Karbondioksit Lazerler Şeması

Bu makale, Karbon Dioksit (CO ₂ ) lazerlerinin şematik diyagramlarını sunar.

Kaynaklama ve kesme için en faydalı endüstriyel lazer, lazerli ortamın, elektrikle 20-10 torrluk bir basınçta 1: 1: 10'luk tipik bir oranda karbon dioksit, azot ve helyum karışımı olduğu CO2 lazerdir. 10-30.000 volt deşarjı.

CO2 lazer, kapalı bir gaz tüpüne veya tüp içinde akan gaza sahip olabilir. Akan gaz prensibi güç çıkışını kapalı tüp tipi lazer malzemenin yaklaşık 3 katı arttırır. CO2 lazer hem darbeli hem de sürekli dalga modlarında çalışabilir ve birkaç yüz watt ile 20 KW arasında değişen çıktılar vermek üzere geliştirilmiştir. Üretilen lazer ışını, yaklaşık 10.6 µm (106000 Å) dalga boyunda, spektrumun uzak kızıl ötesi bölgesindedir.

Bir CO2 lazerindeki gaz akışı, lazer ışınının ekseni boyunca olabilir veya darbeli CO2 lazer ışını atmosferik basınçta üretilmesine rağmen, 80 torr veya daha düşük bir işletme basıncında çapraz olarak olabilir. Her iki tür gaz akışında bir ucunda tamamen yansıtıcı bir ayna kullanılır ve diğer ucunda bir çıkış penceresi olarak hareket etmek için diğer ucunda 10, 6 µm dalga boyunda kısmen iletilir. Çinko selenit (ZnSe) gibi kaplanmış yarı iletken malzeme, birkaç kilowatt çıkışa kadar olan CO2 lazerleri için çıkış pencereleri olarak kullanılır. Bununla birlikte, bu malzemeler daha yüksek güç seviyelerinde yanmakta ve bu yüzden, iletimi kolaylaştırmak için dairesel bir metal ayna kullanılmaktadır.

150 watt C02 lazerin şematik bir diyagramı Şekil 14.22'de gösterilmiştir.

Önceden karıştırılmış gazlar sürekli olarak lazer boşluğunu oluşturan tüpe beslenir. Boşaltma borusu su ile soğutulur ve elektrotlar arasında yaklaşık 10 KV'lık bir dc potansiyeli korunur. Boşaltma borusunun her bir ucunda, boruya esnek bir körük vasıtasıyla tutturulmuş ayarlanabilir bir ayna bulunur. Pireks veya paslanmaz çelik üzerine biriktirilen altından oluşan bir ayna tamamen 10-6 um'de yansıtırken, çıktı penceresini oluşturan ayna bir germanyum substrat üzerinde biriken dielektrik bir kaplamaya sahiptir.

Yüksek güçlü CO2 lazerleri için boşaltma borusu, ışığın ileri ve geri yansımasının optik olarak katlanması için düzenlenmiş paralel bir konfigürasyona yerleştirilmiş birkaç tüpten oluşur. Yavaş eksenel akış lazerleri, yaklaşık 500 watt'lık bir maksimum çıkış üretebilir, çünkü deşarj enerjisinin% 75 - 90'ı gazda dağılır ve bunun sonucunda aşırı ısınma ve ayrışma sonucu çıkış düşer.

Daha yüksek çıkış için, gaz lazer tüpünden bir üfleyici tarafından yüksek hızda sürülür; Bu, duvarlardaki ısı kaybını ihmal edilebilir bir miktarda azaltır. Yavaş bir eksenel akış lazeri, her lazer metre boşluğu için yaklaşık 50 - 70 watt sunarken, hızlı eksenel akış lazeri metre başına 600 watt üretebilir.

Gaz Lazeri Çalışması:

Bir karbon dioksit lazerinde CO2 molekülleri, lazer boşluğu boyunca bir elektrik boşalması tarafından titreşimle uyarılır. CO _{2 'nin} elektriksel boşalmayla doğrudan titreşimli uyarılması yetersizdir. Bununla birlikte, N2 deşarjdan etkili bir şekilde enerji kabul eder ve N2 moleküllerinin ve bu CO2 moleküllerinin bazılarının titreşimsel enerji seviyeleri çok yakındır. Bu nedenle N2, CO2'ye eklenir ve bu nedenle CO2, N2 ile rezonans enerji değişimi ile heyecanlanır. Bu iki aşamalı işlem, CO2'nin doğrudan uyarılma işleminden çok daha hızlı ve verimlidir.

Üst titreşimsel enerji durumundan orta düzeye geçiş, radyasyon spektrumunun kızıl ötesi bölgesinde 10-6 um karakteristik bir dalga boyuna sahip bir fotonun salınımına eşlik eder. Orta enerji seviyesindeki CO2 molekülleri, işlemi tamamlamak için zemin seviyesine geri dönmelidir.

Bu, C02 - N2 karışımına helyum ilave edilerek hızlı bir şekilde gerçekleştirilir; çünkü CO2 molekülleri ile çarpışma arasında kalan uyarma enerjisinin helyuma aktarılmasıyla sonuçlanır. Bu enerji daha sonra atık ısı olarak uzaklaştırılır. Lazer emisyonunun C02 ve N2'nin farklı enerji seviyelerinde düşmesiyle işlemi Şekil 14.23'te gösterilmektedir.

