Лазерне зварювання «Light amplification by the stimulated emission of radiation» - "Усиление света посредством индуцирования эмиссии излучения". Поліхроматичне та монохроматичне світло. Когерентне випромінювання. Фізичні принципи покладні в основу лазерів. Схема лазера та основні характеристики лазерів для зварювання та різання. Твердотільні, газові лазери, напівпровідникові лазери. Сучасні лазерні технології зварювання та різання.
Поліхроматичне та монохроматичне світло. Схема генерации излучения в твердотельном лазере Полихромное излучение Длины волн оптического диапазона
СХЕМЫ ЛАЗЕРОВ Твердотельные лазеры Рабочее вещество: синтетический рубин; иттриево-алюминиевый грант; алюмоит-триевый гранат, активированный атомами неодима (приблизительно 1 %). неодимовое стекло. Розовый рубин - оксид алюминия А 12 О 3 с примесью ионов хрома Сг 3+ (до 0, 05 %) Алюмоит-триевый гранат, активированном атомами неодима (приблизительно 1 %). Рис. 1. Схема твердотельного лазера: 1 - рубиновый стержень; 2 - генератор накачки (газоразрядная лампа); 3 - отражатель; 4 - непрозрачное зеркало; 5 - охлаждающая среда; 6 - источник питания; 7 - полупрозрачное зеркало; 8 - световой луч; 9 - фокусирующая линза; 10 - обрабатываемые детали Мощность твердотельных лазеров достигает 107 Вт при сечении луча менее 1 см 2
Твердотельные лазеры Доминируют YAG: Nd − Длины волн: 1064, 1319, 532, 355, 266 нм − Мощность непрерывного излучения (с ламповой накачкой): 10 – 1800 Вт − Мощность непрерывного излучения (с диодной накачкой): 1 м. Вт — 10 Вт, ТЕМ 00 − Мощность в импульсе (с ламповой накачкой): до 100 Дж в мс импульс и до 1, 4 Дж в нс − Мощность в импульсе (с диодной накачкой): до 20 м. Дж в нс импульсе, дес. мк. Дж при 104 Гц Другие среды, активируемые Nd: стекло, YLF (иттрий-литиевый фторид), GSGG (галлий–скандий– гадолиниевый гранат), александрит (Cr–Be. Al 2 O 4) Другие материалы: рубин (694 нм), Er: YAG (2. 9 мкм), Ho: YAG (2. 1 мкм) Перестраиваемые лазеры с регулируемой длиной волны: александрит (720 – 780 нм), Ti: Сапфир (600 -1100 нм) Основные виды твердотельных лазеров – Nd–YAG — 1. 06, 0. 53, 0. 355, 0. 266 мкм; – Nd–стекло — 1. 06, 0. 53, 0. 355, 0. 266 мкм; – Er–стекло — 1. 54 мкм; – Рубиновый — 0. 63 мкм; – Ti–сапфир — 0. 66– 0. 98 мкм; – Cr–Be. Al 2 O 4 (александрит) — 0. 72– 0. 78 мкм. Области применения: − обработка материалов, − медицина, − испытания и измерения под водой, − научно-исследовательские и опытно-конструкторские разработки
Газовые лазеры Классификация: лазеры на атомных, ионных и молекулярных переходах Молекулярный газовый лазер 1– секционированный катод; 2– анодная плита; 3 – резонатор; 4 – теплообменник Схема газового лазера: 1 - разрядная трубка; 2 - непрозрачное зеркало; Схема газоразрядного лазера на углекислом газе с 3 - источник питания; поперечной прокачкой (на молекулярных переходах) 4 - вакуумный насос; 5 - полупрозрачное зеркало Длина волны 10, 6 мкм. Материал окна: кристаллы KBr, Na. Cl, Ge к. п. д. практическое 8 -30 %, терет. до 40% Рабочий газ: CO 2+N 2+He (соотношение газов – 60: 20) Мощность газового лазера на углекислом газе с поперечной прокачкой до 50 к. Вт.
