Mini enciklopedija: Načelo laserskega varjenja in uporaba v procesu
Energijske ravni
Snov je sestavljena iz atomov, atomi pa so sestavljeni iz jedra in elektronov. Elektroni krožijo okoli jedra. Energija elektronov v atomu ni poljubna.
Kvantna mehanika, ki opisuje mikroskopski svet, nam pravi, da elektroni zasedajo fiksne energijske nivoje. Različni energijski nivoji ustrezajo različnim energijam elektronov: orbite, ki so dlje od jedra, imajo višjo energijo.
Poleg tega lahko vsaka orbita vsebuje največje število elektronov. Na primer, najnižja orbita (najbližje jedru) lahko vsebuje do 2 elektrona, višje orbite pa do 8 elektronov in tako naprej.
Prehod
Elektroni se lahko premikajo z ene energijske ravni na drugo z absorpcijo ali sproščanjem energije.
Na primer, ko elektron absorbira foton, lahko skoči z nižje energijske ravni na višjo. Podobno lahko elektron na višji energijski ravni pade na nižjo raven z oddajanjem fotona.
V teh procesih je energija absorbiranega ali oddanega fotona vedno enaka energijski razliki med obema nivojema. Ker energija fotona določa valovno dolžino svetlobe, ima absorbirana ali oddana svetloba fiksno barvo.
Načelo laserske generacije
Stimulirana absorpcija
Stimulirana absorpcija se pojavi, ko atomi v nizkoenergijskem stanju absorbirajo zunanje sevanje in preidejo v visokoenergijsko stanje. Elektroni lahko preskočijo z nizkih na visoke energijske nivoje z absorpcijo fotonov.
Stimulirana emisija
Stimulirana emisija pomeni, da elektroni na visoki energijski ravni pod vplivom "stimulacije" ali "indukcije" fotona preidejo na nizko energijsko raven in oddajo foton z enako frekvenco kot vpadni foton.
Ključna značilnost stimulirane emisije je, da je ustvarjeni foton identičen originalnemu: enake frekvence, enake smeri in popolnoma nerazločljiv. Na ta način se en foton s pomočjo enega procesa stimulirane emisije spremeni v dva identična fotona. To pomeni, da se svetloba okrepi ali ojača – osnovno načelo laserske generacije.
Spontana emisija
Spontana emisija se pojavi, ko elektroni na visoki energijski ravni padejo na nižjo raven brez zunanjega vpliva in med prehodom oddajajo svetlobo (elektromagnetno sevanje). Energija fotona je E=E2−E1, kar je energijska razlika med obema nivojema.
Pogoji za lasersko generiranje
Srednje lasersko ojačanje
Za lasersko generiranje je potreben primeren medij za ojačanje, ki je lahko plin, tekočina, trdna snov ali polprevodnik. Ključno je doseči inverzijo populacije v mediju, kar je nujen pogoj za laserski izhod. Metastabilne energijske ravni so zelo koristne za inverzijo populacije.
Črpalni vir
Za dosego inverzije populacije je treba atomski sistem vzbuditi, da se poveča število delcev na zgornji energijski ravni.
Med pogoste metode spadajo:
- Električno črpanje: plinski izpust z uporabo elektronov z visoko kinetično energijo
- Optično črpanje: obsevanje s pulzirajočimi svetlobnimi viri
- Termično črpanje, kemično črpanje itd.
Te metode se skupaj imenujejo črpanje. Za ohranjanje več delcev na zgornji ravni kot na spodnji ravni za stabilen laserski izhod je potrebno neprekinjeno črpanje.
Resonator
Z ustreznim ojačevalnim medijem in črpalnim virom je mogoče doseči inverzijo populacije, vendar je intenzivnost stimulirane emisije prešibka za praktično uporabo. Potrebno je nadaljnje ojačanje, ki ga zagotavlja optični resonator.
