دسته بندی لیزر

لیزرها بر اساس طول موج و حداکثر توان خروجیشان در رده‌های زیر طبقه بندی می‌گردند:

دستهٔ اول: اساسا بی خطر؛ هیچگونه احتمالی برای آسیب رساندن به چشم در این گروه وجود ندارد. این امر می‌تواند بدلیل توان خروجی محدود آنها( که حتی در تماسهای طولانی هم خطری را متوجه چشم شخص نمیکنند) باشد و یا به این دلیل باشد که محصور بودن آنها و عدم تماس در شرایط طبیعی کار بطور کلی احتمال خطر تماس را از بین میبرد مثل حالتی که در دستگاه‌های خواندن سی دی وجود دارد.

دستهٔ دوم: واکنش طبیعی یسته شدن چشمها از آسیب جلوگیری خواهد کرد و توان خروجی آنها حدود 1mW می‌باشد.

دستهٔ سوم اولیه: لیزرهایی که در این دسته قرار میگیرند بواسطهٔ بکار گرفته شدن در ابزاری که ممکن است باریکهٔ نور را تغییر دهند خطرناک در نظر گرفته میشوند. توان خروجی آنها 1-5mW می‌باشد. اغلب لیزرهای نقطه‌ای در این گروه قرار دارند.

دستهٔ سوم ثانویه: این دسته زمانی خطرناک محسوب میشوند که باریکه نور مربوط به لیزر مستقیما بدرون چشم تابیده ویا منعکس شود. این گروه مربوط به لیزرهایی می‌شود که قدرتی حدود 5-500mW دارند. انعکاسهایی که با پراکنده شدن باریکهٔ نوری همراه باشند بعنوان یک خطر جدی در نظر گرفته نمیشوند.

دستهٔ چهارم: لیزرهای این دسته بینهایت خطرناکند. حتی اگر انعکاس پراکنده شدهٔ آنها هم به پوست و یا چشم تابیده شود هم می‌تواند خطرناک باشد. لیزرهایی که توان بیش از 500mW و یا توانایی تولی امواج نوری داشته باشند در این دسته قرار میگیرند. اگرچه که شدت نور خروجی آنها ممکن است تنها چند برابر نور درخشان خورشید باشد ولی بایستی توجه داشت که این نور مستقیما بر نقطهٔ بسیار کوچکی متمرکز می‌گردد.

نیروهایی که برای لیزرهای بالا ذکر شد انواع معمول توانها میباشند. دسته بندی ما مستقل از طول موج و موجی و یا پیوسته بودن لیزر می‌باشد و تنها بر ایمنی تاکید دارد.

انواع ليزر هاي CO2

1 - ليزر با لوله بسته
2 - ليزر با جريان گاز
3 - ليزر هاي با تخليه عرضي در فشار اتمسفر ( TEA )

لیزر و EDM

بزرگترین حسن تمامی فرآیندهای EDM این است که یک فرآیند ساختی غیر تماسی است. با این روش هیچ یک از تنشهای روشهای سنتی ایجاد نمی گردد و شما می توانید کارهایی را انجام دهید که با ابزارهای رایج امکان آن وجود ندارد.

John shanahan ، مدیر تولید شرکت makino در ضمن توضیح ماشینهای wireEDM افقی، به برخی از پیشرفتهای زیر اشاره می کند:

- قطرهای سیم ها به کوچکی" 00078/ 0(mm 2 % )
- تعویض قطعه کار مجتمع (integrated work changers)
- سوراخ کاری EDM سوراخ های بسیار دقیق با نسبت ارتفاع به قطر 1: 100 (برای این کار RAM EDM مورد نیاز است)
- اسپیندلهای تعویض ابزار مستقیم با ارتعاش کم که تغییرات ابزارگیر و سرعت های اسپیندل را تا rpm 170000 محدود می کند.
- سیستم های فیدبک مداربسته تا nm 2 .

