رسم تخطيطي لثاني أكسيد الكربون
تقدم هذه المقالة مخططات تخطيطية لليزر ثاني أكسيد الكربون (CO 2 ).
الليزر الصناعي الأكثر فائدة للحام والقطع هو ليزر ثاني أكسيد الكربون الذي يكون فيه الوسط الليزري عبارة عن خليط من ثاني أكسيد الكربون والنيتروجين والهيليوم في نسبة نموذجي 1: 1: 10 عند ضغط 20-10 تور مع تيار كهربائي تفريغ 10-30،000 فولت.
يمكن أن يحتوي ليزر ثاني أكسيد الكربون إما على أنبوب مختوم من الغاز أو الغاز المتدفق داخل الأنبوب. يزيد مبدأ الغاز المتدفق من خرج الطاقة بمقدار 3 أضعاف من نوع الأنبوب المختوم من مادة الليزر. يمكن أن يعمل ليزر ثاني أكسيد الكربون في كل من أنماط الموجات النبضية أو المستمرة ، وقد تم تطويره لتوصيل المخرجات التي تتراوح من بضع مئات من الواط إلى أكثر من 20 كيلو وات. شعاع الليزر المنتَج في منطقة دون الحمراء بكثير من الطيف بطول موجة حوالي 10.6 ميكرومتر (106000 Å).
قد يكون تدفق الغاز في ليزر ثاني أكسيد الكربون على طول محور شعاع الليزر أو عرضه عند ضغط تشغيل يبلغ 80 رطل أو أقل على الرغم من أن حزمة ليزر ثاني أكسيد الكربون قد تم إنتاجها عند الضغط الجوي. باستخدام كلا النوعين من تدفق الغاز ، يتم استخدام مرآة عاكسة تمامًا في أحد طرفيها وبإرسال جزئي ، بطول موجة يبلغ 10.6 ميكرومتر ، في الطرف الآخر للعمل كنافذة خرج. يتم استخدام المواد شبه الموصلة المطلية مثل selenide الزنك (ZnSe) كنوافذ خرج لليزر CO 2 تصل إلى عدة خرج كيلووات. ومع ذلك ، يتم حرق هذه المواد عند مستويات طاقة أعلى ، وبالتالي يتم استخدام مرآة معدنية حلقيّة لتسهيل الإرسال.
يعرض الشكل 14.22 مخططًا تخطيطيًا لضوء ليزر بقدرة 150 وات.
يتم تغذية الغازات سابقة الخلط بشكل مستمر في الأنبوب الذي يشكل تجويف الليزر. إن أنبوب التفريغ مبرد بالماء ويتم الحفاظ على تيار كهربائي حوالي 10 KV بين الأقطاب الكهربائية. في كل طرف من أنبوب التصريف ، تكون المرآة القابلة للتعديل مرفقة من خلال أنبوب مرن في الأنبوب. مرآة واحدة تتكون من الذهب المودعة على بيركس أو الفولاذ المقاوم للصدأ تنعكس تماما في 10-6 ميكرومتر في حين أن مرآة تشكيل نافذة الإخراج لديها طلاء عازلة أودعت على ركيزة الجرمانيوم.
بالنسبة إلى ليزر CO 2 العالي القدرة ، يتكون أنبوب التفريغ من عدد من الأنابيب الموضوعة في تكوين موازٍ مع ترتيب للضوء البصري للضوء من خلال الانعكاسات الخلفية والأمامية. يمكن أن تنتج الليزرات التدفقية البطيئة أقصى إنتاج يصل إلى حوالي 500 واط ، وذلك لأن 75 - 90٪ من طاقة التفريغ تتبدد في الغاز مما يؤدي إلى ارتفاع درجة الحرارة والانحلال مع انخفاض ناتج في الناتج.
للحصول على خرج أعلى ، يتم تشغيل الغاز من خلال أنبوب الليزر بسرعة عالية بواسطة منفاخ. هذا يقلل من فقدان الحرارة للجدران إلى كمية لا تذكر. في حين أن ليزر التدفق المحوري البطيء سوف يولد حوالي 50 - 70 واط لكل متر من تجويف الليزر ، فإن ليزر التدفق المحوري السريع يمكن أن يولد ما يصل إلى 600 واط لكل متر.
عملية ليزر الغاز:
في ليزر ثاني أكسيد الكربون يتم تحفيز جزيئات ثاني أكسيد الكربون عن طريق التفريغ الكهربائي عبر تجويف الليزر. الاستثارة الاهتزازية المباشرة لثاني أكسيد الكربون بواسطة التفريغ الكهربائي غير فعالة. ومع ذلك ، يقبل N 2 الطاقة بشكل فعال من التفريغ ومستويات الطاقة الاهتزازية لجزيئات N 2 وبعض جزيئات CO 2 تكون قريبة جدًا. هذا هو السبب في أن N 2 يضاف إلى CO 2 وبالتالي يتم تحفيز ثاني أكسيد الكربون بواسطة تبادل الطاقة الرنيني مع N 2 . هذه العملية ذات المرحلتين أكثر سرعة وفعالية من عملية الإثارة المباشرة لثاني أكسيد الكربون.
ويرافق الانتقال من حالة الطاقة الذبذبية العليا إلى المستوى المتوسط انبعاث فوتون مع طول موجة مميز من 10-6 ميكرومتر في منطقة الأشعة تحت الحمراء من طيف الإشعاع. يجب أن تعود جزيئات ثاني أكسيد الكربون عند مستوى الطاقة المتوسط إلى المستوى الأرضي لإكمال العملية.
