هيكل الثانية: ليزر YAG (مع رسم بياني)
بعد قراءة هذه المقالة سوف تتعلم عن بنية ليزر Nd: YAG بمساعدة الرسومات البيانية المناسبة.
يتكون ليزر YAG: Nd: من مرنان ومرايا عاكسة ونقالية ووحدة لإمداد الطاقة ، كما هو موضح في الشكل 14.26.
يتكون المرنان أو التجويف البصري لـ Nd: YAG laser من مصباح فلست وقضيب ليزر وعاكس ومرايا. قضيب الليزر هو العقيق الألومنيوم Yttrium (YAG) التي تتكون من Y 3 A 15 O 12 الكريستال isometric مزروع مع أيونات النيوديميوم 1 ٪ موزعة بعناية (Nd). تم تطوير هذه البلورة من قبل Geusic et al في عام 1962. وصلتها الحرارية 10 مرات من الزجاج. التذبذب المستمر ممكن مع YAG.
تشكل أيونات Nd 3+ الأوساط المتذبذبة لإعطاء عمل ليزر بمستوى أربعة مستوى في ليزر الحالة الصلبة. يتم عرض مستويات الطاقة الأربعة المعينة E 0 إلى E 3 وانتقال الليزر من Nd 3+ أيونات في الشكل 14.27. حتى إذا زاد تركيز أيونات 3+ Nd في البلورة ، فإن نطاق طيف الضوء المتأرجح لا يصبح واسعًا ، نظرًا لأن تباين نصف قطر الأيونات والأيونات Nd 3+ لا يختلفان كثيرًا عن ذرات Y 3+ .
بين ليزر الحالة الصلبة ، Nd: YAG هو الآن الأكثر شعبية للاستخدام في اللحام. كان ليزر الياقوت في وقت سابق أكثر شعبية ولكن الآن يستخدم Nd: YAG الليزر على نطاق أوسع في الصناعة بسبب الخصائص الحرارية الجيدة للبلورات YAG. يوضح الشكل 14.28 الخصائص الأساسية لوحدة اللحام بالليزر ND: YAG.
يقوم مصدر الطاقة في وحدة الليزر Nd: YAG بتوليد نبضات التيار من الاتساع المطلوب ومدتها وإطعامها في مصباح القوس الكهربائي أو مصباح الفلاش الحلزوني. يستخدم الأول لتذبذب الموجة المستمرة (CW) والأخير لضوء الموجة النبضية (PW). يتم تثبيت قضيب YAG ومصباح الإثارة في تجويف مرآة عاكسة. شكل التجويف هو أسطوانة إهليلجية أو إهليلجي مزدوج ؛ بعض التجاويف النموذجية المستخدمة في الممارسة تظهر في الشكل 14.29.
يتم ضخ الضوء الأقصى في قضيب الليزر بمساعدة تجميع العاكس مما يثير أيونات Nd لإنتاج أشعة الليزر بواسطة الانبعاث التلقائي والمحفز. يؤدي الإثارة النبضي لقضيب الليزر إلى توليد نبضة من ضوء الليزر بشكل أساسي من نفس مدة النبض مثل النبضة الحالية من مصدر الطاقة. على الرغم من أن ليزر Nd: YAG المستمر قد تم تطويره أيضًا ، إلا أنه لا يستخدم حاليًا على نطاق واسع في اللحام.
تتيح القدرة على التحكم في معلمات النبضة الحالية التحكم في عمق اختراق اللحام ومظهره ومظهره. تتراوح فترات النبض النموذجية في ليزر اللحام من نوع Nd: YAG من 0.5 إلى 20 m ثانية ومعدل الرسوب من 5 إلى 500 هيرتز.
