Struktur des Nd: YAG-Lasers (mit Diagramm)
Nachdem Sie diesen Artikel gelesen haben, lernen Sie anhand geeigneter Diagramme die Struktur des Nd: YAG-Lasers kennen.
Ein Nd: YAG-Laser besteht aus einem Resonator, Reflexions- und Sendespiegeln und einem Netzteil, wie in Abb. 14.26 schematisch dargestellt.
Der Resonator oder die optische Kavität des Nd: YAG-Lasers besteht aus einer Lampe, einem Laserstab, einem Reflektor und Spiegeln. Der Laserstab ist ein Yttrium-Aluminium-Granat (YAG), der aus einem isometrischen Y 3 A 15 O 12 -Kristall besteht, in den sorgfältig 1% Neodym (Nd) -Ionen eingebracht sind. Dieser Kristall wurde 1962 von Geusic et al. Entwickelt. Seine Wärmeleitfähigkeit beträgt das 10-fache der von Glas. Mit YAG ist eine Dauerschwingung möglich.
Die Nd 3+ -Ionen bilden das oszillierende Medium, um eine für Festkörperlaser typische vierstufige Laseraktion zu erhalten. Die vier mit E 0 bis E 3 bezeichneten Energieniveaus und ein Laserübergang von Nd 3+ -Ionen sind in Abb. 14.27 dargestellt. Selbst wenn die Konzentration der Nd 3+ -Ionen im Kristall zunimmt, wird das Spektrum des oszillierenden Lichts nicht breit, da die Valenz und der Ionenradius von Nd 3+ sich nicht sehr von denen von Y 3+ unterscheiden .
Unter den Festkörperlasern ist Nd: YAG heute beim Schweißen am beliebtesten. Früher waren Rubinlaser populärer, aber Nd: YAG-Laser werden aufgrund der guten thermischen Eigenschaften von YAG-Kristallen in der Industrie häufiger eingesetzt. Abb. 14.28 zeigt schematisch die wesentlichen Merkmale einer Nd: YAG-Laserschweißanlage.
Die Stromversorgung der Nd: YAG-Lasereinheit erzeugt Stromimpulse der gewünschten Amplitude und Dauer und speist sie in eine elektrische Bogenlampe oder eine Spiralblitzlampe. Ersteres wird für oszillierende kontinuierliche Welle (CW) verwendet, und letzteres für pulsierendes Licht (PW). Der YAG-Stab und die Erregerlampe sind im Hohlraum eines reflektierenden Spiegels installiert. Die Form des Hohlraums ist ein elliptischer Zylinder oder ein Doppelellipsoid. Einige typische, in der Praxis verwendete Hohlräume sind in Abb. 14.29 dargestellt.
Mit Hilfe einer Reflektoranordnung wird maximales Licht in den Laserstab gepumpt, wodurch die Nd-Ionen durch spontane und stimulierte Emission zum Laserstrahl angeregt werden. Die gepulste Erregung des Laserstabes führt zur Erzeugung eines Laserlichtimpulses, der im wesentlichen die gleiche Impulsdauer wie der Stromimpuls von der Stromversorgung hat. Obwohl kontinuierlich arbeitende Nd: YAG-Laser entwickelt wurden, werden sie jedoch nicht allgemein zum Schweißen verwendet.
Durch die Möglichkeit, die aktuellen Impulsparameter zu steuern, können Eindringtiefe, Profil und Aussehen der Schweißnaht kontrolliert werden. Typische Impulsdauern für einen Nd: YAG-Schweißlaser reichen von 0, 5 bis 20 ms und die Wiederholrate von 5 bis 500 Hertz.
Laserstrahlfleckdurchmesser und f-Nummer :
Laserausgangsstrahldurchmesser nehmen mit der Nennleistung des Lasers zu, z. B. haben 1, 5, 10 und 25 kW Laser einen Strahldurchmesser in der Größenordnung von 10, 25, 40 bzw. 70 mm. Die durchschnittliche Leistungsdichte über die Durchmesser liegt in der Größenordnung von 6 bis 13 W / mm 2 ; die tatsächliche Kraftkonzentration wird nach dem Strahlmodus verteilt (siehe Abb. 14.17 A). Für das Schlüssellochschweißen mit einem Laserstrahl sind Leistungsdichten in der Größenordnung von 10 3 bis 10 5 W / mm 2 erforderlich, was die Fokussierung des Laserstrahls auf einen sehr kleinen Punkt von nur einem Bruchteil von mm Durchmesser erfordert.