در آینده ما به شرایط محیطی توجه بیشتری خواهیم کرد چرا که درگیری با اندازه های کوچک بیشتر خواهد شد. جبران الکترونیکی کافی نخواهد بود، علاوه بر ساختار مکانیکی صوتی، در نظر گرفتن کنترل حرارتی نیز باید در طراحی ها بطور ذاتی و اساسی صورت پذیرد.

برای ماشینکاری سوراخ های کوچک با EDM ، شرکت Makino محصول Edge 2 خود را ارائه می کند. John Bradford متخصص فنی توضیح می دهد که: این ماشین همانند ماشینCNC EDM sinker طراحی شده است اما با گزینه هایی برای کاربردهای سوراخکاری سوراخهای کوچک که می توانند سوراخهای 20μm را ماشین کاری نمایند.

تا به حال این ماشین برای بستهای نوری ( Optical Connectors) و دیگر قطعات الکترونیک به کار رفته است. و اغلب wire EDM برای ساختن فیچرهای خاص در سوراخهای اصلی استفاده شده است. موقعیت دهی و تکرار پذیری تا1 +,1- تضمین شده است.

هنگام تصمیم گیری میان EDMو لیزرهای گوناگون، متغیرهای متعددی وجود دارند که باید بیش از هزینه اولیه در نظر گرفته شوند مثل زمان Setup ،سرعت و حجم تولید.
شرکتPrima North American یکی از سازندگان پیشرو در زمینه سیستمهای ماشین کاری لیزری YAG: Nd و CO2 می باشد. یکی از بزرگترین کاربردهای محصولات این شرکت، سوراخکاری دقیق سوراخهای گسترده عظیمی از اجزا موتورهای جت هواپیما و توربین های مورد استفاده در تولید انرژی می باشد. قطعات سوراخکاری شده توسط سیستم laserdyne شامل پره ها ي توربین پره هدایت نازل و محفظه های احتراق می شود. برای این کاربردها هدف سازندگان موتور توربین دست یابی به جریان هوای ثابت از طریق سوراخهای خنک کاری و از طریق سطح اجزا می باشد. جریان هوای خیلی زیاد به طور معکوس بر راندمان سوخت تاثیر می گذارد. جریان خیلی کم و فوق گرم شدن اجزا عمر آنها را کاهش میدهد.

Terry Vanderwert نائب رئیس شرکت توضیح میدهد که: ? در حال حاضر ما بر روی روشهائی سرمایه گذاری کرده ایم تا ثبات جریان هوا را از طریق سوراخ های ماشین کاری شده توسط لیزر، بیشتر بهبود بخشیم. سوراخ های موتور توربین به طور نوعی در حد "02/0 (mm5/0) و بزرگتر بوده، که در آلیاژهای نیکل، کبالت، کروم، در دمای بالا تولید شده است. سوراخ های کوچکتر تقریباً "006/0 (mm15/0) قطر داشته و می تواند در این مواد تولید شوند، و حتی سوراخهای کوچکتری در بازه وسیعی از موارد دیگر نیز قابل تولید می باشند.

ما همچنین در حال ادامه فعالیت های خود برای اضافه کردن قابلیت سوراخکاری سوراخهای شکل داده شده (shaped holes) هستیم، روش و طرحی که برای بهبود خنک کاری اجزا موتور بسیار سودمند است. سوراخکاری لیزری به عنوان یک فرآیند با ابزار نرم و شکل پذیر (soft-tooled process) دارای انعطاف پذیری بالایی در اشکال قابل تولید و راحتی در اصلاح شکل آنها می باشد. بطور کلی لیزر UV توان کمتری نسبت به دیگر لیزرها مصرف می کند و بدین ترتیب منطقه HAZ محدود تری خواهیم داشت و یا اینکه هیچ لایه HAZ ای بوجود نمی آید. لیزرهای UV دقیق تر بوده و اثرات حرارتی یا ذوبی کمتری دارند. این لیزرها محدوده اشعه ای بزرگتری داشته که این اشعه ها در تمام این محدوده خیلی یکنواخت و یکدست هستند.

