Мини енциклопедија: Принцип на ласерско заварување и примена на процесот
Нивоа на енергија
Материјата е составена од атоми, а атомите се состојат од јадро и електрони. Електроните орбитираат околу јадрото. Енергијата на електроните во атомот не е произволна.
Квантната механика, која го опишува микроскопскиот свет, ни кажува дека електроните зафаќаат фиксни енергетски нивоа. Различните енергетски нивоа одговараат на различни енергии на електронските тела: орбитите подалеку од јадрото имаат поголема енергија.
Покрај тоа, секоја орбита може да содржи максимален број електрони. На пример, најниската орбита (најблиску до јадрото) може да содржи до 2 електрони, додека повисоките орбити можат да содржат до 8 електрони, и така натаму.
Транзиција
Електроните можат да се движат од едно енергетско ниво на друго со апсорбирање или ослободување на енергија.
На пример, кога еден електрон апсорбира фотон, тој може да скокне од пониско енергетско ниво на повисоко. Слично на тоа, електрон на повисоко енергетско ниво може да падне на пониско ниво со емитување на фотон.
Во овие процеси, енергијата на апсорбираниот или емитираниот фотон секогаш е еднаква на енергетската разлика помеѓу двете нивоа. Бидејќи енергијата на фотонот ја одредува брановата должина на светлината, апсорбираната или емитираната светлина има фиксна боја.
Принцип на генерирање на ласер
Стимулирана апсорпција
Стимулирана апсорпција се јавува кога атомите во состојба со ниска енергија апсорбираат надворешно зрачење и преминуваат во состојба со висока енергија. Електроните можат да скокаат од ниски на високи енергетски нивоа со апсорбирање на фотони.
Стимулирана емисија
Стимулирана емисија значи дека електроните на високо енергетско ниво, под „стимулација“ или „индукција“ на фотон, преминуваат на ниско енергетско ниво и емитираат фотон со иста фреквенција како и инцидентниот фотон.
Клучната карактеристика на стимулираната емисија е тоа што генерираниот фотон е идентичен со оригиналниот: иста фреквенција, иста насока и целосно неразличен. На овој начин, еден фотон станува два идентични фотони преку еден процес на стимулирана емисија. Ова значи дека светлината се засилува или засилува - основниот принцип на генерирање ласер.
Спонтана емисија
Спонтана емисија се јавува кога електроните на високо енергетско ниво паѓаат на пониско ниво без надворешно влијание, емитувајќи светлина (електромагнетно зрачење) за време на транзицијата. Енергијата на фотонот е E=E2−E1, енергетската разлика помеѓу двете нивоа.
Услови за генерирање на ласер
Ласерско засилување со средно засилување
Генерирањето на ласер бара соодветен медиум за засилување, кој може да биде гас, течен, цврст или полупроводнички. Клучот е да се постигне инверзија на популацијата во медиумот, што е неопходен услов за ласерски излез. Метастабилните нивоа на енергија се многу корисни за инверзија на популацијата.
Извор на пумпање
За да се постигне инверзија на популацијата, атомскиот систем мора да биде возбуден за да се зголеми бројот на честички на горното енергетско ниво.
Вообичаените методи вклучуваат:
- Електрично пумпање: празнење на гас со употреба на електрони со висока кинетичка енергија
- Оптичко пумпање: зрачење со пулсирачки извори на светлина
- Термичко пумпање, хемиско пумпање итн.
Овие методи заедно се нарекуваат пумпање. Потребно е континуирано пумпање за да се одржат повеќе честички на горното ниво отколку на долното ниво за стабилен ласерски излез.
Резонатор
Со соодветен медиум за засилување и извор на пумпање, може да се постигне инверзија на популацијата, но интензитетот на стимулираната емисија е премногу слаб за практична употреба. Потребно е дополнително засилување, кое го обезбедува оптички резонатор.
Оптичкиот резонатор се состои од две високорефлективни огледала поставени паралелно на двата краја на ласерот:
- Едно целосно огледало со рефлектирање
- Едно огледало со делумно рефлектирање и делумно пропуштање
Огледалото за целосна рефлексија ја рефлектира целата упадна светлина назад по нејзината оригинална патека. Огледалото за делумна рефлексија ги рефлектира фотоните под одреден енергетски праг назад во медиумот, додека фотоните над прагот се емитуваат како засилена ласерска светлина.
Светлината осцилира напред-назад во резонаторот, предизвикувајќи верижна реакција на стимулирана емисија, засилувајќи се како лавина за да произведе ласерски излез со висок интензитет.
Што е ламба со пумпа?
Ксенонската светилка е светилка со инертен гасен празнење, обично во форма на права цевка. Генерално се состои од електроди, кварцна цевка и исполнет ксенон (Xe) гас.
Електродите се направени од метал со висока точка на топење, висока ефикасност на емисија на електрони и ниско распрскување. Цевката на светилката е изработена од кварцно стакло со висока цврстина, отпорност на високи температури и висока пропустливост, исполнето со ксенон гас.
Што е Nd:YAG ласерска прачка?
Nd:YAG (итриумски гранат од алуминиум допиран со неодимиум) е најчесто користениот цврст ласерски материјал.
YAG е кубен кристал со висока тврдост, одличен оптички квалитет и висока топлинска спроводливост. Тривалентните неодимиумски јони заменуваат некои тривалентни итриумски јони во кристалната решетка, па оттука и името неодимиумски допиран итриумски алуминиумски гранат.
Карактеристики на ласерот
Добра кохерентност
Светлината од обични извори е хаотична по насока, фаза и време, и не може да се фокусира на една точка дури ни со леќа.
