Mini encyklopedie: Princip a aplikace laserového svařování
Energetické hladiny
Hmota se skládá z atomů a atomy se skládají z jádra a elektronů. Elektrony obíhají kolem jádra. Energie elektronů v atomu není libovolná.
Kvantová mechanika, která popisuje mikroskopický svět, nám říká, že elektrony zaujímají pevné energetické hladiny. Různé energetické hladiny odpovídají různým energiím elektronů: oběžné dráhy dále od jádra mají vyšší energii.
Kromě toho každá orbita může pojmout maximální počet elektronů. Například nejnižší orbita (nejblíže k jádru) může pojmout až 2 elektrony, zatímco vyšší orbity mohou pojmout až 8 elektronů a tak dále.
Přechod
Elektrony se mohou pohybovat z jedné energetické hladiny na druhou absorpcí nebo uvolněním energie.
Například když elektron absorbuje foton, může přeskočit z nižší energetické hladiny na vyšší. Podobně elektron na vyšší energetické hladině může klesnout na nižší hladinu vyzářením fotonu.
V těchto procesech se energie absorbovaného nebo emitovaného fotonu vždy rovná energetickému rozdílu mezi těmito dvěma hladinami. Protože energie fotonu určuje vlnovou délku světla, má absorbované nebo emitované světlo pevnou barvu.
Princip generování laseru
Stimulovaná absorpce
Stimulovaná absorpce nastává, když atomy v nízkoenergetickém stavu absorbují vnější záření a přecházejí do vysokoenergetického stavu. Elektrony mohou přeskakovat z nízkých na vysoké energetické hladiny absorpcí fotonů.
Stimulovaná emise
Stimulovaná emise znamená, že elektrony na vysoké energetické hladině, pod vlivem „stimulace“ nebo „indukce“ fotonu, přecházejí na nízkou energetickou hladinu a emitují foton se stejnou frekvencí jako dopadající foton.
Klíčovým rysem stimulované emise je, že generovaný foton je identický s původním: stejná frekvence, stejný směr a zcela nerozlišitelný. Tímto způsobem se jeden foton prostřednictvím jednoho procesu stimulované emise stane dvěma identickými fotony. To znamená, že světlo je zesíleno neboli zesíleno – základní princip generování laseru.
Spontánní emise
Ke spontánní emisi dochází, když elektrony na vysoké energetické hladině klesnou na nižší hladinu bez vnějšího vlivu a během přechodu emitují světlo (elektromagnetické záření). Energie fotonu je E=E2−E1, což je energetický rozdíl mezi těmito dvěma hladinami.
Podmínky pro generování laseru
Laserový zisk střední
Generování laseru vyžaduje vhodné zesilovací médium, kterým může být plyn, kapalina, pevná látka nebo polovodič. Klíčem je dosažení inverze populace v médiu, což je nezbytná podmínka pro laserový výstup. Metastabilní energetické hladiny jsou pro inverzi populace velmi prospěšné.
Čerpací zdroj
Aby bylo dosaženo populační inverze, musí být atomový systém excitován, aby se zvýšil počet částic na horní energetické hladině.
Mezi běžné metody patří:
- Elektrické čerpání: výboj plynu s využitím elektronů s vysokou kinetickou energií
- Optické čerpání: ozařování pulzními světelnými zdroji
- Tepelné čerpání, chemické čerpání atd.
Tyto metody se souhrnně nazývají čerpání. Pro udržení více částic na horní úrovni než na dolní úrovni a stabilní laserový výstup je nutné nepřetržité čerpání.
Rezonátor
S vhodným zesilovacím médiem a čerpacím zdrojem lze dosáhnout inverze populace, ale intenzita stimulované emise je pro praktické použití příliš slabá. Je zapotřebí dalšího zesílení, které zajišťuje optický rezonátor.
