Struttura del laser Nd: YAG (con diagramma)
Dopo aver letto questo articolo imparerai a conoscere la struttura del laser Nd: YAG con l'aiuto di diagrammi appropriati.
Un laser Nd: YAG è costituito da un risonatore, specchi riflettenti e trasmittenti e un'unità di alimentazione, come mostrato schematicamente in Fig. 14.26.
Il risonatore o cavità ottica del laser Nd: YAG è costituito da una lampada a scarica, un'asta laser, un riflettore e specchi. La barretta laser è un granato di alluminio di ittrio (YAG) costituito da cristallo isometrico Y 3 A 15 O 12 impiantato con ioni al neodimio (Nd) attentamente distribuiti 1%. Questo cristallo è stato sviluppato da Geusic et al. Nel 1962. La sua conducibilità termica è 10 volte quella del vetro. L'oscillazione continua è possibile con YAG.
Gli ioni Nd 3+ formano il mezzo oscillante per dare un'azione laser a quattro livelli tipica nei laser a stato solido. I quattro livelli di energia indicati da E 0 a E 3 e una transizione laser di ioni Nd 3+ sono mostrati in Fig. 14.27. Anche se la concentrazione di ioni Nd 3+ in cristalli aumenta, lo spettro della luce oscillante non diventa ampio, perché la valenza e il raggio di ioni di Nd 3+ non sono molto diversi da quelli di Y 3+ .
Tra i laser a stato solido, Nd: YAG è ora il più popolare per l'uso nella saldatura. I laser a rubino precedenti erano più popolari, ma ora il laser Nd: YAG è usato più ampiamente nell'industria a causa delle buone caratteristiche termiche dei cristalli YAG. La figura 14.28 mostra schematicamente le caratteristiche essenziali di un'unità di saldatura laser Nd: YAG.
L'alimentazione elettrica dell'unità laser Nd: YAG genera impulsi di corrente dell'ampiezza e durata desiderate e li alimenta in una lampada ad arco elettrico o in una lampada a spirale. Il primo è utilizzato per l'onda continua oscillante (CW) e il secondo per la luce a onda pulsata (PW). La barra YAG e la lampada di eccitazione sono installate nella cavità di uno specchio riflettente. La forma della cavità è un cilindro ellittico o un doppio ellissoide; sono mostrate alcune cavità tipiche utilizzate nella pratica, in Fig. 14.29.
La luce massima viene pompata nell'asta del laser con l'aiuto del gruppo riflettore eccitando così gli ioni Nd per produrre il raggio laser mediante emissione spontanea e stimolata. L'eccitazione pulsata dell'asta laser si traduce nella generazione di un impulso di luce laser essenzialmente della stessa durata dell'impulso di corrente proveniente dall'alimentatore. Sebbene siano stati sviluppati anche laser ad onda continua Nd: YAG, ma al momento non sono ampiamente utilizzati per la saldatura.
La possibilità di controllare i parametri attuali dell'impulso consente il controllo della profondità di penetrazione della saldatura, del profilo e dell'aspetto. Durata tipica degli impulsi per un raggio laser di saldatura Nd: YAG da 0, 5 a 20 m sec e frequenza di ripetizione da 5 a 500 hertz.
Diametro spot raggio laser e numero f :
I diametri del raggio di uscita laser aumentano con la potenza del laser, ad esempio i laser da 1, 5, 10 e 25 kw hanno diametri del fascio nell'ordine di 10, 25, 40 e 70 mm rispettivamente. La densità di potenza media tra i diametri è nell'ordine da 6 a 13 W / mm 2 ; la concentrazione effettiva di potenza che viene distribuita in base alla modalità del raggio (vedi Fig. 14.17 A). Per la saldatura a buco della serratura sono necessarie densità di potenza del fascio laser dell'ordine di 10 3 a 10 5 W / mm 2, rendendo necessaria la messa a fuoco del fascio laser in un punto molto piccolo di una sola frazione di mm di diametro.