Газовые лазеры Лазер на атомных переходах 1 – газоразрядная трубка; 2 – высоковольтный источник питании; 3 – электрический разряд; 4 – полупрозрачное зеркало Лазер на ионных переходах Схема гелий-неонового лазера (на атомных переходах) Длина волны 0, 633 мкм (видимая область) 1, 15 мкм или 3, 39 мкм (инфракрасная область) Рабочее вещество ионных газовых лазеров: благородные газы (ксенон, аргон, неон, криптон), а так же фосфор, сера и хром Длина волны лазера на аргане 0, 4880 мкм 0, 5145 (видимая область) Мощность гелий-неонового лазера до 100 Вт. Мощность газового лазера на аргоне 150. . . 500 Вт.
Конструкция СО 2 -лазера
Газовые лазеры
Классификация СО 2 -лазеров
Полупроводниковые лазеры Лазер на p- n переходе Схема полупроводникового лазера на арсениде галлия. 1 – нижняя часть кристалла n-типа; 2 – верхняя часть кристалла p – типа; 3, 5 – выводы для подачи питающего напряжения; 4 – p- n переход толщиной 0, 1 мкм. Диапазон излучения для разных материалов от ультрафиолетового излучения до инфракрасного. Для арсенида галлия 0, 82 мкм; 0, 9 мкм
Полупроводниковые лазеры Зонная структура п/п вблизи p-n перехода. Преимущества: – Высокий КПД (≈ 50%) – Малые габариты – Большая мощность 30 к. Вт) – Совместимость длины волны с оптическим волокном – Регулирование длины волны – Малое время включения–выключения – Удобство управления (временными характеристиками включительно);
Волоконные лазеры принципиальная схема, история развития Основные компоненты лазерного генератора История 1961 год передача лазерного излучения по оптическому волокну Активное вещество оптоволоконного лазера - кварцевое волокно, сердцевина легирована редкоземельными элементами, Элиес Снитцер (англ. Elias Snitzer) и Уилл например иттербием (Yb). В качестве возбудителя энергии Хикс (англ. Will Hicks) используется лазерный диод, работающий на частоте 950 нм. 1966 году – новое оптоволокно Чарльз Као и Джордж Хокхам 1987 начало развития волоконных лазеров 1994 - эрбиевые лазеры 1993— 1994 лазеры с диодной накачкой «ИРЭ 1993— 1994 Полюс» (РФ) (В. Гапонцев) 2000 «МК IPG» (Германия) (В. Гапонцев) иттербиевые лазеры Объединение лазерных диодов в модули для усиления накачки.
Волоконные лазеры Схема волоконного лазера 1 — активное волокно. 2 — брегговские зеркала 3 — блок накачки Схема брэгговского зеркала Схематическое представление распределенного брэгговского отражателя (РБО), полученного чередованием двух материалов с разным коэффициентом преломления n 1 и n 2, а также периодом чередования Λ.
Волоконные лазеры Конструкция волоконного лазера Задающий генератор (а), усилитель (б) и выходной коллиматор волоконного лазера и общий вид импульсного лазера мощностью 200 Вт (1 — одномодовое активное оптическое волокно, 2 — модуль ПП накачки). 70 Иттер бий 1. Yb 173, 04 2. 3. Два различных типа оптических волокон 4. с двойным покрытием для волоконных лазеров. Обычная схема с одним волноводом накачки, и с двумя волноводами накачки ( технология GTWave) 4 f 146 s 2 Сердцевина, легированная редкоземельными ионами. Волновод накачки. Общая оболочка. 4. Защитная оболочка. 700 Вт иттербиевый волоконный лазер непрерывного действия (а) и его рабочая станция (б).