Optični resonator je sestavljen iz dveh visoko odbojnih ogledal, nameščenih vzporedno na obeh koncih laserja:
- Eno popolno refleksijsko ogledalo
- Eno delno odbojno in delno prepustno ogledalo
Zrcalo s popolnim odbojem odbije vso vpadno svetlobo nazaj po njeni prvotni poti. Zrcalo z delnim odbojem odbije fotone pod določenim energijskim pragom nazaj v medij, medtem ko fotoni nad pragom oddajajo svetlobo kot ojačana laserska svetloba.
Svetloba v resonatorju niha naprej in nazaj, kar sproži verižno reakcijo stimulirane emisije, ki se ojača kot plaz in ustvari visokointenzivni laserski izhod.
Kaj je črpalna svetilka?
Ksenonska svetilka je sijalka z inertnim plinom, običajno v obliki ravne cevi. Običajno je sestavljena iz elektrod, kremenčeve cevi in napolnjenega s ksenonskim (Xe) plinom.
Elektrode so izdelane iz kovine z visokim tališčem, visoko učinkovitostjo elektronske emisije in nizkim razprševanjem. Cev žarnice je izdelana iz visoko trdnega, temperaturno odpornega, visoko prepustnega kremenčevega stekla, napolnjenega s ksenonskim plinom.
Kaj je laserska palica Nd:YAG?
Nd:YAG (z neodimom dopiran itrijev aluminijev granat) je najpogosteje uporabljen material za trdne laserje.
YAG je kubični kristal z visoko trdoto, odlično optično kakovostjo in visoko toplotno prevodnostjo. Trivalentni neodimovi ioni nadomeščajo nekatere trivalentne itrijeve ione v kristalni rešetki, od tod tudi ime neodimom dopiran itrijev aluminijev granat.
Značilnosti laserja
Dobra skladnost
Svetloba iz običajnih virov je kaotična glede smeri, faze in časa ter je ni mogoče osredotočiti v eno samo točko niti z lečo.
Laserska svetloba je zelo koherentna: ima čisto frekvenco, se širi v isto smer v popolni fazi in jo je mogoče usmeriti na majhno točko z visoko koncentrirano energijo.
Odlična smernost
Laser ima veliko boljšo usmerjenost kot kateri koli drug vir svetlobe in se obnaša skoraj kot vzporedni žarek. Tudi ko je usmerjen proti Luni (približno 384.000 km stran), je premer pike le približno 2 km.
Dobra monokromatika
Laserska svetloba iz stimulirane emisije ima izjemno ozko frekvenčno območje. Preprosto povedano, laser ima odlično monokromatičnost – njegova »barva« je izjemno čista. Monokromatičnost je ključnega pomena za laserske aplikacije obdelave.
Visoka svetlost
Lasersko varjenje uporablja odlično usmerjenost in visoko gostoto moči laserskih žarkov. Laser se prek optičnega sistema usmeri v majhno območje, kjer v zelo kratkem času ustvari visoko koncentriran vir toplote, ki tali material in tvori stabilne varilne točke in šive.
Prednosti laserskega varjenja
V primerjavi z drugimi metodami varjenja lasersko varjenje ponuja:
- Visoka koncentracija energije, visoka učinkovitost varjenja, visoka natančnost in veliko razmerje med globino in širino zvarov.
- Nizek vnos toplote, majhno območje vpliva toplote, minimalne preostale napetosti in deformacije.
- Brezkontaktno varjenje, fleksibilen prenos optičnih vlaken, dobra dostopnost in visoka avtomatizacija.
- Prilagodljiva zasnova spojev, varčevanje s surovinami.
- Natančno nadzorovana energija, stabilni rezultati varjenja in odličen videz zvara.
Postopki laserskega varjenja kovinskih materialov
Nerjaveče jeklo
- Dobre rezultate je mogoče doseči z navadnimi impulzi kvadratnega vala.
- Spoje oblikujte tako, da bodo varjena mesta stran od nekovinskih materialov.
- Za trdnost in videz rezervirajte zadostno varilno površino in debelino obdelovanca.