Optický rezonátor se skládá ze dvou vysoce reflexních zrcadel umístěných rovnoběžně na obou koncích laseru:
- Jedno zrcadlo s úplným odrazem
- Jedno zrcadlo pro částečný odraz a částečný propustnost
Zrcadlo úplného odrazu odráží veškeré dopadající světlo zpět po jeho původní dráze. Zrcadlo částečného odrazu odráží fotony pod určitou energetickou hranicí zpět do média, zatímco fotony nad touto hranicí vyzařují ven jako zesílené laserové světlo.
Světlo v rezonátoru osciluje tam a zpět, čímž spouští řetězovou reakci stimulované emise, která se zesiluje jako lavina a vytváří laserový výstup s vysokou intenzitou.
Co je to pumpovací lampa?
Xenonová výbojka je výbojka s inertním plynem, obvykle rovného tvaru trubice. Obvykle se skládá z elektrod, křemenné trubice a xenonu (Xe) naplněného plynem.
Elektrody jsou vyrobeny z kovu s vysokým bodem tání, vysokou účinností elektronové emise a nízkým rozprašováním. Trubice lampy je vyrobena z vysoce pevného, teplotně odolného křemenného skla s vysokou propustností a je naplněna xenonem.
Co je to laserová tyč Nd:YAG?
Nd:YAG (neodymem dopovaný ytriovo-hlinitý granát) je nejběžněji používaný materiál pro pevné lasery.
YAG je kubický krystal s vysokou tvrdostí, vynikající optickou kvalitou a vysokou tepelnou vodivostí. Trojmocné ionty neodymu nahrazují některé trojmocné ionty yttria v krystalové mřížce, odtud název neodymem dopovaný yttriovo-hlinitý granát.
Charakteristiky laseru
Dobrá koherence
Světlo z běžných zdrojů je chaotické co se týče směru, fáze a načasování a nelze ho zaostřit do jediného bodu ani pomocí čočky.
Laserové světlo je vysoce koherentní: má čistou frekvenci, šíří se stejným směrem v perfektní fázi a lze jej zaostřit do malého bodu s vysoce koncentrovanou energií.
Vynikající směrovost
Laser má mnohem lepší směrovost než jakýkoli jiný zdroj světla a chová se téměř jako paralelní paprsek. I když je namířen na Měsíc (asi 384 000 km daleko), průměr skvrny je pouze asi 2 km.
Dobrá monochromatičnost
Laserové světlo ze stimulované emise má extrémně úzký frekvenční rozsah. Jednoduše řečeno, laser má vynikající monochromatičnost – jeho „barva“ je extrémně čistá. Monochromatičnost je pro laserové zpracování klíčová.
Vysoký jas
Laserové svařování využívá vynikající směrovost a vysokou hustotu výkonu laserových paprsků. Laser je pomocí optického systému zaostřován do malé oblasti, kde ve velmi krátkém čase vytváří vysoce koncentrovaný zdroj tepla, který roztaví materiál a vytvoří stabilní svarové body a švy.
Výhody laserového svařování
Ve srovnání s jinými metodami svařování nabízí laserové svařování:
- Vysoká koncentrace energie, vysoká účinnost svařování, vysoká přesnost a velký poměr hloubky k šířce svarů.
- Nízký tepelný příkon, malá tepelně ovlivněná zóna, minimální zbytkové napětí a deformace.
- Bezkontaktní svařování, flexibilní přenos optickými vlákny, dobrá přístupnost a vysoká automatizace.
- Flexibilní konstrukce spojů, šetřící suroviny.
- Přesně regulovatelná energie, stabilní výsledky svařování a vynikající vzhled svaru.
Procesy laserového svařování kovových materiálů
Nerez
- Dobrých výsledků lze dosáhnout s běžnými obdélníkovými pulzy.
- Navrhněte spoje tak, aby se svarová místa nedotýkala nekovových materiálů.
- Pro zajištění pevnosti a vzhledu si vyhraďte dostatečnou svařovací plochu a tloušťku obrobku.
