Mini enciklopēdija: Lāzera metināšanas princips un procesa pielietojums
Enerģijas līmeņi
Viela sastāv no atomiem, un atomi sastāv no kodola un elektroniem. Elektroni riņķo ap kodolu. Elektronu enerģija atomā nav patvaļīga.
Kvantu mehānika, kas apraksta mikroskopisko pasauli, apgalvo, ka elektroni ieņem fiksētus enerģijas līmeņus. Dažādi enerģijas līmeņi atbilst dažādām elektronu enerģijām: orbītām, kas atrodas tālāk no kodola, ir augstāka enerģija.
Turklāt katra orbīta var saturēt maksimālo elektronu skaitu. Piemēram, zemākā orbīta (vistuvāk kodolam) var saturēt līdz 2 elektroniem, savukārt augstākās orbītas var saturēt līdz 8 elektroniem utt.
Pāreja
Elektroni var pāriet no viena enerģijas līmeņa uz citu, absorbējot vai atbrīvojot enerģiju.
Piemēram, kad elektrons absorbē fotonu, tas var pārlēkt no zemāka enerģijas līmeņa uz augstāku. Līdzīgi elektrons augstākā enerģijas līmenī var nokrist uz zemāku līmeni, izstarojot fotonu.
Šajos procesos absorbētā vai izstarotā fotona enerģija vienmēr ir vienāda ar enerģijas starpību starp abiem līmeņiem. Tā kā fotonu enerģija nosaka gaismas viļņa garumu, absorbētajai vai izstarotajai gaismai ir fiksēta krāsa.
Lāzera ģenerēšanas princips
Stimulēta absorbcija
Stimulētā absorbcija notiek, kad atomi zemas enerģijas stāvoklī absorbē ārējo starojumu un pāriet augstas enerģijas stāvoklī. Elektroni var pāriet no zema uz augstu enerģijas līmeni, absorbējot fotonus.
Stimulētā emisija
Stimulētā emisija nozīmē, ka elektroni augstā enerģijas līmenī, fotona "stimulācijas" vai "indukcijas" ietekmē, pāriet uz zemu enerģijas līmeni un izstaro fotonu ar tādu pašu frekvenci kā krītošais fotons.
Stimulētās emisijas galvenā iezīme ir tā, ka ģenerētais fotons ir identisks sākotnējam fotonam: tāda pati frekvence, tāds pats virziens un pilnīgi neatšķirams. Tādā veidā viens fotons viena stimulētās emisijas procesa laikā kļūst par diviem identiskiem fotoniem. Tas nozīmē, ka gaisma tiek pastiprināta vai amplificēta — lāzera ģenerēšanas pamatprincips.
Spontāna emisija
Spontāna emisija notiek, kad elektroni augstā enerģijas līmenī bez ārējas ietekmes nokrītas uz zemāku līmeni, pārejas laikā izstarojot gaismu (elektromagnētisko starojumu). Fotona enerģija ir E=E2−E1, enerģijas starpība starp abiem līmeņiem.
Lāzera ģenerēšanas nosacījumi
Lāzera pastiprinājums vidējs
Lāzera ģenerēšanai ir nepieciešama piemērota pastiprināšanas vide, kas var būt gāze, šķidrums, cietviela vai pusvadītājs. Galvenais ir panākt populācijas inversiju vidē, kas ir nepieciešams nosacījums lāzera starojumam. Metastabili enerģijas līmeņi ir ļoti labvēlīgi populācijas inversijai.
Sūknēšanas avots
Lai panāktu populācijas inversiju, atomu sistēmai jābūt ierosinātai, lai palielinātu daļiņu skaitu augšējā enerģijas līmenī.
Izplatītākās metodes ietver:
- Elektriskā sūknēšana: gāzu izlāde, izmantojot augstas kinētiskās enerģijas elektronus
- Optiskā sūknēšana: apstarošana ar impulsa gaismas avotiem
- Termiskā sūknēšana, ķīmiskā sūknēšana utt.
Šīs metodes kopā sauc par sūknēšanu. Lai uzturētu vairāk daļiņu augšējā līmenī nekā apakšējā līmenī, ir nepieciešama nepārtraukta sūknēšana, lai nodrošinātu stabilu lāzera jaudu.
Rezonators
Ar piemērotu pastiprināšanas vidi un sūknēšanas avotu var panākt populācijas inversiju, taču stimulētās emisijas intensitāte ir pārāk vāja praktiskai izmantošanai. Nepieciešama papildu pastiprināšana, ko nodrošina optiskais rezonators.