Katı hal lazerlerinde olduğu gibi, gaz lazerleri de ancak yüksek voltajlı ışıma deşarjı ile gerçekleştirilen popülasyon inversiyon durumunu belirleyerek çalışabilir. Fakat parıltılı deşarj, 300 mA'nın üzerindeki mevcut seviyelerde dengesizlikle sonuçlanır ve parıltı deşarjı ark deşarjında ​​değişirse, termodinamik koşullar belirlenir ve kalıcı olmaz.

Bu, yüksek güç sistemlerinde, yüksek voltajlarda radyo frekansı elektrik gücü kullanımıyla yardımcı iyonizasyon yoluyla önlenebilir. Bununla birlikte, günümüzde yüksek güçlü CO2 lazerleri, yardımcı iyonizasyon kullanmadan sadece bir dc elektrik deşarjı ile çalışmaktadır.

Yüksek güçte elektriksel olarak uyarılmış% 10 ila 15'lik bir verime sahip 20 KW sürekli çıkışa sahip CO2 lazerleri konvektif olarak soğutulur; Isıyı lazer boşluğundan çıkarmak için hızlı gaz akışı kullanılır. İşletme maliyetlerini en aza indirmek için, bir gaz-sıvı ısı eşanjörü kullanılır ve lazer gazları, Şekil 14.24'te eksenel akışlı bir CO2 lazer için gösterildiği gibi sistemde tekrar sirküle edilir. CO2 ve N2'nin elektrik deşarjlarında ayrışmasından kaynaklanan kirletici maddelerin birikmesini önlemek için az miktarda lazer gazı karışımının sürekli olarak uzaklaştırılması ve yenilenmesi gerekliliği nedeniyle sadece az miktarda gaz tüketilir.

CO2 lazerleri hem darbeli dalga (PW) hem de sürekli dalga (CW) modlarında çalışabilir.

Darbeli güç:

Darbeli ışınlı lazerde kaynak penetrasyonu, darbe enerjisi ve süresi ile belirlenir. Penetrasyon nabız enerjisi ve süresi arttıkça artar. Darbe süresi, iletimi ve istenen derinlikte erimeyi sağlayacak kadar uzun olmalıdır. Işın gücü nabız enerjisi ve süresi tarafından kontrol edildiğinden, çalışma yüzeyindeki enerji yoğunluğu odaklama optiği tarafından kontrol edilir.

Darbeli ışın kaynağındaki penetrasyon, malzeme özelliklerine de bağlıdır. Belirli bir nabız enerjisi ve süresi için, daha yüksek termal difüzivite penetrasyon sığdır. Yüksek nabız enerjisi ve kısa nabız süresi olan bir ışın olan yüksek güçlü lazer ışını, yüksek termal yayılma özelliğine sahip malzemeler için uygun bulunur ve düşük termal yayılma materyalleri için tersi geçerlidir.

Günümüzde darbeli yarıiletken lazerle ulaşılabilen maksimum penetrasyon sadece yaklaşık 1-5 mm'dir ve bu nedenle işlem sadece hafif mastar malzemeleri için etkili bir şekilde kullanılabilir. Paslanmaz çelik, titanyum ve alüminyum kaynağı için kullanıldığında düşük kapasiteli darbeli lazerler için işlem değişkenleri arasındaki ilişki, Şekil 14.25'te grafik halinde sunulmaktadır.

Nominal bir 500 watt ortalama güç ünitesinden 2-5 KHz'e kadar frekansta 3 KW'lık nabız tepe noktaları üretebilen C02 lazerleri mevcuttur.

Sürekli güç:

Sürekli lazer lazer ışını gaz lazerlerinden elde edilir. Bu tür düşük güçlü lazerler geleneksel tipte iletken bazlı penetrasyon için kullanılabilirken, anahtar deliği giriş modu yalnızca yüksek güçlü lazerlerle elde edilebilir - 40 cm / dk'dan daha düşük bir kaynak hızında. Alaşımlı çelikte yaklaşık 20 mm'lik bir nüfuz, 15 KW'lık bir sürekli ışın CO2 lazeriyle elde edilebilir. Daha ağır bölümler, her iki taraftan biri olmak üzere iki geçişte kaynaklanabilir.

Yüksek güçlü lazerlerde, metal ışının iyonlaşma olasılığı vardır ve bu, lazer ışını absorbe edebilen iş parçası yüzeyinin üzerinde plazma oluşumuna yol açabilir ve bu da penetrasyon derinliğinde sonuçta bir azalma sağlar. Bu genellikle, plazma oluşumuna neden olan iyonları süpürmek için nokta üzerinde helyum gazı akışı yaparak önlenir.

Kaynak için kullanılan gaz lazerleri şu anda hepsi 10.6'dır, çünkü en verimli ve en yüksek gücü ürettikleri kanıtlanmıştır. Bununla birlikte, Nd: YAG lazer, kendine özgü özellikleri ile şu anda kaynak için kullanılan en yaygın kullanılan endüstriyel lazerdir.