- Med varjenjem zagotovite čistočo obdelovanca in suho okolje.
Aluminijeve zlitine
- Visoka odbojnost zahteva visoko lasersko vršno moč.
- Nagnjenost k razpokanju med pulznim točkovnim varjenjem, kar zmanjšuje trdnost.
- Sestava materiala lahko povzroči brizganje; uporabite visokokakovostne surovine.
- Boljši rezultati z veliko velikostjo pike in dolgo širino impulza.
Baker in bakrove zlitine
- Višja odbojnost kot aluminij; zahteva še večjo lasersko vršno moč.
- Laserska glava mora biti nagnjena pod kotom.
- Bakrove zlitine (medenina, bakronikel itd.) je zaradi legirnih elementov težje variti, zato je potrebna skrbna izbira parametrov.
Pogoste napake pri laserskem varjenju in rešitve
Napačni parametri ali nepravilno delovanje pogosto povzročajo napake pri varjenju, vključno z:
- Površinsko brizganje
- Notranja poroznost zvara
- Razpoke pri varjenju
- Deformacija varjenja
Varilne brizge
Brizganje je predvsem posledica previsoke gostote laserske moči: obdelovanec v kratkem času absorbira preveč energije, kar vodi do močnega izhlapevanja materiala in burne reakcije v staljeni talini.
Brizganje poškoduje videz, natančnost montaže in trdnost varjenja.
Vzroki
- Pretirano visoka laserska vršna moč.
- Neprimerna varilna valovna oblika, zlasti pri materialih z visoko odbojnostjo.
- Segregacija materiala, ki vodi do lokalne visoke absorpcije energije.
- Kontaminacija ali nekovinske nečistoče na površini obdelovanca.
- Snovi z nizkim tališčem med ali pod obdelovanci, ki med varjenjem sproščajo plin.
- Zaprte votle strukture, ki povzročajo širjenje plina in brizganje.
Rešitve
- Optimizirajte parametre: zmanjšajte najvišjo moč ali uporabite konične valovne oblike.
- Uporabljajte kvalificirane, visokokakovostne surovine.
- Okrepite čiščenje pred varjenjem, da odstranite olje in nečistoče.
- Optimizirajte zasnovo varilne konstrukcije.
Notranja poroznost
Poroznost je najpogostejša napaka pri laserskem varjenju. Hiter toplotni cikel in kratka življenjska doba staljene talilne lonce preprečujeta uhajanje plina in nastanek por.
Pogoste vrste: vodikove pore, pore ogljikovega monoksida in pore zaradi zrušitve ključavnice.
Razpoke pri varjenju
Razpoke močno zmanjšajo trdnost zvara in življenjsko dobo. Hitro segrevanje in hlajenje pri laserskem varjenju poveča tveganje za razpoke.
Večina razpok pri laserskem varjenju so vroče razpoke, pogoste v aluminijevih zlitinah in visokoogljičnih/visokolegiranih jeklih.
Preprečevanje
- Pri krhkih materialih dodajte valovne oblike predgrevanja in počasnega hlajenja, da zmanjšate nastanek razpok.
- Optimizirajte zasnovo spoja za zmanjšanje varilnih napetosti.
- Izberite materiale z manjšo nagnjenostjo k razpokam pri enakovrednih lastnostih.
Deformacija pri varjenju
Deformacije se pogosto pojavljajo pri tankih pločevinah, obdelovancih z veliko površino ali pri večtočkovnem varjenju, kar vpliva na montažo in delovanje. Povzročajo jih neenakomerni dovod toplote in nedosledno toplotno raztezanje/krčenje.
Rešitve
- Optimizirajte parametre za zmanjšanje vnosa toplote: povečajte najvišjo moč in hkrati zmanjšajte širino impulza.
- Zmanjšajte hitrost varjenja in frekvenco impulzov za zmanjšanje toplote na enoto časa.
- Optimizirajte zaporedje varjenja, da zagotovite enakomerno segrevanje.
Čas objave: 25. februar 2026