شعاع بقعة الليزر شعاع و f عدد :
تزيد أقطار حزمة خرج الليزر مع تصنيف الطاقة للليزر ، على سبيل المثال ليزر 1 ، 10 و 25 كيلو واط لديها أقطار شعاع في ترتيب 10 ، 25 ، 40 ، و 70 ملم على التوالي. يبلغ متوسط كثافة القدرة عبر الأقطار في حدود 6 إلى 13 واط / ملم 2 ؛ التركيز الفعلي للقدرة التي يتم توزيعها وفقًا لوضع الحزمة (انظر الشكل 14.17 أ). ويلزم لحام ثقوب المفتاح بواسطة كثافة طاقة شعاع الليزر بترتيب من 10 3 إلى 10 5 وات / مم 2 مما يستدعي تركيز حزمة الليزر إلى نقطة صغيرة جداً لا يتجاوز قطرها المليمتر.
يتم تحديد حجم البقعة المركزة بواسطة أقطار الحزمة الليزرية ، والبعد البؤري للبصريات البؤرية المستخدمة ، ووضع الشعاع وزاوية انحراف الحزمة (إن زاوية التباعد هي الزاوية التي تنتشر بها حزمة الليزر المتوازية تقريباً عند ترك الليزر).
Nd: ليزر اللحام YAG له عمومًا زوايا انحراف أكبر من ليزر ثاني أكسيد الكربون ، وبالتالي لا يمكن التركيز على أحجام نقطية صغيرة جدًا بدون استخدام ميزاء وضع قبل عدسة التركيز (أي تلسكوب في الاتجاه المعاكس).
عادةً ما يتم تقدير الحجم البؤري الموضعي لهذه الليزرات من الصيغة التالية:
قطر نقطة التركيز = 2 درجة فهرنهايت ... (14.1)
أين،
the = زاوية التباعد (راديان) لحزمة الليزر أثناء تركها ليزر أو ميزاء ،
F = البعد البؤري (مم) لعدسة التركيز المستخدمة.
على الرغم من أن قطر التركيز المركب عامل مهم ، إلا أنه من الناحية العملية ، يكون التركيز خارج العدد أكثر فائدة لإنشاء ظروف لحام متسامح حيث يتم تعريف العدد f كنسبة طول البؤرة للبصريات المركزة (F) إلى قطر شعاع الليزر ( موت،
Focus f number = F / D… (14.7)
يتم إنشاء قطر شعاع الحادث ، الشكل 14.30 ، للليزر Nd: YAG من خلال التقاط صورة فوتوغرافية.
ما لم تكن سرعة اللحام ذات أهمية قصوى ، فمن الأفضل اختيار حجم البقعة المركزة للحام على أساس عدد f عدد 4 لليزر Nd: YAG و 7.5 لليزرين CO 2 .
حجم البؤرة المركزة وعمق التركيز والتركيز
ولتحقيق كثافة القدرة المطلوبة لحام اللحام بالفتحات (10 3 إلى 10 5 W / mm 2 ) ، فإن اختيار وصيانة حجم البقعة المركزة هو الأكثر أهمية. هذا يستلزم التحديد السليم للتركيز البصريات التي تحدد حجم البقعة التركيز.
عندما يركّز الضوء ، تتلاقى الأشعة إلى قطر صغير جداً ، د ، وطول ، L ، الشكل 14.30 ، قبل التباعد مرة أخرى. يعتمد الحد الأدنى الدقيق لقطر الخصر والطول على نوع البصريات. البعد البؤري ، F ؛ قطر الحزمة ، D ، الحادث على البصريات ، ما إذا كان شعاع الحادث يتقارب أو يتباعد ؛ رقم شعاع TEM. الطول الموجي الخفيف وقوة الليزر.
التدريع الغازات :
يستخدم غاز التدريع في اللحام بالليزر لحماية المعدن المنصهر من الأكسدة ولحماية انتقال شعاع الليزر حيث أنه يركز على العمل الذي يضمن الاختراق الجيد عن طريق تقليل توسع الحزمة والانتثار الذي قد ينتج عن الأبخرة والغازات حول ثقب المفتاح اللحام.
