الليفة الليزرية: التصميم ، الجودة والمزايا

بعد قراءة هذه المقالة سوف تتعلم عن: - 1. تصميم من الألياف الليفية 2. شعاع جودة من الألياف الليزرية 3. كفاءة الطاقة 4. مزايا 5. الاستخدامات.

تصميم الليفريات الليزرية:

إن الليزرات الليفية ، التي يجب عدم الخلط بينها وبين الليزرات التي يتم توصيلها بالألياف ، حيث الألياف هي مجرد آلية توصيل بصرية ، هي أشعة ليزر ذات حالة صلبة تكون فيها الألياف الزجاجية الضوئية المشبعة بمستويات منخفضة لعنصر تربوي نادر هي وسط الليزر. تستخدم الثنائيات الليزرية لضخ وسيط الليزر لإصدار فوتونات عند طول موجي خاص بالعنصر الأرضي النادر المستخدم كعنصر منشط. يستخدم Ytterbium (Yb) بشكل عام في أشعة الليزر عالية الطاقة ، ويطلق شعاع طول الموجة تقريبًا كما يفعل بواسطة Nd: YAG lasers ، أي بين 1.060 و 1.085 ميكرون.

يتم وضع الألياف المقواة في مادة ذات معامل انكسار منخفض تعمل كموجه موجي لضوء الضخ وتضمن نقلها الأمثل إلى وسط التسييل. يتم استخدام حواجز الانعراج كمرآة خلفية ومقرن إخراج لتشكيل رنان الليزر ، أي ، تجويف الليزر.

ينتج عن هذا تشكيل ليزر رفيع طويل وهو مدمج للغاية بسبب مرونة الألياف الضوئية الملفوفة. مع تشكيل الشعاع المناسب وتركيز البصريات في نهايته ، من الممكن استخدام الألياف الليزرية أيضًا كألياف توصيل الشعاع. ومع ذلك ، يفضل فصل ألياف توصيل الشعاع من الألياف الليزرية عن أشعة الليزر المستخدمة في اللحام لحمايتها من الانعكاسات الخلفية غير المرغوبة من سطح قطعة العمل.

في الوقت الحاضر ، تصل وحدات الليزر الليفي أحادي الاتجاه 700 واط المتاحة تجارياً. ولتحقيق قوة خرج متعددة النواتج مناسبة للاختراق العميق للحام في ثقب المفتاح للمعادن ، فإن المخرجات من سلسلة من هذه الوحدات أحادية النمط المتاحة تجاريا يتم دمجها في خرج أحادي الألياف ، كما هو موضح في الشكل 14.44 من أجل ليزر ليفي بقدرة 7 kW.

تقنية الجمع بين هذه الحزمة هي ملكية خاصة لجهة تصنيع الليزر ولكنها تقلل من جودة الحزمة. ومع ذلك ، فإن الانخفاض في جودة الحزمة يكون نسبياً صغيرًا وما زال الحزمة الناتجة لها خصائص مناسبة للإرسال من خلال الألياف البصرية ذات القطر الصغير وتكون كافية للاستخدام في اللحام.

شعاع الجودة من الألياف الليزرية:

تُعرّف جودة الحزمة بأنها نسبة عرض الحزمة ومنتج زاوية الانحراف للحزمة الفعلية إلى النسبة المتوقعة لحزمة كاملة يكون شكل الانتشار فيها هو القطع الزائد. عموما يشار إلى نوعية شعاع الليزر الصلبة الحالة ، يشار إليها عادة باسم المنتج معلمة شعاع (BPP) ، مم. milliradians (mm. m rad.) مع قيمة منخفضة تشير إلى جودة حزمة عالية.

يمكن التعبير عن جودة الحزمة باستخدام قطر الحزمة الكاملة أو نصف الشعاع وزوايا الانحراف. ومع ذلك ، وفقًا لمعيار ISO ، يتم الاستشهاد بجودة حزمة إشعاع الحزمة الشعاعية من حيث نصف قطر الحزمة ونصف زاوية التباعد.

وتعني جودة الحزمة العالية أنه يمكن تركيز الحزمة إلى ألياف توصيل بصرية صغيرة القطر. هذا يؤدي إلى أصغر حد للخصر في شعاع الخصر أو أكبر مسافة الوقوف. يقوم رأس الليزر بوضع نهاية الألياف على قطعة الشغل. يتم تقريب أشعة الليزر المتباينة الخارجة من الألياف أولاً (أي تكون متوازية) قبل أن يتم التركيز على قطر الخصر الأدنى والذي يشار إليه أيضًا باسم بقعة الليزر.