Sercel می گوید: اینکه اشعه لیزر در برابر ماده قطعه کار چگونه واکنش می دهد بحرانی بوده و همیشه تست و آزمایش اولین قدم پر اهمیت می باشد. در خیلی از موارد آنها ممکن است تنها بر روی قطعاتی عمل کنند که دارای خواص جذبی به خصوصی هستند اما توسط لیزر excimer شما میتوانید هر ماده ای را ماشین کاری کنید چرا که مواد انرژی UV بیشتری را جذب میکنند. آنها این اشعه را بازتاب نمی کنند. به همین دلیل شما میتوانید با پلیمرهای حساس به حرارت کوارتز و شیشه کار کنید.


درعمل لیزرهای excimer در هر پاس از0.1 تا 0.5میکرو متر باربرداری میکنند. به طور کلی EDM قطعات ضخیم را ماشین کاری می کند و لیزر قطعات نازک.

سه حوزه ای که در ساخت و تولید میکرونی از لیزر استفاده می کند عبارتند از: برش کاری، جوش کاری، و سوراخکاری. ROY توضیح میدهد که : برای مدتی کمترین نیازهای سوراخکاری در حد 50 μm نگه داشته شده است. برای کاربردهای جوشکاری، در حال حاضر در محدوده 50μm قرارداریم. این کارها اساساً برای میکرو الکترونیک است. برای برشکاری، نیاز تا حد 20 μm کاهش پیدا می کند. در خیلی زمینه ها نیاز و تمایل به سمت محدوده پایین تری است. هر چه اشعه لیزر کوچکتر میشود به لیزر با انرژی کمتری احتیاج است.

مقدمه ای براندازه گیری

اندازه گیری چیست ؟ چگونه می توان اندازه گیری کرد ؟ روشها و تجهیزات اندازه گیری چیستند ؟ و .... .

اندازه گیری مهارتی است که میان نظریه علمی و دنیای واقعی رابطه ایجاد می کند، اندازه گیری هنری است که در حال حاضر تکنولوژی پیشرفته حامی آن است. واندازه گیری اساس کار یک محقق در آزمایشگاه و یا یک تکنسین در صنایع و کارخانجات و .... است. اما شیوه وروش انجام اندازه گیری مهمتر از اندازه گیری است.

در دنیای امروز برای اندازه گیری از روشها وسیستم های متفاوتی استفاده می شود. که هر کدام ویژگی ها، کاربردها، معایب و مزایای خاصی دارند. و بنا بر نوع و دقت اندازه گیری مورد نیاز، از یک روش وسیستم به خصوصی استفاده می شود.

همچنین عملکرد دقیق یک سیستم بستگی به صحت اطلاعات ورودی و کیفیت طراحی خود سیستم دارد و تا زمانی که ورودی ها درست وبه موقع به آن وارد نشو ند، هر مقدار هم که طراحی سیستم قوی و دقیق باشد از کارایی لازم برخوردار نخواهد بود . فاصله نیز به عنوان یک ورودی بسیار مهم در سیستم ها نقش بسزائی را داراست . برای مثال در یک سیستم نظامی داشتن فاصله دقیق از هدف و البته استخراج بلادرنگ این فاصله (REAL TIME) از اهمیت بسیار بالایی برخوردار است.

براي اندازه گيري فاصله و مسافت، روشهاي متعددي وجود دارد .در قرن حاضر با توجه به پيشرفتهاي شگرف علمي پديد آمده، روش اندازه گيري فواصل و مسافت يابي به سمت سويي ديگر سوق يافته است .اندازه گيري دقيق فاصله از جسم و يا فاصله دو جسم از يكديگر درصنايع مختلف از جمله : ابزار دقيق ، قطعه سازي، هوانوردي، دريا نوردي ، رباتيك و بخصوص در صنايع نظامي از اهميت ويژه اي برخوردار است .به تاز گي با رشد صنعت الكترونيك و روش هاي اندازه گيري بوسيله ليزر، سنجش فاصله، سرعت، زاويه، ميزان صيقلي بودن سطوح و ... با سخت افزار و روشهاي مشابه نرم افزاري ميسر شده است .

