Einrichtung für das Laserschweißen (mit Diagramm)
Nachdem Sie diesen Artikel gelesen haben, lernen Sie anhand von Diagrammen den Aufbau für das Laserschweißen kennen.
Das Wort LASER steht für "Lichtverstärkung durch stimulierte Strahlungsemission". Beim Laserschweißen trifft ein konzentrierter kohärenter Lichtstrahl an der gewünschten Stelle auf, um das Metall zu schmelzen und zu schweißen. Ein kohärentes Licht ist eines, bei dem die Wellen identisch und parallel sind und eine große Entfernung ohne Verlust an Intensität oder Abweichung zurücklegen können. Laserlicht ist nicht nur intensiv, sondern kann auch ohne Abnahme der Intensität leicht fokussiert werden. Laser wurden in den 1950er Jahren in der Industrie eingeführt.
Die Laseraktion beruht auf der Tatsache, dass, wenn ein Atom ein Photon absorbiert (Licht besteht aus Energiepartikeln, die als Photon bezeichnet werden), es Energie gewinnt und auf ein erhöhtes Energieniveau geht. Dieser angeregte Zustand des Atoms ist kurzlebig und fällt auf einen mittleren metastabilen Zustand. Bei diesem Rückfall verliert das Atom seine Wärmeenergie, behält jedoch seine Photonenenergie.
Kurze Zeit später fällt das Atom spontan auf sein ursprüngliches oder bodennahes Niveau und setzt seine Photonenenergie in Form von Licht frei. Das Phänomen einer solchen Fotoemission ist in Abb. 2.44 schematisch dargestellt. Laseremission wird erhalten, wenn die obere Ebene auf Kosten der unteren Ebene ausreichend besiedelt ist. Eine solche Situation wird als Besetzungsumkehrung bezeichnet, und die Methode, wie man sie erhält, wird Pumpen genannt.
Die Laserelemente können fest, flüssig, gasförmig oder halbleitend sein. Zu den festen Lasermaterialien gehören Rubin, Erbiumgranat, Neodymium-dotiertes Yttriumaluminiumgranat oder YAG. Festkörperlaser haben einen sehr niedrigen Wirkungsgrad, normalerweise unter 1%.
Flüssige Lasermaterialien wie Neodymoxid sind in ihrer Impulsleistungsabgabe effizienter als Feststofflaser.
Die zum Lasern verwendeten Gase umfassen Wasserstoff, Helium, Stickstoff, Argon und Kohlendioxid. Gaslaser haben die höchste Ausgangsleistung und können als Dauerstrichlaser mit einem Wirkungsgrad von bis zu 25% verwendet werden.
Festkörperlasermaterialien umfassen Einkristalle von Halbleitern wie Gallium und Indiumarsenid, Legierungen von Cadmium, Selen und Schwefel. Halbleiterlaser haben ein geringes Gewicht, einen geringen Energieverbrauch und einen sehr hohen Wirkungsgrad von bis zu 70%.
Für industrielle Zwecke ist das häufig verwendete Lasermaterial Rubin. Rubin ist Aluminiumoxid mit 0 bis 5% Chromatomen. Eine praktische Form des Lasers könnte aus einem Stab von Rubin von 10 mm Durchmesser und 100 mm Länge mit genau geschliffenen und polierten Enden bestehen, von denen einer 100% und der andere 98% reflektierend ist.
Dies wird durch entsprechende Versilberung erreicht. Chromionen mit dem Rubinkristall emittieren eine stimulierte Strahlung, und wenn sich die Intensität der Strahlung durch wiederholte Entladungen aufbaut, durchläuft der Laserstrahl des monochromatischen Lichts ein weniger reflektierendes Ende des Rubins, der durch eine Linse auf die Stelle fokussiert wird, an der er zum Schweißen benötigt wird. Abb. 2.45 zeigt eine Anordnung eines Rubinlasers. Der Wirkungsgrad eines Rubinlasers ist sehr niedrig in der Größenordnung von 01%. Trotzdem werden Rubinlaser häufig als Schweißwerkzeug eingesetzt.
Die Dauer eines Laserimpulses ist kurz und beträgt 10 -9 Sekunden. Dies wird erreicht, indem eine Kondensatorbank durch eine Xenon-Blitzröhre entladen wird. Die Blitzröhre wird mit einer Ladung von 18 kv gespeist. Der Laserstrahl wird somit in Impulsen erhalten. Es ist möglich, eine große Anzahl von Kondensatorbatterien zu haben, um die Xenonlampe dauerhaft blinken zu lassen, aber der Rubinstab und das reflektierende System werden so stark erhitzt, dass sie nicht innerhalb ihrer Betriebsgrenzen gehalten werden können.