La dimensione del punto focalizzato è determinata dai diametri del raggio laser, dalla lunghezza focale dell'ottica di messa a fuoco utilizzata, dalla modalità del raggio e dall'angolo di divergenza del fascio (L'angolo di divergenza è l'angolo con il quale il raggio laser quasi parallelo si propaga lasciando il laser).
I laser di saldatura Nd: YAG hanno generalmente angoli di divergenza dei fasci più ampi dei laser a CO 2 e pertanto non possono essere focalizzati su dimensioni di spot molto piccole senza utilizzare un collimatore posizionato prima della lente di messa a fuoco (cioè un telescopio al contrario).
La dimensione approssimativa dello spot focalizzato per questi laser è generalmente stimata dalla seguente formula:
Diametro spot focalizzato = 2θF ... (14.1)
dove,
θ = l'angolo di divergenza (radianti) del raggio laser mentre lascia il laser o il collimatore,
F = lunghezza focale (mm) della lente di focalizzazione utilizzata.
Sebbene il diametro spot focalizzato sia un parametro importante ma dal punto di vista pratico il numero di messa a fuoco è più utile per stabilire condizioni di saldatura tolleranti in cui il numero f è definito come un rapporto tra la lunghezza focale dell'ottica di messa a fuoco (F) e il diametro del raggio laser ( D), cioè,
Focus numero f = F / D ... (14, 7)
Il diametro del raggio incidente, Fig. 14.30, può essere stabilito per i laser Nd: YAG prendendo una stampa fotografica.
A meno che la velocità di saldatura sia fondamentale, è preferibile scegliere la dimensione dello spot focalizzata per la saldatura in base al numero f di 4 per i laser Nd: YAG e 7, 5 per i laser CO 2 .
Dimensione spot focalizzata, profondità di messa a fuoco e posizione di messa a fuoco:
Per ottenere la densità di potenza richiesta per la saldatura a buco della serratura (da 10 3 a 10 5 W / mm 2 ), la scelta e la manutenzione delle dimensioni dello spot focalizzate sono le più importanti. Ciò richiede una corretta selezione dell'ottica di messa a fuoco che determina la dimensione del punto di messa a fuoco.
Quando la luce è focalizzata, i raggi convergono in un diametro della vita molto piccolo, d, e lunghezza, L, Fig. 14.30, prima di divergere di nuovo. Il diametro e la lunghezza della vita minima esatti raggiunti dipendono dal tipo di ottica; la sua lunghezza focale, F; il diametro del raggio, D, incidente sull'ottica, se il raggio incidente è convergente o divergente; il numero TEM del raggio; la lunghezza d'onda della luce e la potenza del laser.
Gas di protezione :
Un gas di protezione viene utilizzato nella saldatura laser per proteggere il metallo fuso dall'ossidazione e per proteggere la trasmissione del raggio laser mentre si concentra sul lavoro che garantisce una buona penetrazione riducendo al minimo l'espansione del fascio e la dispersione che può essere causata da vapori e gas intorno al buco della serratura.
I comuni gas di protezione utilizzati per la saldatura laser sono l'argon, la CO 2, l'elio e l'OFN (azoto privo di ossigeno). Abbastanza spesso, tuttavia, con il laser Nd: YAG è possibile eseguire saldature a punti singoli soddisfacenti senza gas di schermatura perché la saldatura è fusa per un tempo troppo breve per provocare danni ossidanti.
Ma quando si eseguono saldature continue o saldature di testa con punti sovrapposti, Ar o OFN vengono generalmente utilizzati per laser fino a 300 W. Sopra questo livello di potenza la schermatura del gas diventa più critica e può influenzare la profondità e l'aspetto della penetrazione.
Per i laser Nd: YAG che operano nell'intervallo di potenza di 1 kW, il problema del controllo della penetrazione è superato dall'uso di Ar + 20% CO 2 o Ar + (1-2)% O 2 come gas di protezione, anche se lieve ossidazione di il metallo di saldatura può essere causato da loro. L'elio può essere utilizzato anche con il laser Nd: YAG ma è segnalato che causa maggiore porosità della saldatura rispetto all'utilizzo di OFN.