سیستم های اندازه گیری لیزری یا مبتنی بر استفاده از نور به دو دسته طبقه بندی می شوند :

1- سیستم های اندازه گیری میکروسکوپی

2- سیستم های اندازه گیری ماکروسکوپی

و به صورت کلی یک سیستم اندازه گیری لیزری برای اندازه گیری، ابتدا نور را به سمت هدف پرتاب کرده و سپس نور بازتابیده از آن را بوسیله یک سنسور و یا یک آشکارساز دریافت می کند، و از نور بازتابی اطلاعات مورد نیاز را استخراج می کند .

سیستم های اندازه گیری میکروسکوپی به دلیل پیشرفته بودن ازنظر تئوری وتجهیزات، جنبه کاربردی محدودتری نسبت به سیستم های ماکروسکوپیک دارند.

البته باید توجه داشت که امروزه برای اندازه گیری از روشهای مختلفی استفاده می شود، که هر روش کارایی، معایب و محاسن خاص خود را دارد. و اندازه گیری لیزری هنگامی موفقیت کسب می کند که در رقابت با دیگر روشها از نظر میزان کارایی، دقت، هزینه بهره برداری، و دیگر پارامترهای موجود بتواند پذیرفته و توجیه پذیر باشد.

معرفی سیستم های اندازه گیری لیزری

به طور کلی دو نوع سیستم اندازه گیری لیزری وجود دارد :

1- سیستم های اندازه گیری بازتابی ( laser reflective ) :

در این سیستم ها پرتو لیزر پس از برخورد به هدف مورد نظر بازتاب کرده و پرتو بازتابی وارد یک دریافت کننده می شود . و اطلاعات مورد نیاز از آن بدست اورده می شود.

2- سیستم های اندازه گیری پهن پرتو ( laser thurbeam ):

در این سیستم ها پرتو لیزر توسط یک واحد اپتیکی پهن شده و انتشار می یابد. که هدف مورد نظر در مسیر انتشار این پرتو قرار می گیرد و پرتو موازی پس از عبور از جسم وارد یک دریافت کننده می شود و اطلاعات لازم استخراج می شود.

انواع لیزرها از نظر وارونی جمعیت

لیزرهای دو ترازی:

نمی توان به کمک دمش نوری در یک سیستم با دو تراز انرژی جمعیت معکوس ایجاد کرد. حتی با تابش بسیار قوی حداکثر می توان جمعیت ترازهای بالایی و پایینی را برابرنمود. (N1=N2)

لیزرهای سه ترازی:

ماده لیزری به کمک تابش قوی یک لامپ درخش تحت تابش قرارمی گیردو تعداد زیادی از اتمها با جذب تابش با فرکانس ν2 ازتراز پایه به تراز بالایی می رود.از ترازE2 معمولا اتم ها با فرآیند غیر تابشی به تراز E1 فرو می افتند و وقتی جمعیتE1 ازٍE0 بیشتر شد جمعیت معکوس بین ترازهای E1 وE0 ایجاد می شود.لیزر یاقوت یک لیزرسه ترازی است.

لیزرهای چهار ترازی:

عمل دمش اتم ها را تحریک می کند و از حالت پایه به ترازE3 می برد که از آنجا سریعا به تراز شبه پایدارE2 فرو می افتد به طوری که جمعیتN2 به سرعت افزایش می یابدو بدین طریق بین ترازهایE2 وE1جمعیت معکوس ایجاد می شود.لیزرNd-YAG یک لیزر 4ترازی است.

تشدید کننده های نوری:

در بیشتر موارد بهره دمیده شده و یا تحریک شده ماده کاملا کوچک است (در حدود 10% به ازای هر متر) به طوری که تقویت نور عبوری با یک بار عبور از ماده حداقل است.اما شرایط خاصی وجود دارد که تقویت خوبی می توان به دست آورد.در بیشتر حالات تقویت کلی با قرار دادن آیینه های با درصد انعکاس بالا (درصد بازتاب حدود 100%) در هر انتهای ماده افزایش می یابد.پرتوی نوری بیش از حدود یکصد بار بین دو آیینه رفت و برگشت می کنند و بدین طریق طول مؤثر ماده را افزایش می دهد.آیینه ها تشکیل یک کاواک نوری یا تشدیدکننده را می دهند.در بخورد با آینه انتهایی اکثر انرژی به داخل کاواک بر میگردد . این نور تقویت شده مجددا در برخورد با آینه دیگر نیزتقویت می شود و این فرآیند تکرار می شود.