Die Größe des fokussierten Flecks wird durch die Laserstrahldurchmesser, die Brennweite der verwendeten Fokussieroptik, den Strahlmodus und den Strahldivergenzwinkel bestimmt (Der Divergenzwinkel ist der Winkel, unter dem sich der nahezu parallele Laserstrahl beim Verlassen des Lasers ausbreitet).
Nd: YAG-Schweißlaser haben im Allgemeinen größere Strahldivergenzwinkel als CO 2 -Laser und können daher nicht auf sehr kleine Punktgrößen fokussiert werden, ohne einen Kollimator vor der Fokussierlinse (dh ein umgekehrtes Teleskop) zu verwenden.
Die ungefähre fokussierte Punktgröße für diese Laser wird normalerweise anhand der folgenden Formel geschätzt:
Durchmesser des fokussierten Flecks = 2θF… (14.1)
woher,
θ = Divergenzwinkel (Radiant) des Laserstrahls beim Verlassen des Lasers oder Kollimators,
F = die Brennweite (mm) der verwendeten Fokussierlinse.
Der Durchmesser des fokussierten Flecks ist zwar ein wichtiger Parameter, aber aus praktischer Sicht ist die Schärfezahl hilfreich, um tolerante Schweißbedingungen festzulegen, wobei die f-Zahl als Verhältnis der Brennweite der Fokussieroptik (F) zum Laserstrahldurchmesser ( Sterben,
Fokus-Zahl = F / D… (14.7)
Der Durchmesser des einfallenden Strahles, Abb. 14.30, kann für Nd: YAG-Laser durch Fotografieren bestimmt werden.
Wenn die Schweißgeschwindigkeit nicht vorrangig ist, ist es am besten, die fokussierte Punktgröße für das Schweißen anhand der f-Zahl 4 für Nd: YAG-Laser und 7, 5 für CO 2 -Laser zu wählen.
Fokussierte Spotgröße, Schärfentiefe und Fokusposition:
Um die für das Schlüssellochschweißen erforderliche Leistungsdichte (10 3 bis 10 5 W / mm 2 ) zu erreichen, ist die Auswahl und Beibehaltung der fokussierten Fleckgröße von größter Bedeutung. Dies erfordert eine geeignete Auswahl der Fokussieroptik, die die Fokusfleckgröße bestimmt.
Wenn das Licht fokussiert wird, konvergieren die Strahlen zu einem sehr kleinen Taillendurchmesser d und einer Länge L (Abb. 14.30), bevor sie wieder auseinander laufen. Der genaue minimale Taillendurchmesser und die erreichte Länge hängen von der Art der Optik ab. seine Brennweite F; der Strahldurchmesser D, der auf die Optik einfällt, ob der einfallende Strahl konvergiert oder divergiert; die Strahl-TEM-Nummer; die Lichtwellenlänge und die Laserleistung.
Schutzgase :
Beim Laserschweißen wird ein Schutzgas verwendet, um die Metallschmelze vor Oxidation zu schützen und die Transmission des Laserstrahls zu schützen, wenn er sich auf die Arbeit konzentriert, die eine gute Durchdringung gewährleistet, indem die Strahlaufweitung und Streuung, die durch Dämpfe und Gase verursacht werden können, minimiert wird um das Schweißnahtloch.
Die üblichen Schutzgase für das Laserschweißen sind Argon, CO 2, Helium und OFN (sauerstofffreier Stickstoff). Sehr oft können jedoch zufriedenstellende Einzelpunktschweißungen mit einem Nd: YAG-Laser ohne Schutzgas hergestellt werden, da die Schweißnaht für eine zu kurze Zeit geschmolzen wird, um einen oxidierenden Schaden zu verursachen.
Bei der Herstellung von kontinuierlichen Naht- oder Stumpfschweißnähten mit überlappenden Punkten wird Ar oder OFN im Allgemeinen für Laser mit einer Nennleistung von bis zu 300 W verwendet. Oberhalb dieses Leistungspegels wird die Gasabschirmung kritischer und kann die Eindringtiefe und das Aussehen beeinflussen.
Bei Nd: YAG-Lasern, die im Leistungsbereich von 1 kW arbeiten, wird das Problem der Eindringungskontrolle durch die Verwendung von Ar + 20% CO 2 oder Ar + (1-2)% O 2 als Schutzgas überwunden, jedoch eine geringe Oxidation von Schweißgut kann von ihnen verursacht werden. Helium kann auch mit einem Nd: YAG-Laser verwendet werden, es wird jedoch berichtet, dass die Porosität der Schweißnaht höher ist als bei Verwendung von OFN.