يتم تحقيق ذلك على وجه السرعة بإضافة الهليوم إلى خليط CO 2 - N 2 ؛ لأن الاصطدام بين جزيئات CO 2 وينتج عنه نقل طاقة الإثارة المتبقية إلى الهيليوم. ثم يتم إزالة هذه الطاقة كحرارة النفايات. يظهر في الشكل 14.23 عملية انبعاث الليزر بواسطة سقوط ثاني أكسيد الكربون و N 2 من خلال مستويات مختلفة من الطاقة.
وكما هو الحال في أشعة الليزر ذات الحالة الصلبة ، يمكن لأجهزة الليزر أن تعمل فقط من خلال تحديد حالة الانعكاس السكاني الذي يتم إنجازه من خلال تفريغ الوهج عالي الجهد. ولكن توهج التفريغ ينتج عنه عدم استقرار عند المستويات الحالية التي تزيد عن 300 مللي أمبير ، وإذا تغير تصريف الوهج لتصريف القوس ، فإن الظروف الديناميكية الحرارية تنشأ ولا يمكن أن يحدث lasing.
ويمكن منع هذا في أنظمة الطاقة العالية من خلال التأين المساعد عن طريق استخدام الطاقة الكهربائية للترددات الراديوية عند الجهد العالي. ومع ذلك ، تعمل ليزر ثاني أكسيد الكربون ذو الطاقة العالية حاليًا فقط مع التفريغ الكهربائي من التيار المستمر دون استخدام التأين الإضافي.
أشعة ليزر ثاني أكسيد الكربون مستحثة كهربائياً حتى تصل إلى 20 كيلوواط. يستخدم التدفق السريع للغازات لإزالة الحرارة من تجويف الليزر. لتقليل تكاليف التشغيل ، يتم استخدام مبادل حراري من الغاز إلى السائل ويتم إعادة تدوير غازات الليزر في النظام كما هو موضح في ليزر CO 2 المحوري في الشكل 14.24. يتم استهلاك كمية صغيرة فقط من الغاز بسبب الحاجة إلى الإزالة المستمرة وتجديد كمية صغيرة من خليط الغاز الليزري لمنع تراكم الملوثات الناتجة عن تفكك CO 2 و N 2 في عمليات التفريغ الكهربائية.
يمكن أن تعمل ليزر ثاني أكسيد الكربون في الموجة النبضية (PW) وأنماط الموجة المستمرة (CW).
الطاقة النبضية:
مع ليزر الحزمة النبضي ، يتم تحديد تغلغل اللحام بواسطة طاقة النبض ومدته. يزيد الاختراق مع زيادة طاقة النبض ومدته. يجب أن تكون مدة النبض طويلة بما يكفي لتمكين التوصيل وذوبان إلى العمق المطلوب. عندما يتم التحكم في طاقة الحزمة بواسطة طاقة النبض ومدتها ، يتم التحكم بكثافة الطاقة على سطح العمل عن طريق تركيز البصريات.
كما يخضع الاختراق في لحام الحزمة النبضية لخصائص المواد. بالنسبة إلى طاقة النبض ومدة معينة ، تزيد نسبة الانتشار الحراري الناجم عن الاختراق. شعاع الليزر ذو الطاقة العالية ، وهو حزمة ذات طاقة نبضة عالية ومدة نبض قصيرة ، تم العثور عليه مناسب لمثل هذه المواد ذات الانتشار الحراري العالي والعكس صحيح بالنسبة للمواد منخفضة الانتشار الحراري.
الحد الأقصى للاختراق الذي يمكن بلوغه مع ليزر الحالة الصلبة النبضي الحالي هو فقط حوالي 1-5 ملم ، وبالتالي يمكن استخدام العملية بفعالية لمواد قياس الضوء فقط. العلاقة بين متغيرات العملية للليزرات النبضية ذات السعة المنخفضة ، عند استخدامها في لحام الفولاذ المقاوم للصدأ ، والتيتانيوم ، والألمنيوم يتم عرضها في شكل رسوم بياني في الشكل 14.25.
وتتوفر ليزر ثاني أكسيد الكربون التي يمكن أن تنتج قمم ذبذبة من 3 كيلووات بتردد يصل إلى 2-5 كيلوهرتز من وحدة طاقة متوسطة تبلغ 500 وات.
قوة مستمرة:
يتم الحصول على شعاع ليزر مستمر بالطاقة من ليزر الغاز. يمكن استخدام مثل هذه الليزرات منخفضة القدرة للتغلغل القائم على التوصيل التقليدي ، في حين أنه لا يمكن الحصول على طريقة ثقب المفتاح إلا مع ليزر عالي القدرة - عند سرعة لحام تزيد عن 40 سم / دقيقة. ويمكن الحصول على اختراق يبلغ حوالي 20 ملم في سبائك الفولاذ باستخدام ليزر CO 2 مستمر بقدرة 15 KW. قد تكون الملحومة المقاطع الأثقل في مرورين ، واحد من كل جانب.
في الليزرات عالية القدرة ، هناك إمكانية لتأين بخار المعدن الذي قد يؤدي إلى تكوين بلازما فوق سطح قطعة الشغل التي قد تمتص شعاع الليزر مع انخفاض لاحق في عمق الاختراق. يتم تجنب هذا عادة عن طريق جعل تدفق غاز الهيليوم على الفور لاجتياح الأيونات مما يسبب تشكيل البلازما.
تعمل أشعة الليزر الغازية المستخدمة حاليًا في اللحام حاليًا مع أجهزة ليزر ثاني أكسيد الكربون ذات طول الموجة 10.6 نظرًا لأنها أثبتت أنها الأكثر كفاءة وتنتج أعلى طاقة. ومع ذلك ، فإن ليزر Nd: YAG بخصائصه المحددة المحددة هو في الوقت الحاضر الليزر الصناعي الأكثر استخدامًا في اللحام.
