Fiber Lazerler: Dizayn, Kiriş Kalitesi ve Avantajları

Bu makaleyi okuduktan sonra öğreneceksiniz: - 1. Fiber Lazerlerin Tasarımı 2. Fiber Lazerlerin Işın Kalitesi 3. Güç Verimliliği 4. Avantajları 5. Kullanım Alanları.

Fiber Lazerler Tasarımı:

Elyafın yalnızca optik bir dağıtım mekanizması olduğu, elyafla taşınan lazerlerle karıştırılmaması gereken elyaf lazerleri, nadir bulunan toprak elementinin düşük seviyelerinde katkılı bir optik cam elyafının sert ortam olduğu katı hal lazerleridir. Lazer diyotlar, doping elemanı olarak kullanılan nadir toprak elementine özgü bir dalga boyunda fotonlar yaymak için lazer ortamını pompalamak için kullanılır. İterbiyum (Yb), genellikle yüksek güçlü fiber lazerler için kullanılır ve yaklaşık olarak Nd: YAG lazerleri, yani 1.060 ila 1.085 mikron arasında olduğu gibi dalga boyunda bir ışın yayar.

Katkılı fiber, pompalama ışığı için bir dalga kılavuzu olarak işlev gören ve kalıcı ortama optimum transferini sağlayan düşük kırılma indeksli bir malzemenin içine yerleştirilmiştir. Kırınım ızgaraları, lazer rezonatörünü, yani lazer boşluğunu oluşturmak için arka ayna ve çıkış kuplörü olarak kullanılır.

Bu, kıvrılmış optik fiberin esnekliği nedeniyle çok kompakt olan uzun ince bir lazer oluşumu ile sonuçlanır. Uygun ışın şekillendirme ve optik odaklama ucunda, ışın veren elyaf olarak ışınlayıcı elyaf kullanmak da mümkündür. Bununla birlikte, kiriş iletme elyafının, lifli elyaftan ayrılması, kaynak için kullanılan lazerler için onları iş parçası yüzeyinden istenmeyen geri yansımalardan korumak için tercih edilir.

Halen, 700 W'a kadar tek modlu fiber lazer modülleri ticari olarak temin edilebilir. Metallerin derin penetrasyonlu anahtar deliği kaynağı için uygun çok-kük kalınlıkta çıkış gücü elde etmek için, ticari olarak temin edilebilen bu tek-modlu birimler serisinin çıktıları, Şekil 7, 44'te gösterildiği gibi, 7 kW'lık bir fiber lazer için tek bir fiber çıktısı halinde birleştirilir.

Bu ışın birleştirme tekniği, lazer üreticisine aittir, ancak ışın kalitesini azaltır. Bununla birlikte, ışın kalitesindeki azalma görecelilik açısından küçüktür ve sonuçta ortaya çıkan ışın, küçük çaplı optik fiberler yoluyla iletim için uygun ve kaynakta kullanım için yeterli özelliklere sahiptir.

Fiber Lazerlerin Beam Kalitesi:

Kiriş kalitesi, yayılma şeklinin bir hiperbol olduğu mükemmel kiriş için gerçek kirişin kiriş genişliği ve sapma açısı ürününün beklenen orana oranı olarak tanımlanmaktadır. Genellikle ışın parametresi ürünü (BPP) olarak adlandırılan bir katı hal lazerinin ışın kalitesi genellikle mm cinsindendir. miliradiyanlar (mm. m rad.) düşük bir değere sahip olup, yüksek ışın kalitesini gösterir.

Işın kalitesi, tam veya yarım ışın çapı ve sapma açıları kullanılarak ifade edilebilir. Bununla birlikte, lazer ışını yayılım kirişi kalitesi için ISO standardına göre, yarı ışın çapı ve yarı ayrılma açısı cinsinden alıntı yapılır.

Yüksek ışın kalitesi, ışığın küçük çaplı bir optik dağıtım elyafına odaklanabileceği anlamına gelir. Bu, daha küçük bir minimum kiriş bel çapı veya daha büyük bir durma mesafesi sağlar. Lazer kafası, fiberin ucunu iş parçasına yerleştirir. Fiberden çıkan dalgıç lazer ışını, önce lazer nokta olarak da adlandırılan minimum bel çapına odaklanmadan önce toplanır (yani paralel yapılır).

