Faserlaser: Design, Strahlqualität und Vorteile
Nachdem Sie diesen Artikel gelesen haben, erfahren Sie mehr über: - 1. Design von Faserlasern 2. Strahlqualität von Faserlasern 3. Energieeffizienz 4. Vorteile 5. Verwendung.
Design von Faserlasern:
Faserlaser, die nicht mit Faserlaser verwechselt werden dürfen, bei denen die Faser lediglich ein optischer Abgabemechanismus ist, sind Festkörperlaser, bei denen eine optische Glasfaser, die mit geringen Mengen eines Seltenerdelements dotiert ist, das Lasermedium ist. Laserdioden werden verwendet, um das Lasermedium zu pumpen, um Photonen mit einer Wellenlänge zu emittieren, die für das als Dotierungselement verwendete Seltenerdelement spezifisch ist. Ytterbium (Yb) wird im Allgemeinen für die Hochleistungsfaserlaser verwendet und emittiert einen Strahl mit einer Wellenlänge, die etwa der von Nd: YAG-Lasern entspricht, dh zwischen 1, 060 und 1, 085 Mikrometer.
Die dotierte Faser ist in einem Material mit niedrigem Brechungsindex eingeschlossen, das als Wellenleiter für das Pumplicht dient und dessen optimale Übertragung auf das Lasermedium gewährleistet. Beugungsgitter werden als Rückspiegel und Ausgangskoppler verwendet, um den Laserresonator, dh den Laserresonator, zu bilden.
Dies führt zur Bildung eines langen dünnen Lasers, der aufgrund der Flexibilität der aufgewickelten optischen Faser sehr kompakt ist. Mit einer geeigneten Strahlformungs- und Fokussieroptik an seinem Ende ist es möglich, die Laserfaser auch als Strahlabgabefaser zu verwenden. Für Laser, die zum Schweißen verwendet werden, wird jedoch die Entkopplung der Strahlzuführungsfaser von der Laserfaser bevorzugt, um sie vor den unerwünschten Rückreflexionen von der Werkstückoberfläche zu schützen.
Derzeit sind bis zu 700 W Singlemode-Faserlasermodule im Handel erhältlich. Zur Erzielung einer Multikilowatt-Ausgangsleistung, die für das Key-Hole-Schweißen von Metallen mit tiefem Eindringen geeignet ist, werden die Ausgänge einer Reihe dieser im Handel erhältlichen Einmodeneinheiten zu einem Einzelfaserausgang kombiniert, wie in Abb. 14.44 für einen 7-kW-Faserlaser gezeigt.
Diese Strahlvereinigungstechnik ist Eigentum des Laserherstellers, verringert jedoch die Strahlqualität. Die Verringerung der Strahlqualität ist jedoch relativ gering, und der resultierende Strahl hat immer noch Eigenschaften, die für die Übertragung durch optische Fasern mit kleinem Durchmesser geeignet und für die Verwendung beim Schweißen geeignet sind.
Strahlqualität von Faserlasern:
Die Strahlqualität ist definiert als das Verhältnis der Strahlbreite und des Divergenzwinkelprodukts des tatsächlichen Strahls zu dem für einen perfekten Strahl erwarteten, für den die Ausbreitungsform eine Hyperbel ist. Die Strahlqualität eines Festkörperlasers, oft als Strahlparameterprodukt (BPP) bezeichnet, wird im Allgemeinen in mm angegeben. Milliradians (mm. m rad.) mit einem niedrigen Wert, der eine hohe Strahlqualität anzeigt.
Die Strahlqualität kann entweder mit dem vollen oder dem halben Strahldurchmesser und den Divergenzwinkeln ausgedrückt werden. Gemäß der ISO-Norm für die Ausbreitung des Laserstrahls wird jedoch die Strahlqualität als halber Strahldurchmesser und halber Divergenzwinkel angegeben.
Eine hohe Strahlqualität bedeutet, dass der Strahl in eine optische Lieferfaser mit kleinem Durchmesser fokussiert werden kann. Dies führt zu einem kleineren minimalen Taillenquerschnitt oder einem größeren Abstand. Der Laserkopf positioniert das Faserende auf dem Werkstück. Der aus der Faser austretende divergierende Laserstrahl wird zunächst kollimiert (dh parallel gemacht), bevor er auf einen minimalen Taillendurchmesser fokussiert wird, der auch als Laserfleck bezeichnet wird.