Optiskais rezonators sastāv no diviem ļoti atstarojošiem spoguļiem, kas novietoti paralēli abos lāzera galos:
- Viens pilnīgas atstarošanas spogulis
- Viens daļējas atstarošanas un daļējas caurlaidības spogulis
Pilnīgās atstarošanas spogulis atstaro visu krītošo gaismu atpakaļ pa tās sākotnējo trajektoriju. Daļējās atstarošanas spogulis atstaro fotonus zem noteikta enerģijas sliekšņa atpakaļ vidē, savukārt fotoni virs sliekšņa izstaro pastiprinātu lāzera gaismu.
Gaisma rezonatorā svārstās uz priekšu un atpakaļ, izraisot stimulētas emisijas ķēdes reakciju, kas pastiprinās kā lavīna, lai radītu augstas intensitātes lāzera starojumu.
Kas ir sūkņa lampa?
Ksenona lampa ir inertas gāzes izlādes lampa, parasti taisnas caurules formā. Tā parasti sastāv no elektrodiem, kvarca caurules un ar ksenonu (Xe) pildītas gāzes.
Elektrodi ir izgatavoti no metāla ar augstu kušanas temperatūru, augstu elektronu emisijas efektivitāti un zemu izsmidzināšanu. Lampas caurule ir izgatavota no augstas stiprības, augstas temperatūras izturīga, augstas caurlaidības kvarca stikla, kas pildīts ar ksenona gāzi.
Kas ir Nd:YAG lāzera stienis?
Nd:YAG (ar neodīmu leģēts itrija alumīnija granāts) ir visbiežāk izmantotais cietvielu lāzermateriāls.
YAG ir kubisks kristāls ar augstu cietību, izcilu optisko kvalitāti un augstu siltumvadītspēju. Trīsvērtīgie neodīma joni aizstāj dažus trīsvērtīgos itrija jonus kristāla režģī, tāpēc to sauc par ar neodīmu leģētu itrija alumīnija granātu.
Lāzera raksturojums
Laba saskaņotība
Gaisma no parastajiem avotiem ir haotiska virziena, fāzes un laika ziņā, un to nevar fokusēt vienā punktā pat ar lēcu.
Lāzera gaisma ir ļoti koherenta: tai ir tīra frekvence, tā izplatās vienā virzienā perfektā fāzē un to var fokusēt uz nelielu punktu ar ļoti koncentrētu enerģiju.
Lieliska virzība
Lāzeram ir daudz labāka virzība nekā jebkuram citam gaismas avotam, tas darbojas gandrīz kā paralēls stars. Pat tad, ja tas ir vērsts uz Mēnesi (aptuveni 384 000 km attālumā), plankuma diametrs ir tikai aptuveni 2 km.
Laba monohromatiskums
Stimulētās emisijas lāzera gaismai ir ārkārtīgi šaurs frekvenču diapazons. Vienkārši sakot, lāzeram ir lieliska monohromatisms — tā "krāsa" ir ārkārtīgi tīra. Monohromatisms ir kritiski svarīgs lāzera apstrādes lietojumprogrammās.
Augsts spilgtums
Lāzermetināšanā tiek izmantota lāzera staru izcilā virzība un augstais jaudas blīvums. Lāzers tiek fokusēts nelielā laukumā, izmantojot optisko sistēmu, ļoti īsā laikā veidojot ļoti koncentrētu siltuma avotu, izkausējot materiālu un veidojot stabilus metināšanas punktus un šuves.
Lāzera metināšanas priekšrocības
Salīdzinot ar citām metināšanas metodēm, lāzermetināšana piedāvā:
- Augsta enerģijas koncentrācija, augsta metināšanas efektivitāte, augsta precizitāte un liela metinājuma šuvju dziļuma un platuma attiecība.
- Zema siltuma ievade, maza termiski ietekmētā zona, minimāls atlikušais spriegums un deformācija.
- Bezkontakta metināšana, elastīga optiskās šķiedras pārraide, laba pieejamība un augsts automatizācijas līmenis.
- Elastīgs savienojuma dizains, kas ietaupa izejvielas.
- Precīzi kontrolējama enerģija, stabili metināšanas rezultāti un izcils metinājuma izskats.
Lāzera metināšanas procesi metāla materiāliem
Nerūsējošais tērauds
- Labus rezultātus var sasniegt ar parastiem kvadrātveida viļņu impulsiem.
- Projektējiet savienojumus tā, lai metināšanas plankumi nenonāktu saskarē ar nemetāliskiem materiāliem.
- Lai nodrošinātu izturību un izskatu, rezervējiet pietiekamu metināšanas laukumu un sagataves biezumu.