دمش:

برای داشتن محیط تقویت کننده باید وارونی جمعیت داشته باشیم یعنی توزیع آماری بولتزمن را به هم بزنیم.به فرآیندی که وارونی جمعیت را برای رسیدن به حالت نوسان لیزری آماده می کنددمش یا پمپینگ می گویند. چندین راه دمش کردن برای مجموعه ای از اتم هاوجود دارد از قبیل: 1- دمش اپتیکی 2- دمش الکتریکی 3- به کمک آزاد کردن انرژی شیمیایی.

دمش اپتیکی :

از این نوع دمش بیشتر برای لیزرهای حالت جامد مثل یاقوت Nd-YAG, ولیزرهای مایع مثل لیزر Dye استفاده می شود.

دمش الکتریکی :

این نوع روش در مورد لیزرهای گازی ( هلیم- نئون ونیتروژن ودی اکسید کربن وآرگون)و لیزرهای بخار فلزی (مس ونمک مس وطلا)و لیزرهای نیمه رسانا بکار می رود. در این نوع دمش٬ دمش با عبور جریان الکتریکی مناسبی ( پیوسته یا پالسی یا فرکانس رادیویی ) از گاز حاصلمی شود.یون ها و الکترون های بهوجود می آیدو چون این ذرات در اثر میدان الکتریکی شتابدار می شوندانرژی جنبشی اضافی بدست می آورندو می توانند با برخورد با اتمهای خنثی آنها را برانگیخته کنند.در این بر انگیختگی برخوردی معمولا حرکت یون ها درمقابل حرکت الکترون ها کمتر اهمیت دارد.در واقع برای گاز یدر فشار پایین انرژی متوسط الکترونخیلی بیشتر از انرژی متوسط یون است.

بی خطری لیزرها:

شدت نور لیزر از کسری از میلی وات در لیزر ارزان هلیوم – نئون تا چندین کیلو وات در لیزر CO2 تغییر می کند.آسیبهای ناشی از لیزر انگشت شمار بوده اندوخطرات ناشی از آنها محل مباحثات بسیار است.با این همه بزرگترین خطری که لیزرها دارند عبارت است از برخوردمستقیم باریکه لیزر ناواگرا از روی بی توجهی با چشم.باریکه ضعیف ناشی از لیزر دائمی هلیوم –نئون به شدت نیم میلی وات احتمالا کم خطراست زیرا پلکهای چشم در واکنش به تابش نور ناگهانی بسته می شود باریکه های شدید تر و به خصوص باریکه های پالسی می توانند صدمات جدی به جای گذارند که عمدتا به سبب توانایی چشم در کانونی کردن باریکه موازی در یک مساحت کوچک درشبکیه است.

اقدامات ایمنی مناسب در شرایط رودررویی با تابش لیزرهای پرتوان مستلزم استفاده ازشیشه های پالایه و سپر های ایمنی و آگاهی از این نکته است که باریکه لیزر فرودی بر سطح بازتابان آینه میتواند بدون کاهش شدت تغییر جهت بدهد.

لیزر دی اکسید کربن:

لیزر دی اکسید کربن از پر قدرت ترین و کاراترین لیزرهاست.هم چنین از پرتوان ترین لیزرهای پیوسته کار است .و از نظر قابلیت کاربردهای صنعتی در مرتبه ای بالا قرار دارد.اهمیت چنین لیزر پر توانی را می توان به کمک این واقعیت تجربی نشان داد که باریکه متمرکز آن می تواند در ظرف چند ثانیه صفحات الماس و فولاد ضخیم را برش بدهد.

هم می تواند پالسی باشد و هم می تواند پیوسته کار کند.