La portata del gas necessaria dipende principalmente dalla potenza del laser. Ad esempio un gas (una velocità bassa da 10 a 20 l / min sarà sufficiente per un laser fino a 3 kW di capacità quando si utilizza un dispositivo di schermatura coassiale o laterale del tubo correttamente posizionato con potenze da 3 a 5 kW, velocità di 15- 30 lit / min, e per quelli tra 5 e 10 kW si consigliano velocità da 25 a 40 lit / min.
Dispositivi di schermatura del gas:
Per la saldatura laser Nd: YAG viene generalmente utilizzato un semplice dispositivo di schermatura del tubo laterale, come mostrato nella figura 14.31, in particolare quando sono richieste saldature a punti posizionate con precisione. Questo perché il tubo laterale fornisce un buon accesso visivo all'area di destinazione per la saldatura a punti.
Quando si effettuano cuciture continue e saldature di testa, uno schermo anulare del pannello coassiale con il raggio laser, mostrato in Fig. 14.32 fornisce una protezione affidabile della saldatura. Il dispositivo di protezione dell'ugello coassiale, mostrato in figura 14.33, è tuttavia più pratico in cui la pistola laser viene manipolata da un robot. Fornisce inoltre il vetrino del coperchio ottico con una certa protezione da possibili spruzzi di saldatura poiché la forza della corrente di gas coassiale si oppone parzialmente a qualsiasi particella che si muove lungo il percorso del raggio.
Stabilire le condizioni per i laser Nd: YAG:
La saldatura a buco della serratura di solito non è possibile con i laser Nd: YAG con potenza di uscita inferiore a 500 W. A basse potenze medie (400W) e la relativa durata degli impulsi di 4-8 m sec, la profondità di penetrazione è solitamente limitata alla dimensione del diametro spot che è dell'ordine di 0, 5-1 mm.
I laser Nd: YAG ad alta potenza (> 800 W) con un tempo di impulso di 2 m e una frequenza di ripetizione degli impulsi elevata di 500 Hz possono produrre tipi di saldature con alte proporzioni di profondità lo larghezza. Tuttavia, a questo livello di potenza, le saldature più profonde, con un rapporto d'aspetto ridotto, verrebbero raggiunte con lunghezze d'impulso più lunghe e frequenze di ripetizione superiori a 25 Hz. C'è una tendenza alla formazione della forma di saldatura che si verifica quando la larghezza dell'impulso e la frequenza di ripetizione sono regolate in relazione alla potenza del laser, come mostrato nella figura 14.34.
È stato riferito che una saldatura continua di 0, 5 mm di profondità può essere raggiunta a una velocità di saldatura superiore a 3 m / min. con una frequenza di ripetizione degli impulsi di 500 Hz quando si utilizza una potenza media di 1 KW. Per realizzare saldature profonde e strette ad alte velocità, sono necessarie larghezze di impulso corte. Tuttavia, è necessario prestare attenzione quando si utilizzano impulsi brevi (<1 m. Vedere) e alta potenza (ad esempio 1 kW) poiché la saldatura sottoquotazione può verificarsi a causa di eccessiva vaporizzazione ed espulsione del materiale.
Configurazione congiunta :
Oltre alle articolazioni mostrate in Fig. 14.21, la saldatura laser Nd: YAG può essere applicata alla maggior parte delle configurazioni di articolazione di base in piastre e tubi, come mostrato in Fig. 14.35 mentre la Fig. 14.36 mostra i giunti in lamiera di base che possono essere laser saldati.