Die für eine bestimmte Ausgangsleistung zur Verfügung stehende Leistungsdichte wird durch die Beziehung zwischen den Brennweiten der Kollimations- und Fokussierlinsen und dem Verhältnis der Durchmesser der Strahlzuführungsfaser und der Laserstrahlfleckgröße bestimmt.
Der Abstandsabstand, dh der Abstand zwischen der Fokussierlinse und der Oberfläche des Werkstücks, sollte so lang sein, dass der Schweißspritzer die Bearbeitungsoptik nicht beschädigt. Je größer der Abstand ist, desto größer ist auch die Schärfentiefe. Dies ist ein Maß dafür, wie divergent der Strahl über eine bestimmte Entfernung bleibt. So kann eine höhere Strahlqualität eine höhere Leistungsdichte im Strahlfokus oder einen größeren Abstand / größere Schärfentiefe bieten, die beide die Schweißleistung beeinflussen.
Derzeit Yb-Faserlaser mit einer Leistung von bis zu 17 kW und einem BPP von etwa 12 mm. m rad. sind in der Industrie im Einsatz.
Energieeffizienz von Faserlasern:
Die lange, dünne Fasergeometrie ermöglicht eine effektive Kühlung und ist daher ideal, um die thermischen Effekte beim Pumpen des Lasers zu minimieren. Dies und die inhärent hohe Verstärkung der Faserlaserquelle führt zu einem hohen Wirkungsgrad der Leistungsumwandlung, das ist das Verhältnis der am Werkstück verfügbaren optischen Leistung zur verbrauchten elektrischen Leistung, und es wird angegeben, dass es zwischen 20 und 30% liegt.
Dies ist erheblich höher als der Wirkungsgrad der Leistungsumwandlung für CO 2 - und lampengepumpte Nd: YAG-Laser von etwa 8% bzw. 3%. Dies führt zu einem geringeren Leistungsbedarf sowohl für den Betrieb des Lasers als auch für das Kühlsystem. In diesem Zusammenhang kann bekannt sein, dass die Luftkühlung für Yb-Faserlaser bis zu 2 KW ausreicht, während die Faserlaser mit höherer Leistung eine Wasserkühlung benötigen.
Vorteile von Faserlasern:
Nachfolgend sind einige der Hauptvorteile von Faserlasern gegenüber anderen bekannten und etablierten Lasersystemen in der Fertigungsindustrie aufgeführt:
1. Da die Laserfaser gewickelt werden kann und keine sperrigen Teile erforderlich sind, ist der Platzbedarf (dh der für die Installation erforderliche Raum) des Faserlasers wesentlich geringer als bei den derzeit bekannten CO 2 - und Nd: YAG-Lasersystemen.
2. Es ist ein einfaches und kompaktes Design, das innerhalb weniger Stunden installiert werden kann.
3. hohe Zuverlässigkeit; Es kann 100.000 Stunden laufen, bevor die Laserdiodenpumpen gewartet werden.
4. Die Kosten / kW eines Yb-Faserlasers sind mit denen einer lampengepumpten Nd: YAG-Laserquelle vergleichbar.
5. Aufgrund des extrem kleinen Schweißbades, das durch einen Yb-Faserlaserstrahl erzeugt wird, sind die erzeugten Schweißnähte sehr schmal und neigen nicht zu Rissen oder Poren der Mittellinie.
Verwendung von Faserlasern:
Insbesondere die Automobilindustrie ist der Hauptnutzer der Laserstrahltechnologie einschließlich Yb-Faserlaser. Hochleistungs-Faserlaser wird auch für ein All-Position-Schweißverfahren für Rohrstahl mit einer Dicke von bis zu 16 mm verwendet. Berichten zufolge wurden Schweißgeschwindigkeiten von bis zu 2, 2 m / min für alle Positionsschweißungen von 11, 2 mm dickem Rohrleitungsstahl mit einer Strahlleistung von 2 kW am Werkstück verwendet.
