Nd: YAG Lazerin Yapısı (Diyagramlı)
Bu makaleyi okuduktan sonra uygun diyagramların yardımıyla Nd: YAG lazerin yapısını öğreneceksiniz.
Bir Nd: YAG lazeri, Şekil 14.26'da şematik olarak gösterildiği gibi, aynaları yansıtan ve ileten bir rezonatörden ve bir güç kaynağı ünitesinden oluşur.
Nd: YAG lazerin rezonatörü veya optik boşluğu, bir flas lambası, lazer çubuğu, reflektör ve aynalardan oluşur. Lazer çubuğu, dikkatlice dağıtılmış% 1 neodim (Nd) iyonları ile implante edilmiş Y3151512 izometrik kristalinden oluşan bir Yttrium alüminyum granetidir (YAG). Bu kristal, 1962'de Geusic ve arkadaşları tarafından geliştirilmiştir. Isı iletkenliği, camın 10 katıdır. YAG ile sürekli salınım mümkündür.
Nd 3+ iyonları, katı hal lazerlerde tipik olarak dört seviyeli lazer hareketi vermek için salınımlı ortamı oluşturur. E0 ila E3 olarak gösterilen dört enerji seviyesi ve Nd3 + iyonlarının bir lazer geçişi Şekil 14.27'de gösterilmektedir. Kristalde Nd3 + iyonlarının konsantrasyonu artarsa, salınımlı ışıkların spektrumu geniş olmaz, çünkü Nd3'ün değerliği ve iyon yarıçapı Y3'ünkilerden çok farklı değildir.
Katı hal lazerleri arasında, Nd: YAG, kaynak kullanımında en popüler olanıdır. Daha önce yakut lazerler daha popülerdi, fakat şimdi Nd: YAG lazer, YAG kristallerinin iyi termal özellikleri nedeniyle endüstride daha yaygın olarak kullanılıyor. Şekil 14.28, bir Nd: YAG lazer kaynak ünitesinin temel özelliklerini şematik olarak göstermektedir.
Nd: YAG lazer ünitesinin güç beslemesi, istenen genlik ve sürenin mevcut darbelerini üretir ve bunları bir elektrik ark lambasına veya bir sarmal flaş lambasına besler. Birincisi, sürekli dalganın (CW) salınması için ve ikincisi darbeli dalga (PW) ışığı için kullanılır. YAG çubuğu ve uyarma lambası, yansıtıcı bir aynanın boşluğuna monte edilir. Boşluğun şekli bir eliptik silindir veya bir çift elipsoittir; pratikte kullanılan bazı tipik oyuklar, Şekil 14.29'da gösterilmiştir.
Lazer çubuğuna maksimum ışık yansıtıcı düzeneğin yardımı ile pompalanır, böylece Nd iyonları kendiliğinden ve uyarılmış emisyonla lazer ışını üretecek şekilde uyarılır. Lazer çubuğunun darbeli uyarılması, esas olarak güç kaynağından gelen akım darbesiyle aynı darbe süresinde bir lazer ışığı darbesinin oluşmasına neden olur. Her ne kadar sürekli dalga Nd: YAG lazerleri de geliştirilmişse de, mevcut durumda kaynak için yaygın olarak kullanılmamaktadır.
Mevcut nabız parametrelerini kontrol edebilme kabiliyeti, kaynak penetrasyon derinliği, profili ve görünümünün kontrolünü sağlar. Bir Nd: YAG kaynak lazeri için tipik darbe süreleri, 0.5 ila 20 m sn arasında ve tekrarlama oranı, 5 ila 500 hertz arasındadır.
Lazer ışını nokta çapı ve f sayısı :
Lazer çıkış ışın çapları, lazerin güç derecesi ile artar, örneğin 1, 5, 10 ve 25 kw lazerler, sırasıyla 10, 25, 40 ve 70 mm sıralarında ışın çaplarına sahiptir. Çaplar boyunca ortalama güç yoğunluğu, 6 ila 13 W / mm2; Gerçek güç konsantrasyonu ışın moduna göre dağıtılır (bkz. Şekil 14.17 A). Lazer ışını ile anahtar deliği kaynağı için, 10 mm ila 10 5 W / mm2 seviyesindeki güç yoğunlukları, lazer ışınının sadece mm çapının çok küçük bir noktasına odaklanmasını gerektirecek şekilde gereklidir.