Fig. 14.36 Le configurazioni di giunzione in lamiera di base che possono essere saldate al laser
Alcune tipiche configurazioni di giunzione che assistono il raggio laser all'accesso congiunto e alla posizione della parte sono mostrate in Fig 14.37; questi sono pratici da progettare con uno spessore di 3 mm o superiore. Tali giunture si prestano ad attrezzature di precisione e fabbricazione di macchine utensili e se applicate con attenzione, insieme alla bassa distorsione offerta dalla saldatura laser, è possibile mantenere al minimo il margine di lavorazione post-saldatura.
Prestazioni dell'attrezzatura:
È possibile che una cavità laser con un difetto del mezzo ottico o laser produca la potenza laser necessaria ma con una struttura di modo del fascio distorta o diversa, influenzando così la dimensione del punto di messa a fuoco e di conseguenza la densità della potenza di saldatura. L'invecchiamento delle lampade flash Nd: YAG può creare un tale problema.
Gli analizzatori laser vengono utilizzati per esaminare la forma della sezione trasversale dei raggi laser e le loro strutture di modo. Un tale dispositivo può essere utilizzato per controllare le caratteristiche del raggio durante l'operazione di saldatura e quindi fornire un metodo di assicurazione della qualità rispetto al raggio laser. Alcuni analizzatori mostrano solo un'immagine bidimensionale del profilo del fascio, tuttavia gli analizzatori più recenti hanno la possibilità di visualizzare, con l'ausilio della grafica computerizzata, un'immagine isometrica tridimensionale, come mostrato in Fig. 14.38.
Manipolazione del raggio laser:
Il laser Nd: YAG è molto versatile per quanto riguarda la manipolazione del raggio e anche quando è richiesto un laser per lavorare su più postazioni di lavoro. Ciò è dovuto al fatto che la lunghezza d'onda corta di 1, 06 mm dal laser Nd: YAG può essere trasmessa attraverso una fibra ottica con pochissima perdita di potenza. Questa capacità significa che il raggio laser può viaggiare direttamente dall'unità laser attraverso un cavo flessibile a una pistola laser montata su un polso articolato di un braccio robot, Fig. 14.39, senza una significativa perdita di potenza.
Questo rende il laser Nd: YAG ideale per l'automazione della produzione. Inoltre, il laser può essere posizionato a una certa distanza dalla linea di produzione e il raggio laser convogliato su di esso. Un laser può azionare più postazioni di lavoro per la commutazione del raggio laser da una stazione all'altra, mentre la saldatura di una stazione, l'auto di carico e scarico parziale avviene in altre stazioni. D'altra parte, diverse stazioni molto diverse possono condividere il tempo con un laser.
Il raggio multimodale da un laser Nd: YAG può essere diviso, Fig. 14.40 (a), inserendo specchi a raggio sfalsato nel fascio e attraverso il percorso del raggio. Pertanto, il sistema di divisione del fascio, in combinazione con un sistema di consegna del fascio di fibre ottiche, può eseguire più saldature contemporaneamente in una o più stazioni di lavoro. In alternativa, il raggio può essere commutato sequenzialmente, 14.40 (b), in punti diversi, spesso fino a 30 m di distanza.
Esistono sistemi di saldatura micro-spot industriali in cui il raggio viene commutato tra otto stazioni di lavoro fino a 40 volte al secondo. Quando il raggio laser Nd: YAG viene diviso, la forma dispari di ciascuna sezione trasversale viene omogeneizzata in una forma focalizzabile trasmettendola attraverso la fibra ottica.
I sistemi di consegna del fascio di fibre ottiche sono di gran lunga il più semplice e versatile. Il materiale in fibra ottica è SiO 2 (quarzo) e generalmente ha un diametro inferiore a 1 mm.
Per la massima efficienza di trasmissione del fascio, le estremità delle fibre devono essere altamente levigate e perfettamente quadrate e concentriche con l'asse ottico delle lenti posizionate su ciascuna estremità della fibra. Inoltre, la posizione di messa a fuoco del fascio in ingresso deve essere precisa in relazione all'estremità della fibra.