غازات التدريع الشائعة المستخدمة في اللحام بالليزر هي الأرجون ، CO 2 ، الهيليوم و OFN (النيتروجين الخالي من الأكسجين). لكن في كثير من الأحيان ، يمكن تصنيع اللحامات الموضعية الوحيدة المرضية بالليزر Nd: YAG بدون أي غاز محمي على الإطلاق لأن اللحام منصهر لفترة قصيرة جدًا مما يؤدي إلى إحداث أضرار مؤكسدة.
ولكن عند إجراء اللحامات المستمرة أو اللحامات المتداخلة ذات البقع المتراكبة ، يتم استخدام AR أو OFN عادةً في استخدام الليزر المصنّف حتى 300 واط. فوق مستوى الطاقة هذا ، يصبح التدريع الغازي أكثر أهمية ويمكن أن يؤثر على عمق الاختراق ومظهره.
بالنسبة لليون Nd: YAG ليزر يعمل في نطاق القدرة kW 1 ، يتم التغلب على مشكلة التحكم في الاختراق عن طريق استخدام Ar + 20٪ CO 2 أو Ar + (1-2)٪ O 2 كغاز التدريع ، مهما كان أكسدة طفيف لحام المعادن قد يكون سببه. يمكن استخدام الهليوم أيضاً مع ليزر Nd: YAG ، لكن يُقال إنه يسبب المزيد من المسام اللحام مقارنة باستخدام OFN.
يعتمد معدل تدفق الغاز الضروري بشكل أساسي على طاقة الليزر. على سبيل المثال ، الغاز (معدل منخفض من 10 إلى 20 ليتر / دقيقة. سيكفي لطاقة ليزر تصل إلى 3 كيلووات. عند استخدام جهاز التدريع الأنبوب المتحد المحور أو الجانب بشكل صحيح. عند القوى من 3 إلى 5 كيلوواط ، معدلات 15 يقترح 30 لتر / دقيقة ، وبالنسبة لأولئك الذين تتراوح بين 5 و 10 كيلووات من 25 إلى 40 لتر / دقيقة.
أجهزة حماية الغاز:
بالنسبة للحام Nd: YAG laser welding ، يتم استخدام جهاز تدريع أنبوب جانبي بسيط ، كما هو موضح في الشكل 14.31 ، بشكل عام ، خاصة عندما تكون هناك حاجة إلى لحام نقطي دقيق. هذا لأن الأنبوب الجانبي يوفر وصولاً مرئيًا جيدًا للمنطقة المستهدفة لحامل البقعة.
عند إجراء اللحامات المستمرة و اللحامات المستمرة ، فإن درع التنورة الحلقي المحوري مع شعاع الليزر ، كما هو موضح في الشكل 14.32 يوفر حماية موثوقة للحام. جهاز التدريع فوهة المحوري المشترك ، كما هو موضح في الشكل 14.33 ، هو أكثر عملية حيث يتم التلاعب بمسدس الليزر بواسطة روبوت. كما أنه يوفر شريحة الغطاء البصري مع بعض الحماية من رشاش اللحام المحتمل لأن قوة تيار الغاز المحوري المشترك ستعارض جزئيا أي جسيمات تسير في اتجاه مسير الحزمة.
تحديد شروط Nd: YAG Lasers:
عادة لا يكون لحام ثقب المفتاح ممكنًا مع ليزر Nd: YAG مع طاقة خرج أقل من 500 واط. في القوى المتوسطة المنخفضة (400W) وتوقيت النبض ذي الصلة من 4-8 m ثانية ، عادةً ما يقتصر عمق الاختراق على حجم قطر النقطة التي من 0.5 - 1 مم.