Odaklanılan nokta büyüklüğü, lazer ışını çapları, kullanılan odaklama optiğinin odak uzunluğu, ışın modu ve ışın sapma açısı ile belirlenir (Sapma açısı, neredeyse paralel lazer ışınının lazerden ayrılması üzerine yayıldığı açıdır).
Nd: YAG kaynak lazerleri genel olarak CO2 lazerlerinden daha büyük ışın sapma açılarına sahiptir ve bu nedenle odaklama merceğinden önce yerleştirilmiş bir kolimatör (yani ters bir teleskop) kullanmadan çok küçük nokta boyutlarına odaklanamaz.
Bu lazerler için yaklaşık odaklanmış nokta boyutu, genellikle aşağıdaki formülden tahmin edilir:
Odaklanmış nokta çapı = 2θF… (14.1)
nerede,
θ = lazer ışını veya kolimatörden çıkarken lazer ışınının sapma açısı (radyan),
F = kullanılan odaklama merceğinin odak uzunluğu (mm).
Odaklanmış nokta çapı önemli bir parametre olmasına rağmen pratik bir bakış açısından odaklanma sayısı, f sayısının odaklama optiğinin (F) odak uzunluğunun lazer ışını çapına (F) odak uzunluğunun oranı olarak tanımlandığı toleranslı kaynak koşulları oluşturmak için daha kullanışlıdır. Ölmek,
Odak f sayısı = F / D… (14.7)
Olay ışını çapı, Şekil 14.30, Nd: YAG lazerleri için bir fotografik baskı alınarak oluşturulmuştur.
Kaynak hızı çok önemli değilse, Nd: YAG lazerleri için f sayısı 4 ve CO 2 lazerleri için 7.5 değerine göre kaynak için odaklanan nokta boyutunu seçmek en iyisidir.
Odaklanmış Nokta Boyutu, Odak Derinliği ve Odak Konumu:
Anahtar deliği kaynağı için gerekli güç yoğunluğunu (10 3 - 10 5 W / mm 2 ) elde etmek için odaklanan nokta boyutunun seçimi ve bakımı en önemlidir. Bu, odak noktası boyutunu belirleyen odaklama optiklerinin doğru seçimini gerektirir.
Işık odaklandığında, ışınlar tekrar dalmadan önce çok küçük bir bel çapına, d ve uzunluğa, L, Şek. Elde edilen minimum bel çapı ve uzunluğu, optik türüne bağlıdır; odak uzaklığı, F; kiriş çapı, D, optik kirişin, kirişin yakınsak veya yakınsayan olup olmadığına; ışın demeti numarası; ışık dalga boyu ve lazer gücü.
Koruyucu Gazlar :
Lazer kaynağında, erimiş metali oksidasyondan korumak ve lazerlerin ışın iletimini korumak için, buhar ve gazların neden olabileceği ışın genişlemesini ve saçılmasını en aza indirerek iyi nüfuz etmeyi sağlayan çalışmaya odaklanmak için koruyucu bir gaz kullanılır. kaynak anahtar deliğinin etrafında.
Lazer kaynağı için kullanılan ortak koruyucu gazlar argon, C02, helyum ve OFN'dir (oksijensiz azot). Bununla birlikte, sıklıkla, koruyucu gaz içermeyen Nd: YAG lazer ile tatmin edici tek nokta kaynakları yapılabilir, çünkü kaynak oksidasyon hasarına neden olacak kadar kısa bir süre erimiş olur.
Ancak, üst üste binen noktalara sahip kesintisiz bir dikiş veya alın kaynağı yaparken, Ar veya OFN genellikle 300 W'a kadar olan lazerler için kullanılır. Bu güç seviyesinin üzerinde gaz koruması daha kritik hale gelir ve penetrasyon derinliğini ve görünümünü etkileyebilir.
1 kW'lık güç aralığında çalışan Nd: YAG lazerleri, koruma gazı olarak Ar +% 20 CO2 veya Ar + (1-2% 1-2 02 ) kullanıldığında penetrasyon kontrolü sorununun üstesinden gelinir, ancak kaynak metali bunlardan kaynaklanabilir. Helyum, Nd: YAG lazerle de kullanılabilir, ancak OFN kullanımından daha fazla kaynak gözenekliliğine neden olduğu bildirilmektedir.