- Během svařování zajistěte čistotu obrobku a suché prostředí.
Hliníkové slitiny
- Vysoká odrazivost vyžaduje vysoký špičkový výkon laseru.
- Náchylný k praskání během pulzního bodového svařování, což snižuje pevnost.
- Složení materiálu může způsobit rozstřik; používejte vysoce kvalitní suroviny.
- Lepší výsledky s velkou velikostí bodu a dlouhou šířkou pulzu.
Měď a slitiny mědi
- Vyšší odrazivost než hliník; vyžaduje ještě vyšší špičkový výkon laseru.
- Laserová hlava by měla být nakloněna pod úhlem.
- Slitiny mědi (mosaz, kupronikl atd.) se kvůli legujícím prvkům obtížněji svařují, je nutný pečlivý výběr parametrů.
Běžné vady při laserovém svařování a jejich řešení
Nesprávné parametry nebo nesprávná obsluha často způsobují vady svařování, včetně:
- Povrchové rozstřikování
- Vnitřní pórovitost svaru
- Trhliny při svařování
- Deformace při svařování
Rozstřik svaru
Rozstřik je způsoben hlavně nadměrně vysokou hustotou výkonu laseru: obrobek absorbuje příliš mnoho energie v krátkém čase, což vede k silnému odpařování materiálu a prudké reakci v tavenině.
Rozstřik poškozuje vzhled, přesnost montáže a pevnost svaru.
Příčiny
- Příliš vysoký špičkový výkon laseru.
- Nevhodný tvar svařovacího vlny, zejména u materiálů s vysokou odrazivostí.
- Segregace materiálu vedoucí k lokální vysoké absorpci energie.
- Znečištění nebo nekovové nečistoty na povrchu obrobku.
- Látky s nízkým bodem tání mezi nebo pod obrobky, které během svařování uvolňují plyn.
- Uzavřené duté struktury způsobující rozpínání plynu a rozstřikování.
Řešení
- Optimalizujte parametry: snižte špičkový výkon nebo použijte špičkové průběhy.
- Používejte kvalifikované, vysoce kvalitní suroviny.
- Zesílete čištění před svařováním, abyste odstranili olej a nečistoty.
- Optimalizujte návrh svařované konstrukce.
Vnitřní pórovitost
Pórovitost je nejčastější vadou při laserovém svařování. Rychlý tepelný cyklus a krátká životnost taveniny brání úniku plynu a tvorbě pórů.
Běžné typy: vodíkové póry, póry oxidu uhelnatého a póry kolapsu klíčové dírky.
Trhliny při svařování
Trhliny výrazně snižují pevnost svaru a životnost. Rychlé zahřívání a chlazení při laserovém svařování zvyšuje riziko vzniku trhlin.
Většina trhlin vznikajících laserovým svařováním jsou horké trhliny, běžné u hliníkových slitin a vysoce uhlíkových/vysoce legovaných ocelí.
Prevence
- U křehkých materiálů přidejte průběhy předehřívání a pomalého chlazení, abyste snížili vznik praskání.
- Optimalizujte konstrukci spoje pro snížení namáhání při svařování.
- Vyberte materiály s nižším sklonem k praskání při srovnatelném výkonu.
Deformace svařováním
K deformaci často dochází u tenkých plechů, velkoplošných obrobků nebo při vícebodovém svařování, což ovlivňuje montáž a výkon. Je způsobena nerovnoměrným přívodem tepla a nekonzistentní tepelnou roztažností/smršťováním.
Řešení
- Optimalizujte parametry pro snížení tepelného příkonu: zvyšte špičkový výkon a zároveň zkraťte šířku pulzu.
- Nižší rychlost svařování a frekvence pulzů pro snížení tepla za jednotku času.
- Optimalizujte posloupnost svařování pro zajištění rovnoměrného ohřevu.
Čas zveřejnění: 25. února 2026