Der notwendige Gasdurchfluss ist hauptsächlich von der Laserleistung abhängig. Zum Beispiel genügt ein Gas (niedrige Rate von 10 bis 20 Litern / min.) Für einen Laser mit einer Leistung von bis zu 3 kW. Bei Verwendung eines korrekt positionierten koaxialen oder seitlichen Röhrenabschirmungsgeräts. Bei Leistungen von 3 bis 5 kW werden Raten von 15- Es werden 30 Liter / Minute und für die Leistung zwischen 5 und 10 kW 25 bis 40 Liter / Minute empfohlen.
Gasabschirmungsvorrichtungen:
Beim Nd: YAG-Laserschweißen wird im Allgemeinen eine einfache Seitenrohrabschirmvorrichtung verwendet, wie in Abb. 14.31 gezeigt, insbesondere wenn punktgenaue Schweißpunkte erforderlich sind. Dies liegt daran, dass das Seitenrohr einen guten visuellen Zugang zum Zielbereich für die Schweißnaht bietet.
Beim Herstellen von kontinuierlichen Naht- und Stumpfschweißungen sorgt ein ringförmiger Schutzschild, der koaxial zum Laserstrahl ist (siehe Abb. 14.32), für zuverlässigen Schweißschutz. Die in Abb. 14.33 gezeigte koaxiale Düsenabschirmvorrichtung ist jedoch praktischer, wenn die Laserpistole von einem Roboter manipuliert wird. Sie bietet dem optischen Abdeckungsschieber auch einen gewissen Schutz gegen mögliche Schweißspritzer, da die Kraft des koaxialen Gasstroms allen im Strahlengang aufsteigenden Partikeln teilweise entgegenwirkt.
Festlegung der Bedingungen für Nd: YAG-Laser:
Bei Nd: YAG-Lasern mit einer Ausgangsleistung von weniger als 500 W ist das Keyhole-Schweißen normalerweise nicht möglich. Bei niedrigen Durchschnittsleistungen (400 W) und dem damit verbundenen Impulszeitpunkt von 4-8 ms ist die Eindringtiefe normalerweise auf die Größe des Fleckdurchmessers beschränkt liegt in der Größenordnung von 0, 5 bis 1 mm.
Die Nd: YAG-Laser mit hoher Leistung (> 800 W) mit einer Pulszeit von beispielsweise 2 m und einer hohen Pulsfrequenz von 500 Hz können schlüssellochartige Schweißnähte mit einem hohen Aspektverhältnis der Tiefe und Breite erzeugen. Bei diesem Leistungsniveau würden jedoch tiefere Schweißnähte mit einem reduzierten Aspektverhältnis bei längeren Impulslängen und Wiederholungsraten über 25 Hz erreicht. Es gibt einen Trend in der Formung der Schweißnaht, der auftritt, wenn die Pulsbreite und die Wiederholrate in Bezug auf die Laserleistung eingestellt werden, wie in Abb. 14.34 gezeigt.
Es wird berichtet, dass eine kontinuierliche Schweißnaht mit einer Tiefe von 0, 5 mm bei einer Schweißgeschwindigkeit von mehr als 3 m / min erreicht werden kann. bei einer Pulswiederholrate von 500 Hz bei einer durchschnittlichen Leistung von 1 KW. Um tiefe und schmale Schweißnähte bei hohen Geschwindigkeiten herzustellen, sind kurze Impulsbreiten erforderlich. Bei der Verwendung von kurzen Impulsen (<1 m) und hoher Leistung (z. B. 1 kW) ist jedoch Vorsicht geboten, da es durch übermäßige Verdampfung und Materialausstoß zu Schweißunterbrechungen kommen kann.
Gemeinsame Konfiguration :
Abgesehen von den in Abb. 14.21 gezeigten Verbindungen kann das Nd: YAG-Laserschweißen auf die meisten grundlegenden Verbindungskonfigurationen in Platten und Rohren angewendet werden (siehe Abb. 14.35), während in Abb. 14.36 die grundlegenden Blechverbindungen dargestellt werden, bei denen es sich um Laser handeln kann geschweißt
Abb. 14.36 Die grundlegenden Blechverbindungskonfigurationen, die lasergeschweißt werden können
In Abb. 14.37 sind einige typische Verbindungskonfigurationen dargestellt, die den Laserstrahl beim gemeinsamen Zugang und der Position der Teile unterstützen. diese sind praktisch in einer Dicke von 3 mm oder mehr zu konstruieren. Solche Verbindungen eignen sich für die Herstellung von Präzisionsgeräten und Werkzeugmaschinen und können, wenn sie sorgfältig angewendet werden, zusammen mit dem geringen Verzug, den das Laserschweißen bietet, die Bearbeitungszugabe nach dem Schweißen auf ein Minimum beschränken.