Gerekli gaz akış hızı esas olarak lazer gücüne bağlıdır. Örneğin, bir gaz (düşük 10 ila 20 litre / dakika hızı, 3 kW kapasiteye kadar bir lazer için yeterli olacaktır. Doğru konumlandırılmış bir koaksiyel veya yan tüp koruma cihazı kullanıldığında, 3 ila 5 kW güçlerde, 15-) 30 litre / dak ve 5 ila 10 kW arasında olanlar için 25 ila 40 litre / dak. Önerilmektedir.
Gaz Koruyucu Cihazlar:
Nd: YAG lazer kaynağı için, Şekil 14.31'de gösterildiği gibi basit bir yan boru koruma cihazı, özellikle hassas yerleştirilmiş nokta kaynaklarının gerekli olduğu yerlerde kullanılır. Bunun nedeni, yan borunun nokta kaynağı için hedef alana iyi görsel erişim sağlamasıdır.
Sürekli dikiş ve alın kaynağı yaparken, lazer ışınıyla eş eksenli olan dairesel bir etek siperi, Şekil 14.32'de gösterilmiştir ve güvenilir bir kaynak koruması sağlar. Bununla birlikte, Şekil 14.33'te gösterilen koaksiyel meme koruma cihazı, lazer tabancasının bir robot tarafından manipüle edildiği yerlerde daha pratiktir. Ayrıca, optik kapak sürgüsünü muhtemel kaynak sıçramasından bir miktar koruma ile sağlar, çünkü koaksiyel gaz akımının kuvveti kısmen kiriş yolunda dolaşan herhangi bir partiküle karşı çıkacaktır.
Nd: YAG Lazerleri için Koşulların Oluşturulması:
Anahtar deliği kaynağı genellikle çıkış gücü 500 W'nin altında olan Nd: YAG lazerleriyle mümkün değildir. Düşük ortalama güçlerde (400W) ve ilgili darbe zamanlaması 4-8 m sn'dir, penetrasyon derinliği genellikle spot çapının boyutuyla sınırlıdır. 0, 5 - 1 mm'dir.
Yüksek güç (> 800 W) Nd: YAG 2 m'lik darbe zamanı görüyor ve 500 Hz'lik yüksek darbe tekrarlama frekansı ile birlikte, genişliğin en boy oranı yüksek derinliğe sahip anahtar deliği tipi kaynak üretebiliyor. Bununla birlikte, bu güç seviyesinde, daha düşük nabız oranına sahip daha derin kaynaklar, daha uzun darbe uzunluklarında ve 25 Hz'nin üzerindeki tekrarlama oranlarında elde edilecektir. Kaynak şekli oluşumunda, darbe genişliği ve tekrarlama hızı, Şekil 14.34'te gösterildiği gibi, lazer gücüne göre ayarlandığı için meydana gelen bir eğilim vardır.
3 m / dakikadan daha yüksek bir kaynak hızında 0, 5 mm derinlikte sürekli bir kaynak elde edilebileceği bildirilmektedir. 1 KW'lık bir ortalama güç kullanıldığında 500 Hz'lik bir darbe tekrarlama hızında. Derin ve dar kaynakları yüksek hızlarda yapmak için kısa darbe genişlikleri gerekir. Bununla birlikte, kısa darbeleri kullanırken (<1 m bakın) ve yüksek güçte (1 kW gibi) kaynak kesilmesi aşırı buharlaşma ve malzeme atma nedeniyle oluşabileceği için dikkatli olunmalıdır.
Ortak Yapılandırma :
Şekil 14.21'de gösterilen eklemlerin dışında, Nd: YAG lazer kaynağı, Şekil 14.35'te gösterildiği gibi, plakalar ve borulardaki temel eklem konfigürasyonlarının çoğuna uygulanabilirken, Şekil 14.36, lazer olabilen temel sac eklemleri gösterir. kaynaklı.