Ласерската светлина е многу кохерентна: има чиста фреквенција, се шири во иста насока во совршена фаза и може да се фокусира на мала точка со високо концентрирана енергија.
Одлична насоченост
Ласерот има многу подобра насоченост од кој било друг извор на светлина, однесувајќи се речиси како паралелен зрак. Дури и кога е насочен кон Месечината (оддалечена околу 384.000 км), дијаметарот на дамката е само околу 2 км.
Добра монохроматност
Ласерската светлина од стимулирана емисија има исклучително тесен фреквентен опсег. Едноставно кажано, ласерот има одлична монохроматичност - неговата „боја“ е исклучително чиста. Монохроматичноста е критична за апликациите за ласерска обработка.
Висока осветленост
Ласерското заварување ја користи одличната насоченост и високата густина на моќност на ласерските зраци. Ласерот се фокусира во мала површина преку оптички систем, формирајќи високо концентриран извор на топлина за многу кратко време, топејќи го материјалот и формирајќи стабилни точки и споеви за заварување.
Предности на ласерско заварување
Во споредба со другите методи на заварување, ласерското заварување нуди:
- Висока концентрација на енергија, висока ефикасност на заварување, висока прецизност и голем сооднос длабочина-ширина на заварите.
- Низок внес на топлина, мала зона погодена од топлина, минимален преостанат стрес и деформација.
- Бесконтактно заварување, флексибилен фибер-оптички пренос, добра пристапност и висока автоматизација.
- Флексибилен дизајн на спојката, заштедувајќи суровини.
- Прецизно контролирана енергија, стабилни резултати од заварувањето и одличен изглед на заварот.
Процеси на ласерско заварување за метални материјали
Нерѓосувачки челик
- Добри резултати може да се постигнат со обични квадратни бранови импулси.
- Дизајнирајте ги споевите така што местата на заварување ќе бидат подалеку од неметални материјали.
- Оставете доволна површина за заварување и дебелина на обработуваниот дел за цврстина и изглед.
- Обезбедете чистота на работниот дел и сува средина за време на заварувањето.
Алуминиумски легури
- Високата рефлективност бара висока врвна моќност на ласерот.
- Склони кон пукање за време на пулсното заварување, намалувајќи ја јачината.
- Составот на материјалот може да предизвика прскање; користете висококвалитетни суровини.
- Подобри резултати со голема големина на точката и долга ширина на пулсот.
Бакар и бакарни легури
- Повисока рефлективност од алуминиумот; бара уште поголема врвна моќност на ласерот.
- Главата на ласерскиот елемент треба да биде навалена под агол.
- Бакарните легури (месинг, купроникел, итн.) се потешки за заварување поради легирачките елементи; потребен е внимателен избор на параметри.
Чести дефекти при ласерско заварување и решенија
Неточните параметри или неправилното работење често предизвикуваат дефекти во заварувањето, вклучувајќи:
- Површинско прскање
- Внатрешна порозност на заварот
- Пукнатини во заварувањето
- Деформација на заварување
Распрскување од заварување
Прскањето е главно предизвикано од претерано висока густина на моќност на ласерот: работното парче апсорбира премногу енергија за кратко време, што доведува до сериозно испарување на материјалот и насилна реакција на топена маса.
Прскањето го оштетува изгледот, точноста на склопувањето и цврстината на заварувањето.
Причини
- Премногу висока врвна моќност на ласерот.
- Несоодветна бранова форма на заварување, особено за материјали со висока рефлективност.
- Сегрегација на материјали што доведува до локална висока апсорпција на енергија.
- Контаминација или неметални нечистотии на површината на обработуваниот дел.
- Супстанции со ниска точка на топење помеѓу или под обработените парчиња, кои создаваат гас за време на заварувањето.
- Затворени шупливи структури што предизвикуваат експанзија на гас и прскање.
Решенија
- Оптимизирајте ги параметрите: намалете ја врвната моќност или користете шилести бранови форми.
- Користете квалификувани, висококвалитетни суровини.
- Засилете го чистењето пред заварување за да отстраните масло и нечистотии.
- Оптимизирајте го дизајнот на структурата за заварување.
Внатрешна порозност
Порозноста е најчестиот дефект при ласерското заварување. Брзиот термички циклус и краткиот век на траење на стопениот базен спречуваат излегување на гасот, формирајќи пори.
Вообичаени типови: водородни пори, пори на јаглерод моноксид и пори како колапс на клучалката.
Пукнатини при заварување
Пукнатините значително ја намалуваат цврстината на заварувањето и работниот век. Брзото загревање и ладење со ласерско заварување го зголемува ризикот од пукање.
Повеќето пукнатини при ласерско заварување се топли пукнатини, вообичаени кај алуминиумските легури и челиците со висока содржина на јаглерод/високо легирани челици.
Превенција
- За кршливи материјали, додадете бранови форми за претходно загревање и бавно ладење за да ги намалите пукањата.
- Оптимизирајте го дизајнот на спојот за да го намалите стресот на заварувањето.
- Изберете материјали со помала тенденција на пукање при еквивалентни перформанси.
Деформација на заварување
Деформацијата често се јавува кај тенки листови, обработени парчиња со голема површина или заварување со повеќе точки, што влијае на склопувањето и перформансите. Таа е предизвикана од нееднаков влез на топлина и неконзистентна термичка експанзија/контракција.
Решенија
- Оптимизирајте ги параметрите за да го намалите влезот на топлина: зголемете ја врвната моќност додека ја намалувате ширината на импулсот.
- Намалете ја брзината на заварување и фреквенцијата на пулсирањата за да ја намалите топлината по единица време.
- Оптимизирајте ја секвенцата на заварување за да обезбедите рамномерно загревање.
Време на објавување: 25 февруари 2026 година
