
Für Hochleistungs-CO 2 -Laser besteht die Entladungsröhre aus einer Anzahl von Röhren, die parallel angeordnet sind und eine Anordnung zum optischen Falten von Licht durch Hin- und Herreflexionen aufweisen. Die Laser mit langsamer axialer Strömung können eine maximale Leistung von etwa 500 Watt erzeugen, da 75 - 90% der Entladungsenergie im Gas abgeführt werden, was zu Überhitzung und Zersetzung führt, was zu einem Abfall der Leistung führt.
Für eine höhere Leistung wird das Gas durch ein Gebläse mit hoher Geschwindigkeit durch die Laserröhre getrieben. Dadurch wird der Wärmeverlust an den Wänden auf ein vernachlässigbares Maß reduziert. Während ein Laser mit langsamem Axialfluss ungefähr 50 bis 70 Watt pro Meter Laserkavität liefert, kann der Laser mit schnellem Axialfluss bis zu 600 Watt pro Meter erzeugen.
Gaslaser-Betrieb:
In einem Kohlendioxidlaser werden die CO 2 -Moleküle durch eine elektrische Entladung quer durch die Laserkavität schwingend angeregt. Die direkte Schwingungsanregung von CO 2 durch eine elektrische Entladung ist ineffizient. Allerdings nimmt N 2 effektiv Energie aus der Entladung und die Schwingungsenergieniveaus von N 2 -Molekülen an, und einige dieser CO 2 -Moleküle liegen sehr nahe. Deshalb wird N 2 zu CO 2 hinzugefügt, und somit wird CO 2 durch resonanten Energieaustausch mit N 2 angeregt. Dieser zweistufige Prozess ist viel schneller und effizienter als der Prozess der direkten Anregung von CO 2 .
Der Übergang vom oberen Schwingungsenergiezustand zum Zwischenniveau wird begleitet von der Emission eines Photons mit einer charakteristischen Wellenlänge von 10-6 um in der Infrarotzone des Strahlungsspektrums. CO 2 -Moleküle auf dem mittleren Energieniveau müssen auf das Bodenniveau zurückkehren, um den Prozess abzuschließen.
Dies wird schnell erreicht, indem dem CO 2 - N 2 -Gemisch Helium zugesetzt wird; Denn die Kollision zwischen CO 2 -Molekülen und He führt zur Übertragung der restlichen Anregungsenergie auf Helium. Diese Energie wird dann als Abwärme abgeführt. Der Prozess der Laseremission durch den Abfall von CO 2 und N 2 durch verschiedene Energieniveaus ist in Abb. 14.23 dargestellt.
Wie bei Festkörperlasern können die Gaslaser auch nur funktionieren, wenn der Zustand der Besetzungsinversion durch Hochspannungsglimmentladung festgelegt wird. Glimmentladung führt jedoch zu Instabilitäten bei Strompegeln über 300 mA. Wenn sich die Glimmentladung in eine Bogenentladung ändert, sind thermodynamische Bedingungen gegeben und es kann kein Lasern auftreten.
Dies kann in Hochleistungssystemen durch Hilfsionisierung durch Verwendung von elektrischer Hochfrequenzleistung bei hohen Spannungen verhindert werden. Heutige Hochleistungs-CO 2 -Laser arbeiten jedoch ausschließlich mit einer elektrischen Gleichstromentladung ohne die Verwendung einer Hilfsionisation.
Elektrisch angeregte CO 2 -Laser mit hoher Leistung von bis zu 20 KW Dauerleistung mit einem Wirkungsgrad von 10-15% werden konvektiv gekühlt; Ein schneller Gasstrom wird verwendet, um die Wärme aus dem Laserhohlraum zu entfernen. Um die Betriebskosten zu minimieren, wird ein Gas-zu-Flüssigkeits-Wärmetauscher verwendet, und die Lasergase werden im System rezirkuliert, wie für einen axialen CO 2 -Laser in Abb. 14.24 gezeigt. Es wird nur eine geringe Menge an Gas verbraucht, da eine geringe Menge der Lasergasmischung kontinuierlich entfernt und wieder aufgefüllt werden muss, um die Ansammlung von Verunreinigungen zu verhindern, die durch die Dissoziation von CO 2 und N 2 in den elektrischen Entladungen entstehen.
CO 2 -Laser können sowohl im Pulswellenmodus (PW) als auch im Dauerstrichmodus (CW) arbeiten.
Gepulste Leistung:
Bei einem gepulsten Laserstrahl wird die Schweißnahtdurchdringung durch die Pulsenergie und -dauer bestimmt. Die Durchdringung nimmt mit zunehmender Impulsenergie und -dauer zu. Die Impulsdauer muss lang genug sein, um das Leiten und Schmelzen auf die gewünschte Tiefe zu ermöglichen. Da die Strahlleistung durch die Impulsenergie und -dauer gesteuert wird, wird die Energiedichte auf der Arbeitsfläche durch eine Fokussieroptik gesteuert.
Die Durchdringung beim Impulsstrahlschweißen hängt auch von den Materialeigenschaften ab. Für eine gegebene Impulsenergie und -dauer ist die thermische Diffusivität um so geringer, je geringer die Durchdringung ist. Ein Laserstrahl hoher Leistung, d. H. Ein Strahl mit hoher Pulsenergie und kurzer Pulsdauer, wird für solche Materialien mit hoher thermischer Diffusivität als geeignet befunden und umgekehrt für Materialien mit niedriger thermischer Diffusivität.
Die maximale Durchdringung, die mit dem heutigen gepulsten Festkörperlaser erreichbar ist, beträgt nur etwa 1 bis 5 mm, und somit kann das Verfahren nur für Materialien mit geringem Gewicht effektiv eingesetzt werden. Die Beziehung zwischen Prozessvariablen für gepulste Laser mit niedriger Kapazität beim Schweißen von Edelstahl, Titan und Aluminium wird in Abb. 14.25 grafisch dargestellt.
Es stehen CO 2 -Laser zur Verfügung, die Impulsspitzen von 3 KW bei einer Frequenz von bis zu 2 bis 5 kHz aus einem durchschnittlichen 500-Watt-Leistungsteil erzeugen können.
Dauerleistung:
Ein Laserstrahl mit kontinuierlicher Leistung wird von Gaslasern erhalten. Solche Laser mit geringer Leistung können für das Durchführen von Durchleitungen auf herkömmlicher Art verwendet werden, während die Durchdringungsart des Schlüssellochs nur mit Hochleistungslasern erhalten werden kann - bei einer Schweißgeschwindigkeit von mehr als 40 cm / min. Mit einem 15 KW Dauerlicht-CO 2 -Laser kann ein Eindringen von 20 mm in legierten Stahl erreicht werden. Schwerere Abschnitte können in zwei Durchgängen von jeder Seite her geschweißt werden.
Bei Hochleistungslasern besteht die Möglichkeit einer Ionisierung des Metalldampfes, was zur Bildung von Plasma über der Werkstückoberfläche führen kann, das den Laserstrahl mit nachfolgender Verringerung der Eindringtiefe absorbieren kann. Dies wird normalerweise vermieden, indem Heliumgas über den Punkt fließen gelassen wird, um die Ionen zu spülen, die die Plasmabildung verursachen.
Die zum Schweißen verwendeten Gaslaser sind derzeit alle 10, 6-fache Wellenlängen-CO 2 -Laser, da sie sich als die effizientesten erwiesen haben und die höchste Leistung erzeugen. Derzeit ist der Nd: YAG-Laser mit seinen spezifischen Eigenschaften der am häufigsten verwendete industrielle Laser, der zum Schweißen eingesetzt wird.