- Metināšanas laikā nodrošiniet sagataves tīrību un sausu vidi.
Alumīnija sakausējumi
- Augsta atstarošanas spēja prasa augstu lāzera maksimālo jaudu.
- Impulsa punktmetināšanas laikā ir pakļauts plaisāšanai, samazinot izturību.
- Materiāla sastāvs var izraisīt šļakatas; izmantojiet augstas kvalitātes izejvielas.
- Labāki rezultāti ar lielu plankuma izmēru un garu impulsa platumu.
Varš un vara sakausējumi
- Augstāka atstarošanas spēja nekā alumīnijam; nepieciešama vēl lielāka lāzera maksimālā jauda.
- Lāzera galviņai jābūt noliektai leņķī.
- Vara sakausējumus (misiņu, niķeļa jonu utt.) ir grūtāk metināt leģējošo elementu dēļ; nepieciešama rūpīga parametru izvēle.
Biežākie lāzermetināšanas defekti un risinājumi
Nepareizi parametri vai nepareiza darbība bieži izraisa metināšanas defektus, tostarp:
- Virsmas šļakatas
- Iekšējā metinājuma porainība
- Metināšanas plaisas
- Metināšanas deformācija
Metināšanas šļakatas
Šļakatas galvenokārt rodas pārāk augsta lāzera jaudas blīvuma dēļ: sagatave īsā laikā absorbē pārāk daudz enerģijas, izraisot spēcīgu materiāla iztvaikošanu un spēcīgu izkausēta baseina reakciju.
Šļakatas bojā izskatu, montāžas precizitāti un metināšanas izturību.
Cēloņi
- Pārāk augsta lāzera maksimālā jauda.
- Nepiemērota metināšanas viļņu forma, īpaši materiāliem ar augstu atstarošanas spēju.
- Materiālu segregācija, kas noved pie lokālas augstas enerģijas absorbcijas.
- Piesārņojums vai nemetāliski piemaisījumi uz sagataves virsmas.
- Vielas ar zemu kušanas temperatūru starp vai zem sagatavēm, kas metināšanas laikā rada gāzi.
- Slēgtas dobas struktūras, kas izraisa gāzes izplešanos un šļakstīšanos.
Risinājumi
- Optimizējiet parametrus: samaziniet maksimālo jaudu vai izmantojiet impulsa viļņu formas.
- Izmantojiet kvalificētas, augstas kvalitātes izejvielas.
- Pastipriniet tīrīšanu pirms metināšanas, lai noņemtu eļļu un piemaisījumus.
- Optimizēt metināšanas konstrukcijas dizainu.
Iekšējā porainība
Porainība ir visizplatītākais lāzermetināšanas defekts. Ātrais termiskais cikls un īsais izkausētās vielas kalpošanas laiks neļauj gāzei izplūst, veidojot poras.
Biežākie veidi: ūdeņraža poras, oglekļa monoksīda poras un atslēgas cauruma sabrukšanas poras.
Metināšanas plaisas
Plaisas ievērojami samazina metinājuma izturību un kalpošanas laiku. Lāzermetināšanas straujā uzkaršana un atdzišana palielina plaisāšanas risku.
Lielākā daļa lāzermetināšanas plaisu ir karstas plaisas, kas bieži sastopamas alumīnija sakausējumos un augsta oglekļa/augsta leģētā tēraudā.
Profilakse
- Trausliem materiāliem pievienojiet iepriekšējas uzsildīšanas un lēnas dzesēšanas viļņu formas, lai samazinātu plaisāšanu.
- Optimizējiet savienojuma konstrukciju, lai samazinātu metināšanas spriegumu.
- Izvēlieties materiālus ar zemāku plaisāšanas tendenci pie līdzvērtīgām īpašībām.
Metināšanas deformācija
Deformācija bieži rodas plānās loksnēs, liela laukuma sagatavēs vai daudzpunktu metināšanā, ietekmējot montāžu un veiktspēju. To izraisa nevienmērīga siltuma padeve un nekonsekventa termiskā izplešanās/saraušanās.
Risinājumi
- Optimizējiet parametrus, lai samazinātu siltuma ievadi: palieliniet maksimālo jaudu, vienlaikus samazinot impulsa platumu.
- Samaziniet metināšanas ātrumu un impulsa frekvenci, lai samazinātu siltuma daudzumu laika vienībā.
- Optimizējiet metināšanas secību, lai nodrošinātu vienmērīgu uzsildīšanu.
Publicēšanas laiks: 2026. gada 25. februāris