Ausstattung Leistung:
Es ist möglich, dass ein Laserresonator mit einem optischen oder Lasermediumfehler die erforderliche Laserleistung erzeugt, jedoch mit einer verzerrten oder unterschiedlichen Strahlmodusstruktur, wodurch die Fokusfleckgröße und folglich die Schweißleistungsdichte beeinflusst wird. Das Altern von Nd: YAG-Blitzlampen kann ein solches Problem verursachen.
Laserstrahlanalysatoren werden verwendet, um die Querschnittsform von Laserstrahlen und ihre Modenstrukturen zu untersuchen. Eine solche Vorrichtung kann dazu verwendet werden, die Strahleigenschaften während des Schweißvorgangs zu prüfen und somit ein Verfahren zur Qualitätssicherung bezüglich des Laserstrahls bereitzustellen. Einige Analysatoren zeigen nur ein zweidimensionales Bild des Strahlprofils an, neuere Analysatoren haben jedoch die Möglichkeit, mithilfe der Computergrafik ein dreidimensionales isometrisches Bild anzuzeigen, wie in Abb. 14.38 gezeigt.
Laserstrahlmanipulation:
Nd: YAG-Laser sind sehr vielseitig in Bezug auf die Strahlmanipulation und auch, wenn ein Laser für mehrere Arbeitsstationen benötigt wird. Dies ist auf die Tatsache zurückzuführen, dass eine kurze Wellenlänge von 1, 06 mm aus einem Nd: YAG-Laser mit sehr geringen Leistungsverlusten durch eine Faseroptik übertragen werden kann. Diese Fähigkeit bedeutet, dass der Laserstrahl direkt von der Lasereinheit über ein flexibles Kabel zu einer an einem Gelenkarm eines Roboterarms montierten Laserpistole (Abb. 14.39) ohne erheblichen Leistungsverlust gelangen kann.
Daher ist der Nd: YAG-Laser ideal für die Produktionsautomatisierung geeignet. Darüber hinaus kann der Laser in einiger Entfernung von der Produktionslinie positioniert und mit einem Laserstrahl verbunden werden. Ein Laser kann mehrere Arbeitsstationen bedienen, um den Laserstrahl von Station zu Station umzuschalten, während das Schweißen einer Station, das Laden und Entladen von Teilen an anderen Stationen erfolgt. Andererseits können mehrere sehr unterschiedliche Stationen einen Laser zeitlich gemeinsam nutzen.
Der Multimode-Strahl eines Nd: YAG-Lasers kann durch Einsetzen von gestaffelten Strahlfaltungsspiegeln in und über den Strahlengang aufgeteilt werden, Abb. 14.40 (a). Somit kann das Strahlteilersystem in Verbindung mit einem faseroptischen Strahlabgabesystem mehrere Schweißnähte gleichzeitig an einer oder mehreren Arbeitsstationen herstellen. Alternativ kann der Strahl 14.40 (b) sequentiell auf verschiedene Punkte umgeschaltet werden, die oft bis zu 30 m entfernt sind.
Es gibt industrielle Mikro-Punktschweißsysteme, bei denen der Strahl mit bis zu 40 Mal pro Sekunde zwischen acht Arbeitsstationen gewechselt wird. Wenn der Nd: YAG-Laserstrahl geteilt wird, wird die ungerade Form jedes Querschnitts zu einer fokussierbaren Form homogenisiert, indem er durch eine Faseroptik übertragen wird.
Die faseroptischen Strahlabgabesysteme sind bei weitem die einfachsten und vielseitigsten. Das optische Fasermaterial ist SiO 2 (Quarz) und hat im Allgemeinen einen Durchmesser von weniger als 1 mm.
Für eine maximale Strahlübertragungseffizienz müssen die Faserenden hochglanzpoliert und perfekt quadratisch und konzentrisch zur optischen Achse der an jedem Ende der Faser positionierten Linsen sein. Außerdem muss die Fokusposition des einfallenden Strahls in Bezug auf das Faserende genau sein.