الطاقة العالية (> 800 واط) Nd: ليزر YAG مع زمن نبضة من القول 2 م وتردد تكرار النبضة العالي من 500 هرتز يمكن أن تنتج نوع ثقب المفتاح من اللحامات مع نسبة عالية من العرض العرضي. ومع ذلك ، عند مستوى الطاقة هذا ، ستتحقق اللحامات الأعمق ، مع نسبة أبعاد منخفضة ، عند أطوال نبضة أطول ومعدلات تكرار أعلى من 25 هرتز. هناك اتجاه في تشكيل شكل اللحام الذي يحدث عند عرض النبض ومعدل التكرار يتم تعديله فيما يتعلق بقوة الليزر ، كما هو موضح في الشكل 14.34.
ويذكر أن اللحام المستمر بعمق 0.5 مم يمكن تحقيقه بسرعة لحام تزيد عن 3 م / دقيقة. بمعدل تكرار النبضة يبلغ 500 هرتز عند استخدام طاقة متوسطة تبلغ 1 كيلواط. لصنع اللحامات العميقة والضيقة بسرعات عالية ، يلزم عرض نبضات قصير. ومع ذلك ، ينبغي توخي الحذر عند استخدام نبضات قصيرة (أقل من 1 متر) والطاقة العالية (مثلاً 1 كيلو وات) حيث يمكن أن يحدث قص الحديد من خلال التبخر المفرط وإخراج المواد.
التكوين المشترك :
وبصرف النظر عن المفاصل الموضحة في الشكل 14.21 ، يمكن تطبيق اللحام بالليزر Nd: YAG على معظم تكوينات المفاصل الأساسية في الألواح والأنابيب ، كما هو موضح في الشكل 14.35 بينما يوضح الشكل 14.36 مفاصل الصفائح المعدنية الأساسية التي يمكن أن تكون بالليزر الملحومة.
الشكل. 14.36 التشكيلات الأساسية للصفائح المعدنية الأساسية التي يمكن لحامها بالليزر
بعض تكوينات المفصل النموذجية التي تساعد شعاع الليزر للوصول المشترك وموقع الجزء تظهر في الشكل 14.37 ؛ هذه هي عملية لمهندس في سمك 3 ملم أو أكثر. هذه المفاصل تتناسب مع المعدات الدقيقة وتصنيع الآلات ، وإذا تم تطبيقها بعناية ، إلى جانب التشويه المنخفض الذي يوفره لحام الليزر ، يمكن أن تحتفظ بدل ما بعد اللحام إلى الحد الأدنى.
أداء المعدات:
من الممكن أن يؤدي تجويف الليزر مع الخطأ المتوسط البصري أو الليزري إلى توليد طاقة الليزر المطلوبة ولكن باستخدام بنية وضع مشوش أو مختلف ، مما يؤثر على حجم البقعة البؤرية وبالتالي على كثافة طاقة اللحام. شيخوخة Nd: يمكن أن تنتج مصابيح فلاش YAG مثل هذه المشكلة.
يستخدم تحليل شعاع الليزر لفحص شكل المقطع العرضي لحزم الليزر وهياكل وضعها. يمكن استخدام هذا الجهاز للتحقق من خصائص الحزمة أثناء عملية اللحام ، وبالتالي توفير طريقة لضمان الجودة فيما يتعلق بحزمة الليزر. يعرض بعض المحللون صورة ثنائية الأبعاد فقط لملف تعريف الحزمة ، ومع ذلك يمتلك المحللون الأكثر حداثة القدرة على عرض ، بمساعدة رسومات الحاسب ، صورة ثلاثية الأبعاد متساوية الأبعاد ، كما هو موضح في الشكل 14.38.
التلاعب بالليزر الشعاع:
Nd: ليزر YAG متعدد الاستخدامات للغاية فيما يتعلق بالتلاعب بالحزمة وأيضاً عندما يكون الليزر مطلوبًا لتشغيل محطات عمل متعددة. ويرجع ذلك إلى حقيقة أن طول الموجة القصيرة 1.06 مم من ليزر Nd: YAG يمكن أن ينتقل عن طريق الألياف البصرية مع فقد القليل من الطاقة. تعني هذه القدرة أن شعاع الليزر يمكن أن ينتقل مباشرة من وحدة الليزر عبر كبل مرن إلى مسدّس ليزري مثبت على معصم مفصلي من ذراع إنسان آلي ، الشكل 14.39 ، دون خسارة كبيرة في القدرة.