Şekil 14.36 Lazerle kaynaklanabilen temel sac ek yeri yapılandırmaları
Lazer ışınının eklem erişimine ve parça konumuna erişmesine yardımcı olan bazı tipik eklem yapılandırmaları, Şekil 14.37'de gösterilmektedir; bunlar 3 mm veya daha fazla kalınlıkta mühendislik yapmak için pratiktir. Bu tür bağlantılar, hassas ekipmanlara ve takım tezgahı imalatına katkıda bulunur ve dikkatli bir şekilde uygulanırsa, lazer kaynağı tarafından sunulan düşük bozulma ile birlikte, kaynak sonrası işleme toleransını minimumda tutabilir.
Ekipman performansı:
Optik veya kalıcı bir ortam arızası olan bir lazer boşluğunun istenen lazer gücünü üretmesi, ancak bozuk veya farklı bir ışın modu yapısına sahip olması olasıdır, böylece odak noktası boyutunu ve dolayısıyla kaynak gücü yoğunluğunu etkiler. Nd: YAG flaş lambalarının eskimesi böyle bir sorun yaratabilir.
Lazer ışını analizörleri, lazer ışınlarının kesit şeklini ve mod yapılarını incelemek için kullanılır. Böyle bir cihaz, kaynak işlemi sırasında kiriş özelliklerini kontrol etmek için kullanılabilir ve böylece lazer ışını ile ilgili bir kalite güvence yöntemi sağlar. Bazı analizörler ışın profilinin sadece iki boyutlu görüntüsünü gösterir, ancak daha yeni analizörler, bilgisayar grafikleriyle, Şekil 14.38'de gösterildiği gibi üç boyutlu izometrik resmi gösterme yeteneğine sahiptir.
Lazer ışını manipülasyonu:
Nd: YAG lazer, ışın manipülasyonu açısından çok yönlüdür ve ayrıca birden fazla iş istasyonunda çalışmak için bir lazer gerektiğinde. Bunun nedeni, Nd: YAG lazerinden 1, 06 mm kısa dalga boyunun çok az güç kaybıyla bir fiber optik üzerinden iletilebilmesidir. Bu yetenek, lazer ışınının esnek bir kablo vasıtasıyla doğrudan bir lazer kolundan, önemli bir güç kaybı olmadan, bir robot kolun mafsallı bir bileğine monte edilmiş bir lazer tabancasına ilerleyebilmesi anlamına gelir.
Bu Nd: YAG lazeri üretim otomasyonu için ideal kılar. Dahası, lazer üretim hattından ve lazer ışını borusundan bir miktar uzağa yerleştirilebilir. Bir lazer, lazer ışını istasyondan istasyona değiştirmek için birden fazla iş istasyonunu çalıştırabilirken, bir istasyonu kaynak yaparken, parça yükleme ve boşaltma aracı diğer istasyonlarda gerçekleşir. Öte yandan, birkaç çok farklı istasyon bir lazeri zamanla paylaşabilir.
Bir Nd: YAG lazerinden çok modlu ışın bölünebilir, Şekil 14.40 (a), ışın demeti katlama aynalarını ışın yolunun içine ve ışın yolunun içine sokmak suretiyle ayrılabilir. Böylece, ışın ayırma sistemi, bir fiber optik ışın dağıtım sistemi ile birlikte, bir veya daha fazla iş istasyonunda aynı anda birkaç kaynak yapabilir. Alternatif olarak, kiriş sırayla, 14.40 (b), genellikle 30 m mesafeye kadar farklı noktalara çevrilebilir.
Kirişin saniyede 40 kata kadar sekiz iş istasyonu arasında değiştirildiği endüstriyel mikro nokta kaynak sistemleri vardır. Nd: YAG lazer ışınının bölündüğü yerlerde, her kesitin tek şekli, fiber optikten geçirilerek odaklanabilir bir forma homojenleştirilir.
Fiber optik ışın iletim sistemleri bugüne kadarki en basit ve çok yönlüdür. Optik fiber malzeme Si02 (kuvars) ve genellikle 1 mm'den küçüktür.
Maksimum ışın iletim verimliliği için, fiber uçlarının son derece parlak olması ve fiberin her iki ucunda bulunan lenslerin optik ekseni ile tam kare ve konsantrik olması gerekir. Ayrıca, gelen ışının odak pozisyonu, fiberin ucuna göre kesin olmalıdır.