Основные характеристики Мощных волоконных лазеров на иттербии (λ 1050. . . 1080 нм) Непрерывный режим − выходная мощность — до 50 к. Вт; − возможна модуляция выходного излучения с частотой 5 к. Гц; − КПД — 25 %; − выход — волокно 200 мкм; − качество пучка — M 2 = 2. 5− 6 мрад; − срок службы — > 100 килочасов; − габариты — 86 х81 х150 см; − вес — 100 кг при 10 к. Вт. Импульсный режим: − средняя выходная мощность — до 200 Вт; − длительность импульса — 30– 100 нс; − энергия в импульсе — 0. 5– 2 м. Дж; − частота следования импульсов — 20– 100 к. Гц − волоконный выход; − внешнее цифровое управление; − компактный с воздушным охлаждением; − коллимированный выходной пучок с M 2 1. 4− 5; − срок службы — > 100 килочасов; − КПД — более 10 %.
Преимущества волоконных лазеров − высокий КПД до 40 % и более от розетки; n − высокое качество (малая расходимость) излучения — до M 2 1. 05≈ при выходной мощности 100 Вт; n − возможность генерации как непрерывного, так и коротких (до нс) импульсов излучения с большой частотой (20 к. Гц и более); n − рекордно большие мощности излучения — до 50 к. Вт ( в 2005 г. ) и это не предел; n − эффективность генерации на многих длинах волн (1. 06 мкм ( Nd, Yt), 1. 56 мкм (Er), 1. 75– 2. 0 мкм (Tu) и др. ) для обработки материалов (1. 06 мкм), медицины (1. 75– 2. 0 мкм) и связи (1. 56 мкм); n − удобство электрического управления временными и переключательными характеристиками; − электрическая (по существу) накачка (диодов) электроэнергией с низким напряжением; n − естественная волоконная доставка излучения; n − высокая надежность и большой ресурс работы более 1 млн. часов; n − высокая стабильность параметров ± 2%, устойчивость к механическим, тепловым, загрязненности окружающей среды (пыли) и другим воздействиям; n − высокая пространственная и спектральная яркость; n − малые массогабаритные размеры.
Конструктивные особенности и основные новые свойства волоконных лазеров n Полное отсутствие малоресурсных элементов, ресурс диодов накачки не менее 50000 часов, а в ближайшее время фирма установит эту цифру на уровне 100000 часов. Такой же общий ресурс, связанный с тем, что в лазере нет локальных энергетически высоконагруженных мест, отсюда некритичность к качеству охлаждения. n Низковольтная конструкция, в лазере нет напряжений более 24 В. n Нет оптического тракта передачи излучения к рабочей головке, излучение передается по оптическому кабелю длиной от 10 до 200 м. Кабель надежно защищен металлорукавом. n Высокий КПД – 22 -25%, что более чем в 2 раза выше КПД СО 2 -систем и в 7 -10 раз выше КПД твердотельных лазеров n Очень высокое качество излучения, для многомодовых мощных моделей лучшее или сравнимое с качеством лучших СО 2 -систем, для одномодовых качество излучения еще на порядок выше. Возможность «удаленной сварки» , когда луч фокусируется из головки на руке робота на расстоянии 1 м от головки. n Компактность лазера, особенно в сравнении с СО 2 -лазерами. n Длина волны излучения 1. 07 мкм близка к волне излучения YAG-лазеров и для фокусировки может быть использована классическая стеклянная и кварцевая оптика.
