Setup per saldatura laser (con diagramma)
Dopo aver letto questo articolo imparerai come impostare la saldatura laser con l'aiuto di diagrammi.
La parola LASER sta per "Amplificazione della luce mediante l'emissione stimolata delle radiazioni". Nella saldatura laser un raggio di luce coerente concentrato colpisce il punto desiderato per fondere e saldare il metallo. Una luce coerente è quella in cui le onde sono identiche e parallele e possono percorrere una lunga distanza senza perdita di intensità o deviazione. La luce laser non è solo intensa, ma può anche essere facilmente focalizzata senza alcuna diminuzione di intensità. I laser furono introdotti all'industria negli anni '50.
L'azione del laser si basa sul fatto che quando l'atomo assorbe un fotone (la luce consiste di particelle di energia chiamate fotoni), guadagna energia e raggiunge un livello di energia elevato. Questo stato eccitato dell'atomo è di breve durata e cade a un livello intermedio di stato metastabile. In questa caduta l'atomo perde la sua energia termica, ma conserva la sua energia fotonica.
Poco dopo, l'atomo cade spontaneamente al suo livello originale o al suolo, rilasciando la sua energia fotonica sotto forma di luce. Il fenomeno di tale emissione fotografica è mostrato schematicamente in figura 2.44. L'emissione del laser si ottiene quando il livello superiore è sufficientemente popolato a spese del livello inferiore. Questa situazione viene definita inversione di popolazione e il metodo per ottenerlo è chiamato pompaggio.
Gli elementi lasing possono essere solidi, liquidi, gassosi o semi-conduttori. Alcuni dei materiali solidi laser includono rubino, granato di erbio, granato di alluminio ittrio drogato al neodimio o YAG. I laser solidi hanno un'efficienza molto bassa, normalmente inferiore all'1%.
I materiali per lasing liquidi, come l'ossido di neodimio, sono più efficienti del laser solido nella loro potenza di uscita degli impulsi.
I gas usati per il laser includono idrogeno, elio, azoto, argon e anidride carbonica. I laser a gas hanno la più alta potenza e possono essere usati come laser a raggio continuo con efficienza fino al 25%.
I materiali lasing allo stato solido includono singoli cristalli di semi-conduttori come gallio e arseniuro di indio, leghe di cadmio, selenio e zolfo. I laser semiconduttori hanno un peso ridotto, un basso consumo di energia e un'efficienza molto elevata fino al 70%.
Per scopi industriali il materiale lasing spesso usato è il rubino. Il rubino è ossido di alluminio con atomi di cromo nella misura dello 0-05% in esso. Una forma pratica di laser può consistere in una verga di rubino del diametro di 10 mm e lunga 100 mm con estremità accuratamente levigate e lucidate, una delle quali è al 100% e l'altra al 98% riflettente.
Ciò si ottiene argentandoli di conseguenza. Gli ioni di cromo con il cristallo di rubino emettono radiazioni stimolate e quando l'intensità della radiazione si accumula con ripetute scariche il raggio laser della luce monocromatica passa attraverso la parte meno riflettente del rubino che viene focalizzata attraverso una lente nel punto in cui è necessario per la saldatura. La Fig. 2.45 mostra una disposizione di un laser a rubino. L'efficienza di un laser a rubino è molto bassa dell'ordine del 01%. Nonostante questo, i laser a rubino sono ampiamente usati come strumenti di saldatura.
La durata di un impulso laser è breve, essendo di 10 -9 secondi. Ciò si ottiene scaricando una serie di condensatori attraverso un tubo flash Xenon. Il tubo flash è energizzato con una carica di 18 kv. Il raggio laser è, quindi, ottenuto in impulsi. È possibile avere un numero elevato di banchi di condensatori per far lampeggiare la lampada allo xeno in modo continuo, ma l'asta del rubino e il sistema riflettente si riscaldano così tanto che non è possibile tenerli entro i loro limiti operativi.
Anche con il raffreddamento più efficiente, è difficile ottenere impulsi superiori a 100 al minuto. La frequenza di ripetizione dell'impulso (PRF) per il laser del rubino è normalmente di circa 10-15. Quindi la maggior parte dell'energia di pompaggio viene sprecata sotto forma di calore. Tuttavia, a dispetto della bassa energia prodotta, è possibile utilizzarlo per la saldatura poiché si ottiene una concentrazione di energia molto elevata dell'ordine di 10 9 W / mm 2 .
Una lampada ad arco allo xeno è una lampadina fabbricata da un quarzo otticamente trasparente con due elettrodi di tungsteno racchiusi in esso. In posizione OFF, la pressione allo xeno nella lampada è di 10 atmosfere. L'alimentazione per la lampada allo xeno viene fornita da una sorgente cc con una tensione di carico di almeno 70 volt e una caratteristica volt-ampere pendolare. Le lampade ad arco Xenon possono essere utilizzate continuamente per centinaia di ore.
Il laser più utile per la saldatura è il laser CO 2 in cui il mezzo laser è una miscela di CO 2, azoto ed elio nel rapporto di 1: 1: 10 ad una pressione di 20 a 50 torr (mm di mercurio) con una scarica elettrica fino a 30.000 volt. Un laser CO 2 può funzionare in modo continuo con un'uscita fino a 20 kw. Il raggio laser è costituito da una radiazione infrarossa con una lunghezza d'onda di 1, 06 μm ovvero 106, 00 A ° (1 Angstrom, A ° = 10 -10 m).
Un laser a CO 2 è costituito da un tubo di vetro in cui scorre la miscela di gas lasing. C'è un elettrodo in ciascuna delle due estremità tra le quali è impostata una scarica ad alta tensione. Come un laser solido c'è un riflettore su ciascuna estremità, una delle quali è parzialmente riflettente. Lo spazio tra i due riflettori è chiamato cavità laser. Il raggio laser emesso attraverso la superficie semiriflettente è focalizzato sul punto desiderato come mostrato in Fig. 2.46.
La saldatura laser è più versatile del raggio EBW in quanto può saldare metalli nell'aria, in uno schermo a gas e nel vuoto. Può anche saldare materiali trasparenti poiché il raggio laser non è ostruito da essi. Attualmente il raggio laser è stato utilizzato con successo per saldare piastre con spessore fino a 10 mm.
Commercialmente, la saldatura laser trova impiego nella radiotecnica e nell'elettronica, dove i fili sottili sono spesso collegati a film su micro-circuiti, circuiti a stato solido e micro moduli. Un raggio laser può saldare le più svariate combinazioni di metalli utilizzati nella microelettronica come oro e silicio, germanio e oro, nichel e tantalio, rame e alluminio. Si prevede inoltre di essere utilizzato in lavori di precisione di alta qualità come nell'industria aerospaziale e nelle applicazioni di produzione di massa ad alta velocità come nell'industria automobilistica.
In genere la saldatura laser è stata utilizzata con successo per la saldatura di acciai resistenti alla concisione e leghe di titanio in cui sono state prodotte saldature di alta qualità in lastre di spessore da 0-1 a 2 mm. Le saldature sono risultate essere sottovuoto e avevano una resistenza del 90% rispetto al metallo genitore. Le velocità di saldatura tra 10 e 15 m / ora sono state utilizzate per la saldatura laser.
Anche se la saldatura laser ha un alto potenziale e si prevede che competa con EBW nel prossimo futuro, ma attualmente laser ad alta potenza è un pezzo raro di apparecchiature ed è estremamente costoso.