Fiber çok sıkı bükülürse, ışın iletim verimliliği de düşer. 0, 5 mm çaplı bir Si02 lifi, verim engellenmeden önce izin verilen yaklaşık 100 mm'lik bir bükülme yarıçapına sahiptir, oysa 1 mm çapındaki bir elyaf için güvenli yarıçap, en az iki kat daha büyüktür. Genel olarak, bir Nd: YAG lazer ve fiber optik sistem için toplam lazer gücü kaybı, % 10-15'ten fazla değildir.
Lazer kaynak güçlerini iletmek için kullanılan optik fiber düzenekleri amaca yöneliktir ve elektroniklerde kullanılanlardan oldukça farklıdır. Kaynak için kullanılanlar, Şekil 14.41'de gösterildiği gibi, esnek bir çelik boru ve naylon kılıf içeren önemli ve sağlam bir kılıf ile korunmaktadır. Her ne kadar bu önlemler optik lifi yeterince koruyor olsa da, temel işlevi kırılmaya neden olabilecek ve lazer ışığının kaçmasına neden olabilecek tehlikeli endüstriyel sonuçlara yol açabilecek kaza sonucu ortaya çıkan endüstriyel hasara karşı koymaktır.
Lazer ışını tehlikeleri:
Işın iletim yolundan yanlışlıkla kaçan odaklanmamış bir lazer ışını, güvenli olacak kadar genişlemeden önce birkaç yüz metre havada seyahat edebilir. Öte yandan, odaklanmış bir ışın cilt üzerinde yanlışlıkla düşerse, çok derin yanmalara veya hatta ciddi yanma deliklerine neden olabilir. Bununla birlikte, odaklanmış ışın odak noktasının ötesinde çok daha hızlı genişler, genellikle birkaç metre sonra güvenli bir çapa ulaşır.
Kesin mesafe f fokusuna bağlıdır; sayı ne kadar küçükse, ışın genişleme oranı o kadar büyük olur. Odaklanmış bir kirişin iş parçasının yüzeyinden yansıması nedeniyle, özellikle de kiriş iş parçasına 70 ° 'den daha düşük bir açıyla meyilli ise, bir tehlike de ortaya çıkabilir.
Çünkü Nd: YAG veya C02 lazerinden gelen lazer ışığı insan gözüne görünmez ve yaklaşık 300.000 km / sn'lik çok yüksek hızda hareket eder, bu nedenle kaçan yansıyan herhangi bir lazer ışını ciddi cilt yanıklarına yol açan herhangi birisine anında çarpacaktır. Vücudunda meydana gelen olay ömür boyu sakatlanabiliyorsa, birkaç mm çapında odaklanmamış yüksek güçlü bir lazer ışını.
Dalga boyu 1.06 pm olan Nd: YAG lazeri lazer ışığı göz için özellikle tehlikelidir, çünkü gözdeki lens bu dalga boyunu retina üzerinde çok küçük bir noktaya odaklayabilir ve ciddi göz yanıklarına neden olabilir. Ne yazık ki retina, bu kör noktaların neden olduğu ağrıyı kaydetmez, bu nedenle göze verilen zarar hemen gerçekleşmeyebilir. Lazer personeli için düzenli göz testleri bu nedenle en erken böyle bir hasarı tespit etmek için zorunlu hale getirilmelidir.
Kişiye verilen hasarın yanı sıra, kaçan lazer ışığı da yangına neden olabilir ve boru hatlarını ve kablo örtülerini kolayca eritebilir ve böylece diğer tesislerin güvenli çalışmasını etkileyerek istenmeyen diğer tehlikeli durumlara yol açar. Çok kilowatt'lık bir lazerden odaklanmamış bir lazer ışınının, eğer zaman verilirse, çelik plakalar ve hatta ateş tuğlalarıyla kolayca yanabileceği akılda tutulmalıdır.
Cam ve akrilik, Nd: YAG lazerden 1.06 pm dalga boyunda lazer ışınına karşı saydam olduğundan, bu nedenle özel emici film kaplamalarla kaplanmadıkça, görüntüleme pencereleri sağlamak için bu malzemeler kullanılmamalıdır.
Nd: YAG lazerinden kaynaklanan ciddi göz hasarı riski nedeniyle, görüntüleme penceresi yerine kapalı devre televizyon sistemi kaynak işlemini izlemek için en uygun olanıdır; doğru kamera ve filtrelerle mutlak güvenlikte yakın gözlemler yapılabilir.