Промышленные волоконные лазеры (общий вид) Импульсный волоконный лазер для маркировки 20 Вт Одномодовый волоконный лазер YLR-700 SM мощностью 700 Вт. Толщина реза 10 мм стали. Мощный волоконный лазер YLR-2000 ( 2000 Вт)
Области применения современных лазеров
КОМПАКТНІ ЛАЗЕРНІ УСТАНОВКИ Лазерный комплекс WD-PRO 200/300 Комплекс WD-UNIVERSAL 200/300/400
Преимущества Лазерная сварка 1. Высокая производительность до 100 -200 м/час. 2. Возможность сваривать широкий спектр металлов и сплавов, а также разнородных, трудносвариваемых другими методами материалов. 3. Возможность сварки без присадочных материалов или применять присадки с требуемыми свойствами. 4. Высокое качество шва, малая зона термического влияния, высокая точность, отсутствие или малое влияние термических деформаций. Снижения температуры предварительного подогрева или сварка без подогрева, а также сокращение или устранения послесварочной термообработки. 5. Возможность простого изменения диаметра свариваемого пятна от нескольких микрон до нескольких миллиметров. Возможность получить пятно в виде круга, эллипса или другой формы. 6. Легкость автоматизации процессов сварки. 7. Разнообразные возможности сварки: стыковая, внахлест, угловая. 8. Отсутствие механического давления сварка хрупких и легкодеформируемых деталей. 9. Возможность проведения сварки в труднодоступных местах и через прозрачные материалы. 10. Возможность проводить сварку от одного источника на нескольких рабочих местах. 11. Нет загрязненности от электродов, отсутствие вакуумных камер. 12. Лазерные технологии являются более экологически чистыми, меньше
Классификация процессов лазерной сварки. По энергетическим признакам. 1 -я группа. Плотность мощности Е=100 000 -1 000 Вт/см 2. Длительность воздействия меньше 0, 01 с. Возможна сварка большинства конструкционных материалов в широком диапазоне толщин. 2 -я группа. Е=1 000 -10 000 Вт/см 2. Длительность воздействия меньше 0, 001 с. В этом случае используется импульсно-периодическое излучение. Позволяет достигнуть высокую эффективность проплавления при меньших энергозатратах, чем при непрерывном излучении. 3 -я группа. Плотность мощности Е=100 000 -1 000 Вт/см 2. Длительность воздействия порядка 0, 01 – 0, 001 с. Этот режим позволяет сваривать материалы толщиной до 1 мм. По технологическим признакам. По характеру нагрева: непрерывный, импульсно-периодический. По типу шва: точки, точки с перекрытием, непрерывный шов. По типу проплавления: сквозное-несквозное. По типу защиты шва от окисления: без защиты, газовая защита, флюсовая защита. По технологическим особенностям: с присадкой, без, с присадкой в виде порошка, проволоки или прокладок.
Классификация процессов лазерной сварки. n n По типу лазерного источника: Углекислотные или CO 2 -лазеры, - это газовые лазеры. Длина волны излучения этих лазеров - 10. 6 мкм. Мощности излучения до десятков киловат. YAG- лазеры, - это твердотельные лазеры на алюмоиттриевом гранате. Длина волны излучения этих лазеров - 1. 06 мкм - ближний инфракрасный диапазон. Мощности излучения до 5 -6 к. Вт. Волоконные лазеры. На сегодня это самое быстроразвива- ющееся направление применения лазеров. Длина волны иттербиевого волоконного лазера составляет 1, 07 мкм. Мощности излучения доходит до 50 к. Вт. При необходимости и этот показатель может быть увеличен. А использование длиннофокусных линз – до 2000 мм. позволяет проводить сварку дистанционно. Излучение подается по волоконному световоду длинной порядка 10 -100 м. По степени автоматизации: ручная, автоматическая, роботизированная. Возможно также сочетание лазерной сварки с другими видами: лазерно-дуговая сварка, свето-лазерная, лазерно-плазменная, лазерно-ультрозвуковая и др.
Схема сварочной ванны при лазерной сварке Угол отклонения факела отклоняется на 20. . . 600 Vсв до 120 м/час Длительность лазерного импульса: t=δ 2/(4α), δтолщина, α -коэффициент температуропроводности свариваемого материала Схемы защитных сопел Схема сварочной ванны при лазерной сварке: 1 - лазерный луч; 2 - плазменный факел; 3 - парогазовый канал; 4 - хвостовая часть ванны; 5 - металл шва; 6 - свариваемый металл; Vсв - направление сварки а - при сварке деталей малой толщины; б - при сварке с глубоким проплавлением; 1 - лазерный луч; 2 - свариваемые детали
Скачать презентацию Лазерне зварювання «Light amplification by the stimulated emission
Лазерне зварювання.ppt