هذا يجعل ليزر Nd: YAG مناسبًا بشكل مثالي لأتمتة الإنتاج. وعلاوة على ذلك ، يمكن وضع الليزر على مسافة معينة من خط الإنتاج وشعاع الليزر المنقار إليه. يمكن لجهاز ليزر واحد تشغيل محطات عمل متعددة لتحويل شعاع الليزر من محطة إلى أخرى ، بينما يتم إجراء اللحام في محطة واحدة ، وجزء تحميل وتفريغ السيارة في محطات أخرى. من ناحية أخرى ، يمكن لعدد من المحطات المختلفة جدًا أن تشارك وقتًا واحدًا في الليزر.
يمكن تقسيم الحزمة متعددة الأوضاع من ليزر ND: YAG ، الشكل 14.40 (a) ، عن طريق إدخال مرايا قابلة للطي ذات ذيل متداخلة إلى وعبر مسار الحزمة. وبالتالي ، يمكن لنظام تقسيم الحزمة ، بالاقتران مع نظام توصيل الحزمة البصرية بالألياف البصرية ، إجراء العديد من اللحامات في وقت واحد في محطة عمل واحدة أو أكثر. بدلا من ذلك ، يمكن تحويل الحزمة بشكل تسلسلي ، 14.40 (b) ، إلى نقاط مختلفة ، وغالبا ما تصل إلى 30 مترا.
توجد أنظمة لحام بقع دقيقة صناعية حيث يتم تحويل الحزمة بين ثماني محطات عمل بمعدل يصل إلى 40 مرة في الثانية. حيث يتم تقسيم شعاع الليزر Nd: YAG ، يتم تجانس الشكل الغريب لكل مقطع عرضي إلى شكل يمكن التركيز عليه عن طريق نقله عبر الألياف البصرية.
أنظمة توصيل شعاع الألياف البصرية هي أبسط وأكثر تنوعا. مادة الألياف الضوئية هي SiO 2 (الكوارتز) وعموما أقل من 1 مم في القطر.
للحصول على الحد الأقصى لكفاءة إرسال الحزمة ، يجب أن تكون نهايات الألياف مصقولة للغاية ومربعة بشكل مثالي ومتحدة المركز مع المحور البصري للعدسات الموضوعة عند كل طرف من الألياف. علاوة على ذلك ، يجب أن يكون موضع تركيز الحزم الواضحة دقيقًا بالنسبة لنهاية الألياف.
ﮐﻣﺎ ﺗﻧﺧﻔض ﮐﻔﺎءة إرﺳﺎل اﻟﺣزﻣﺔ إذا ﮐﺎﻧت اﻷﻟﯾﺎف ﻣﺛﺑت ﺑﺷدة. تحتوي ألياف SiO 2 بقطر 0.5 مم على نصف قطر الانحناء المسموح به يبلغ حوالي 100 مم قبل أن تنخفض الفاعلية ، في حين أن قطر نصف قطرها 1 مم يكون نصف قطرها على الأقل مرتين. بشكل عام ، فإن إجمالي فقدان طاقة الليزر في ليزر Nd: YAG ونظام الألياف البصرية لا يزيد عن 10 - 15٪.
إن تجميعات الألياف الضوئية المستخدمة لنقل قوى اللحام بالليزر هي مصنوعة ومختلفة تماماً عن تلك المستخدمة في الإلكترونيات. يتم حماية تلك المستخدمة للحام بواسطة تغليف قوي وقوي ، والذي يتضمن أنبوب فولاذي مرن وسترة نايلون ، كما هو موضح في الشكل 14.41. على الرغم من أن هذه التدابير تحمي الألياف الضوئية بشكل كاف ، فإن وظيفتها الرئيسية هي مقاومة التلف الصناعي العرضي الذي قد يسبب الكسر والسماح لضوء الليزر بالهروب مما قد يؤدي إلى عواقب خطيرة.