Die Strahlübertragungseffizienz wird auch beeinträchtigt, wenn die Faser zu stark gebogen wird. Eine SiO 2 -Faser mit einem Durchmesser von 0, 5 mm hat einen zulässigen Biegeradius von etwa 100 mm, bevor die Effizienz beeinträchtigt wird, während bei einer Faser mit 1 mm Durchmesser der sichere Radius mindestens doppelt so groß ist. Im Allgemeinen beträgt der Gesamtverlust der Laserleistung für ein Nd: YAG-Laser- und Faseroptiksystem nicht mehr als 10-15%.
Die zum Übertragen von Laserschweißleistungen verwendeten optischen Faseranordnungen sind zweckgebunden und unterscheiden sich stark von denen in der Elektronik. Diejenigen, die zum Schweißen verwendet werden, sind durch eine solide und robuste Ummantelung geschützt, die ein flexibles Stahlrohr und einen Nylonmantel umfasst (siehe Abb. 14.41). Obwohl diese Maßnahmen den Lichtleiter ausreichend schützen, besteht ihre Hauptfunktion darin, unbeabsichtigten industriellen Schäden zu widerstehen, die einen Bruch verursachen und Laserlicht austreten lassen können, was zu gefährlichen Folgen führen kann.
Laserstrahlgefahren:
Ein nicht fokussierter Laserstrahl, der versehentlich aus dem Strahlübertragungspfad austritt, kann mehrere hundert Meter in der Luft fliegen, bevor er sich ausdehnt, um sicher zu sein. Wenn dagegen ein fokussierter Strahl zufällig auf die Haut fällt, kann dies sehr tiefe Verbrennungen oder sogar schwere Brandlöcher verursachen. Ein fokussierter Strahl dehnt sich jedoch viel schneller über den Fokuspunkt aus und erreicht in der Regel nach einigen Metern einen sicheren Durchmesser.
Die genaue Entfernung hängt von der Fokuszahl ab. Je niedriger die Anzahl, desto größer ist die Strahlaufweitungsrate. Eine Gefahr kann auch aufgrund der Reflexion eines fokussierten Strahls von der Oberfläche des Werkstücks entstehen, insbesondere wenn der einfallende Strahl in einem Winkel von weniger als 70 ° zum Werkstück geneigt ist.
Da das Laserlicht von einem Nd: YAG- oder CO 2 -Laser für das menschliche Auge unsichtbar ist und sich mit extrem hoher Geschwindigkeit von etwa 300.000 km / s ausbreitet, trifft jeder austretende reflektierte Laserstrahl sofort jeden, der sich im Weg befindet und schwere Hautverbrennungen verursacht. Ein nicht fokussierter Hochleistungs-Laserstrahl von mehreren mm Durchmesser könnte bei einem Aufprall auf den Körper lebenslang verstümmeln.
Laserlicht des Nd: YAG-Lasers mit einer Wellenlänge von 1, 06 pm ist besonders gefährlich für das Auge, da die Linse im Auge diese Wellenlänge auf einen sehr kleinen Punkt auf der Netzhaut fokussieren kann und schwere Augenbrände verursachen kann. Leider registriert die Netzhaut keine Schmerzen, die durch solche blinden Flecken verursacht werden, sodass die Augenschäden möglicherweise nicht sofort erkannt werden. Daher sollten regelmäßige Augentests für das Laserpersonal vorgeschrieben werden, um einen solchen Schaden frühestens zu erkennen.
Abgesehen von Personenschäden kann austretendes Laserlicht Brände auslösen und Rohrleitungen und Kabelabdeckungen leicht schmelzen. Dies führt zu anderen unerwünschten gefährlichen Situationen, da der sichere Betrieb anderer Anlagen beeinträchtigt wird. Es ist zu beachten, dass ein nicht fokussierter Laserstrahl eines Multi-Kilowatt-Lasers, wenn er Zeit hat, leicht durch Stahlplatten und sogar Feuerziegel brennen kann.
Da Glas und Acrylglas für einen Laserstrahl mit einer Wellenlänge von 1, 06 μm von einem Nd: YAG-Laser durchlässig sind, sollten diese Materialien nicht für Sichtfenster verwendet werden, es sei denn, sie sind mit speziellen absorbierenden Filmbeschichtungen beschichtet.
Aufgrund des hohen Risikos einer ernsthaften Augenschädigung durch einen Nd: YAG-Laser ist anstelle eines Sichtfensters ein Videoüberwachungssystem am besten geeignet, um den Schweißvorgang zu betrachten; Mit der richtigen Kamera und Filtern können Nahaufnahmen absolut sicher gemacht werden.