Anche l'efficienza della trasmissione del raggio è compromessa se la fibra è piegata eccessivamente. Una fibra di SiO 2 con diametro di 0, 5 mm ha un raggio di curvatura ammissibile di circa 100 mm prima che l'efficienza sia compromessa, mentre per una fibra del diametro di 1 mm il raggio di sicurezza è almeno due volte più grande. Generalmente, la perdita totale di potenza laser per un laser Nd: YAG e un sistema a fibre ottiche non supera il 10-15%.
I gruppi di fibre ottiche utilizzati per trasmettere i poteri di saldatura laser sono fatti appositamente e molto diversi da quelli usati nell'elettronica. Quelli utilizzati per la saldatura sono protetti da una guaina notevole e robusta, che include un tubo flessibile in acciaio e una camicia di nylon, come mostrato in Fig. 14.41. Sebbene queste misure proteggano adeguatamente la fibra ottica, la loro funzione principale è quella di resistere a danni industriali accidentali che potrebbero causare la frattura e consentire alla luce laser di fuoriuscire, con conseguenti conseguenze pericolose.
Pericoli del raggio laser:
Un raggio laser non focalizzato che fuoriesce accidentalmente dal percorso di trasmissione del raggio è in grado di percorrere diverse centinaia di metri in aria prima che si espanda abbastanza per essere sicuro. Se, d'altra parte, un raggio focalizzato cade incidentalmente sulla pelle, può causare ustioni molto profonde o addirittura gravi ustioni. Tuttavia, un raggio focalizzato si espande molto più rapidamente oltre il punto di messa a fuoco, raggiungendo generalmente un diametro sicuro dopo pochi metri.
La distanza precisa dipende dal numero f del fuoco; più basso è il numero maggiore è la velocità di espansione del raggio. Un rischio può sorgere anche a causa della riflessione di un raggio focalizzato dalla superficie del pezzo, in particolare se il raggio incidente è inclinato rispetto al pezzo con un angolo inferiore a 70 °.
Poiché la luce laser del laser Nd: YAG o CO 2 è invisibile all'occhio umano e viaggia a una velocità estremamente elevata di circa 300.000 km / sec, pertanto qualsiasi raggio laser riflesso sfuggirà istantaneamente a chiunque si trovi sul suo cammino causando gravi ustioni cutanee. Un raggio laser ad alta potenza sfocato di diversi millimetri di diametro se incidente sul corpo potrebbe mutilarne uno per la vita.
La luce laser del laser Nd: YAG con la sua lunghezza d'onda di 1, 06 pm è particolarmente pericolosa per gli occhi, perché la lente nell'occhio può focalizzare questa lunghezza d'onda in un punto molto piccolo sulla retina e causare gravi ustioni agli occhi. Sfortunatamente la retina non registra il dolore causato da tali punti ciechi, quindi il danno causato agli occhi potrebbe non essere realizzato immediatamente. Pertanto, è necessario rendere regolari i test oculistici per il personale del laser per rilevare tale danno al più presto.
Oltre al danneggiamento della persona, la luce laser in uscita può accendere fuochi e sciogliere facilmente le tubazioni e le coperture dei cavi e quindi porta ad altre situazioni pericolose indesiderate, compromettendo il funzionamento sicuro di altre piante. Va tenuto presente che un raggio laser non focalizzato proveniente da un laser multi-kilowatt, se in un dato momento, può facilmente bruciare attraverso piastre di acciaio e persino mattoni refrattari.
Poiché il vetro e l'acrilico sono trasparenti al raggio laser della lunghezza d'onda di 1, 06 pm dal laser Nd: YAG, pertanto, questi materiali non devono essere utilizzati per fornire finestre di visualizzazione a meno che non siano rivestiti con speciali rivestimenti di film assorbenti.
A causa dell'alto rischio di danni oculari gravi causati da un laser Nd: YAG, invece di una finestra di visualizzazione, un sistema televisivo a circuito chiuso è più adatto per la visualizzazione dell'operazione di saldatura; con la telecamera e i filtri corretti, le osservazioni ravvicinate possono essere fatte in assoluta sicurezza.