مخاطر شعاع الليزر:
إن شعاع الليزر غير المركّز الذي يهرب بشكل عرضي من مسار إرسال الحزمة قادر على السفر عدة مئات من الأمتار في الهواء قبل أن يتوسع بما فيه الكفاية ليصبح آمناً. من ناحية أخرى ، إذا وقع شعاع مركز بشكل عرضي على الجلد ، فيمكن أن يسبب حروقًا عميقة جدًا أو حتى حروقًا خطيرة. ومع ذلك ، فإن الحزمة المركزة تتوسع بسرعة تفوق بكثير نقطة التركيز التي تصل بشكل عام إلى قطر آمن بعد بضعة أمتار.
المسافة الدقيقة تعتمد على عدد التركيز f؛ كلما كان الرقم أقل كلما زاد معدل توسيع الحزمة. قد ينشأ خطر أيضًا بسبب انعكاس حزمة مركزة من سطح قطعة الشغل ، خاصة إذا كانت حزمة العارضة تميل إلى قطعة العمل بزاوية أقل من 70 درجة.
لأن ضوء الليزر من Nd: YAG أو ليزر CO 2 غير مرئي للعين البشرية ، وهو ينتقل بسرعة عالية للغاية تبلغ حوالي 300،000 كم / ثانية ، وبالتالي فإن أي شعاع من أشعة الليزر المنعكسة سيضرب على الفور أي شخص في مساره مسبباً حروقاً جلدية خطيرة. شعاع ليزر عالي التركيز غير مركَّز بقطر يبلغ قطره عدة مليمترات إذا أمكن للحادث على الجسم أن يشوه واحدة مدى الحياة.
إن ضوء الليزر من Nd: YAG الليزري مع طوله الموجي 1.06 pm يشكل خطورة بالغة على العين ، لأن العدسة في العين يمكن أن تركز هذا الطول الموجي على بقعة صغيرة جدا على الشبكية وتسبب متلازمة العين خطيرة. ولسوء الحظ فإن شبكية العين لا تسجل الألم الناجم عن مثل هذه البقع العمياء وبالتالي فإن الضرر الذي تسببه العين قد لا يتحقق على الفور. لذلك يجب إجراء اختبارات العين المنتظمة لموظفي الليزر إلزاميًا للكشف عن مثل هذا الضرر في أقرب وقت ممكن.
وبصرف النظر عن الأضرار التي تلحق بالشخص ، يمكن أن يهرب ضوء الليزر من الحرائق ويذيب الأنبوب وأغطية الكابلات بسهولة ، وبالتالي يؤدي إلى حالات خطرة أخرى غير مرغوب فيها من خلال التأثير على التشغيل الآمن للمصانع الأخرى. يجب أن نضع في اعتبارنا أن حزمة الليزر غير المركزة من ليزر متعدد الكيلو واط ، إذا ما أعطيت الوقت ، سوف تحترق بسهولة من خلال الألواح الفولاذية وحتى حجارة النار.
لأن الزجاج والاكريليك شفافان لشعاع الليزر من الطول الموجي 1.06 م من ليزر Nd: YAG لذا يجب عدم استخدام هذه المواد لتوفير نوافذ العرض ما لم تكن مغطاة بطبقات خاصة للأغشية.
نظرًا لحدوث مخاطر عالية لحدوث تلف خطير في العين من ليزر Nd: YAG ، فبدلاً من نافذة عرض ، يكون نظام التليفزيون ذي الدائرة المغلقة هو الأنسب لمشاهدة عملية اللحام ؛ مع الكاميرا الصحيحة والفلاتر يمكن إجراء الملاحظات عن قرب في السلامة المطلقة.