Selbst bei äußerst effizienter Kühlung sind Impulse von mehr als 100 pro Minute schwierig zu erhalten. Die Pulsrepetitionsfrequenz (PRF) für einen Rubinlaser beträgt normalerweise etwa 10-15. Somit wird der größte Teil der Pumpenergie in Form von Wärme verschwendet. Trotz geringer Energieabgabe ist es jedoch möglich, sie zum Schweißen zu verwenden, da eine sehr hohe Energiekonzentration in der Größenordnung von 10 9 W / mm 2 erhalten wird.
Eine Xenonbogenlampe ist eine Lampe, die aus einem optisch transparenten Quarz mit zwei darin eingeschlossenen Wolframelektroden hergestellt wird. In der Aus-Position beträgt der Xenon-Druck in der Lampe 10 Atmosphären. Die Energie für die Xenonlampe wird von einer Gleichstromquelle mit einer Leerlaufspannung von mindestens 70 Volt und einer abfallenden Volt-Ampere-Charakteristik geliefert. Xenonbogenlampen können hunderte Stunden lang ununterbrochen betrieben werden.
Der nützlichste Laser zum Schweißen ist der CO 2 -Laser, bei dem das Lasermedium eine Mischung aus CO 2, Stickstoff und Helium im Verhältnis 1: 1: 10 bei einem Druck von 20 bis 50 Torr (mm Quecksilber) mit ist eine elektrische Entladung von bis zu 30.000 Volt. Ein CO 2 -Laser kann kontinuierlich mit einer Leistung von bis zu 20 kW arbeiten. Der Laserstrahl besteht aus Infrarotstrahlung mit einer Wellenlänge von 1, 06 µm, dh 106, 00A ° (1 Angström, A ° = 10 -10 m).
Ein CO 2 -Laser besteht aus einer Glasröhre, in der das Lasergasgemisch strömt. An jedem der beiden Enden befindet sich eine Elektrode, zwischen denen eine Hochspannungsentladung eingerichtet ist. Wie bei einem Festkörperlaser gibt es an jedem Ende einen Reflektor, von dem einer teilweise reflektiert. Der Raum zwischen den beiden Reflektoren wird als Laserresonator bezeichnet. Der durch die halbreflektierende Oberfläche emittierte Laserstrahl wird auf den gewünschten Punkt fokussiert, wie in Abb. 2.46 gezeigt.
Das Laserstrahlschweißen ist vielseitiger als der EBW-Strahl, da er Metalle in Luft, in einem Gasschild und im Vakuum schweißen kann. Es kann auch durch transparente Materialien schweißen, da der Laserstrahl nicht durch diese behindert wird. Gegenwärtig wurde Laserstrahl erfolgreich zum Schweißen von Platten mit einer Dicke von bis zu 10 mm verwendet.
Das Laserschweißen findet kommerziell in der Funktechnik und Elektronik Anwendung, wo feine Drähte häufig mit Filmen auf Mikroschaltplatten, Halbleiterschaltkreisen und Mikromodulen verbunden werden sollen. Ein Laserstrahl kann die unterschiedlichsten Kombinationen von Metallen schweißen, die in der Mikroelektronik verwendet werden, wie beispielsweise Gold und Silizium, Germanium und Gold, Nickel und Tantal, Kupfer und Aluminium. Es wird auch erwartet, dass es in hochqualitativer Präzisionsarbeit wie in der Luft- und Raumfahrtindustrie und Massenproduktionsanwendungen mit hoher Geschwindigkeit wie in der Automobilindustrie verwendet wird.
Typischerweise wurde das Laserschweißen erfolgreich zum Schweißen von stoßfesten Stählen und Titanlegierungen verwendet, bei denen qualitativ hochwertige Schweißnähte in Blechen mit einer Dicke von 0-1 bis 2 mm hergestellt wurden. Die Schweißnähte waren vakuumdicht und hatten eine 90% ige Festigkeit des Grundmetalls. Die Schweißgeschwindigkeiten zwischen 10 und 15 m / Stunde wurden für das Laserschweißen verwendet.
Obwohl das Laserschweißen ein hohes Potenzial hat und in naher Zukunft mit EBW konkurrieren soll, ist der Hochleistungslaser derzeit ein seltenes Gerät und extrem teuer.