تتحدد كثافة القدرة المتاحة لقدرة خرج محددة بالعلاقة بين الأطوال البؤرية للعدسات الموازية والتركيز ، ونسبة أقطار ألياف توصيل الحزمة وحجم بقعة شعاع الليزر.

يجب أن تكون مسافة التوقف ، أي المسافة بين عدسة التركيز وسطح الشغل ، طويلة بما فيه الكفاية بحيث لا يتسبب الترشيح من عملية اللحام في إتلاف البصريات المعالجة. وكلما ازدادت المسافة الفاصلة ، كلما زاد عمق التركيز ، وهو قياس لمدى تباعد الشعاع فوق مسافة معينة. لذلك ، يمكن لجودة حزمة أعلى توفير كثافة طاقة أعلى في تركيز الحزمة أو مسافة توقف أكبر / عمق أكبر للتركيز ، وكلاهما يؤثر على أداء اللحام.

في الوقت الحاضر ، يمتاز الليف ذو الألياف الضوئية بقدرة تصل إلى 17 كيلو واط مع BPP يبلغ حوالي 12 ملم. م راد. قيد الاستخدام في الصناعة.

كفاءة استهلاك الطاقة في الليف:

تسمح هندسة الألياف الطويلة الرفيعة بالتبريد الفعال وبالتالي فهي مثالية لتقليل التأثيرات الحرارية لضخ الليزر. ينتج عن ذلك ، والكسب العالي لمصدر الليزر الليفي كفاءة عالية في تحويل الطاقة ، وهي نسبة الطاقة البصرية المتوفرة في قطعة العمل إلى الطاقة الكهربائية المستهلكة والتي يتراوح بين 20 و 30٪.

هذا هو أعلى بكثير من كفاءة تحويل الطاقة من حوالي 8 ٪ و 3 ٪ لثاني أكسيد الكربون ، وضخ ليزر: ND: YAG على التوالي. وهذا يؤدي إلى انخفاض متطلبات الطاقة لتشغيل كل من الليزر ونظام التبريد الخاص به. في هذا السياق ، قد يكون من المعروف أن تبريد الهواء يكون مناسبًا لليزر Yb-fiber حتى 2 KW بينما تتطلب الليفرات الليفية العالية الإخراج مياه التبريد.

مزايا الليفة الليزرية:

فيما يلي بعض المزايا الرئيسية لليزر الليفي على أنظمة الليزر الشائعة والراسخة الأخرى في صناعة التصنيع:

1. لأن ألياف الليز يمكن أن تكون ملفوفة ، وليس هناك حاجة إلى أجزاء ضخمة ، فإن البصمة (أي المساحة المطلوبة للتركيب) من ليزر الألياف أصغر بكثير من تلك الموجودة في أنظمة ليزر CO ₂ و Nd: YAG المشهورة حاليًا.

2. إنه تصميم بسيط ومدمج بحيث يمكن تثبيته في غضون ساعات قليلة فقط.

3. موثوقية عالية ؛ يمكن تشغيله لمدة 100،000 ساعة قبل صيانة / فشل مضخات الصمام الثنائي الليزري.

4. إن التكلفة / كيلو واط لليزر Yb-fiber قابلة للمقارنة مع مصدر ليزر Nd: YAG الذي يتم ضخه بالضوء.

5. بسبب تجمع اللحام الصغير للغاية الذي تنتجه شعاع الليزر من الألياف Yb ، فإن اللحامات المنتجة تكون ضيقة جداً والتي لا تكون عرضة للتكسير أو المسام.

استخدامات الألياف الليفية:

صناعة السيارات على وجه الخصوص هي المستخدم الرئيسي لتقنية شعاع الليزر بما في ذلك ليزر الألياف Yb. كما يتم استخدام ليزر الألياف عالية الطاقة في عملية لحام جميع المواقع لخط أنابيب الصلب يصل إلى 16 مم. تم استخدام سرعات لحام تصل إلى 2.2 م / دقيقة لجميع اللحام في الموقع لخط أنابيب من الصلب بسمك 11.2 مم مع طاقة شعاع ، في قطعة الشغل ، بقدرة 2 كيلوواط.