Belirli bir çıkış gücü için mevcut güç yoğunluğu, toplayıcı ve odaklanan merceklerin odak uzunlukları ve ışın ileten fiberin çaplarının oranı ve lazer ışını spot büyüklüğü arasındaki ilişkiyle belirlenir.

Dikme mesafesi, yani odaklama merceği ve iş parçasının yüzeyi arasındaki mesafe, kaynak işleminden gelen sıçramanın işlem optiğine zarar vermeyecek kadar uzun olmalıdır. Stand-off mesafesi ne kadar büyük olursa, fokusun belirli bir mesafe boyunca ne kadar ıraksak kaldığının bir ölçüsü olan odak derinliği de o kadar büyük olur. Bu nedenle, daha yüksek bir ışın kalitesi, ışın odağında daha yüksek bir güç yoğunluğu veya her ikisi de kaynak performansını etkileyen daha büyük bir durma mesafesi / daha büyük odak derinliği sağlayabilir.

Halen, yaklaşık 12 mm'lik bir BPP ile 17 kW kapasiteye kadar Yb-fiber lazer. m rad. Endüstride kullanılıyor.

Fiber Lazerlerin Güç Verimliliği:

Uzun, ince fiber geometrisi etkili soğutmaya izin verir ve bu nedenle lazeri pompalamanın termal etkilerini en aza indirmek için idealdir. Bu ve doğal olarak fiber lazer kaynağının yüksek kazancı, iş parçasında mevcut olan optik gücün, tüketilen elektrik gücüne oranı olan ve% 20 ila 30 arasında olduğu belirtilen yüksek güç dönüşüm verimliliği ile sonuçlanır.

Bu, CO2 ve lamba pompalı Nd: YAG lazerleri için sırasıyla% 8 ve% 3 güç dönüşüm verimliliğinden oldukça yüksektir. Bu, hem lazeri hem de soğutma sistemini çalıştırmak için daha düşük güç gereksinimi ile sonuçlanır. Bu bağlamda, hava soğutmanın 2 KW'a kadar Yb-fiber lazerleri için yeterli olduğu ve yüksek çıkış fiber lazerleri için su soğutması gerektiği bilinmektedir.

Fiber Lazerlerin Avantajları:

Aşağıda, fiber lazerlerin imalat endüstrisindeki diğer popüler ve iyi kurulmuş lazer sistemlerine göre ana avantajlarından bazıları şunlardır:

1. Kalıcı lif sarılabildiğinden ve hacimli parçalara gerek duyulmadığından, fiber lazerin kapladığı alan (yani kurulum için gerekli alan), günümüzde popüler olan CO2 ve Nd: YAG lazer sistemlerininkinden önemli ölçüde daha küçüktür.

2. Basit ve kompakt bir tasarıma sahiptir, bu nedenle sadece birkaç saat içinde monte edilebilir.

3. Yüksek güvenilirlik; Lazer diyot pompalarının bakım / arızalarından önce 100.000 saat çalışabilir.

4. Yb-fiber lazerin maliyeti / kW, lamba pompalı bir Nd: YAG lazer kaynağınınkiyle karşılaştırılabilir.

5. Yb-fiber lazer ışını tarafından üretilen çok küçük kaynak havuzu nedeniyle, üretilen kaynaklar merkez hat çatlağına veya gözeneklerine eğilimli olmayan çok dardır.

Fiber Lazerlerin Kullanımı:

Özellikle otomotiv endüstrisi, Yb-fiber lazer de dahil olmak üzere lazer ışını teknolojisinin başlıca kullanıcısıdır. Yüksek güçlü fiber lazer, 16 mm kalınlığa kadar boru hattı çeliği için tüm pozisyon kaynak işlemlerinde de kullanılır. İş parçasında 2 kW iş parçasında 11, 2 mm kalınlığında çelik boru çeliğinin tüm pozisyon kaynaklarında 2.2 m / dak'ya kadar kaynak hızlarının kullanıldığı bildirildi.