در لیزر CO2 از مخلوط مناسبی از گازهای CO2,N2,He استفاده می شود مقدار نسبی این گازها به نوع سیستم لیزر بستگی دارد ولی اصولا مقدار گاز ازت و گاز دی اکسید کربن یکسان است و مقدار هلیم از این دو بیشتر است. وجود N2,He بازدهی لیزر را به مقدار خیلی زیادی افزایش می دهد. اضافه کردن هلیم برای کاهش دما می باشدچون هدایت گرمایی بالایی دارد .این گاز با منتقل ساختن گرما به طرف دیواره های لوله تخلیه نقش سرد کردن CO2 را برعهده دارد.هم چنین با کاهش دادن جمعیت ترازهای پایین تر به افزایش کارایی بیشتر کمک می کند.

از ازت هم به این دلیل استفاده می شود که :اولین حالت تحریکی N2 تقریبا حدود 3/0الکترون ولت بالاتر از حالت پایه قرار دارد. N2 پس از تحریک در این حالت قرار می گیرد و قبل از بازگشتن بهحالت پایه از طریق گسیل خود به خودی با انتقال انرژی خود به مولکول دی اکسید کربن آن را تحریک می کند.

چنین لیزرهایی توانایی ایجاد گستره وسیعی از بسامد های فروسرخ را دارند

این باریکه ها در سیستم های مخابراتی نوری و رادارهای اپتیکی نیز کاربرد دارند و برای استفاده در سیستم های زمینی و فرازمینی بسیار مناسبند زیرا پرتو فروسرخ فقط اندکی پراکنده می شود یا جو آن را جذب می کند.

لیزر 50-100w برای جراحی با لیزر تا 500w برای حکاکی روی سرامیک ٬برش مواد غیر فلزی وجوشکاری فلزات با ضخامت چند میلی متر استفاده می شود.

طرح های مختلفی بسته به توان وکیفیت باریکه لیزر مورد نیاز ممکن است در ساخت لیزر به کار گرفته شودکه عبارتند از:

1- لیزر با محفظه بسته:

لیزرهای بسته به این معنی لست که در لیزری مانندهلیوم – نئون گازهای تحت تخلیه الکتریکی کاملا در لوله تخلیه قراردارند.مشکلی که برای این لیزرها و مخصوصا لیزر CO2 وجود دارد این است که در جریان تخلیه الکتریکی مولکول های CO2 به CO تبدیل می شوند.این واکنش خیلی سریع است و اگرتمهیداتی به کار گرفته نشود عمل لیزر پس از چند دقیقه متوقف می شود. برای آنکه لیزر به صورت محفظه بسته عمل کند حضور H2O به مقدار 1% در مخلوط گاز به تولید مجدد CO2 توسط واکنش زیر کمک خواهد کرد.

CO* + HO-> CO2*+H

در واقع چون اکسیژن در تخلیه به وجود می آید تنها افزودن هیدروژن به جای H2O به مخلوط گاز کافی خواهد بود.

سرد کردن گاز یکی دیگر از مشکلاتی است که توان کلی خروجی لیزر را به100 w محدود می کند طرح های لوله بسته خیلی مرسوم نیستند.

این لیزرها توانهای تولید 60 w/m را دارند از لیزر محفظه بسته 10 w برای جراحی میکرونی با لیزر استفاده می شود.

2-لیزربا جریان آهسته گاز:

این لیزر اولین نمونه لیزر CO2 است که در سال 1964 با توان کم ساخته شد. این لیزربالوله دوجداره ساخته می شود که در لوله مرکزی مخلوط گاز جریان دارد و در غلاف خارجی آب خنک عبور داده می شود.در لیزرهای پیوسته CO2 برای آنکه از جمعیت تراز پایینی لیزر کاسته شود الزامی است از افزایش جمعیت این ترازها از طریق تحریک حرارتی جلوگیری به عمل آیدبه همین خاطر جریان آب خنک از غلافی در اطراف لوله اصلی تخلیه عبور داده می شود.

دو مشکل تجزیه CO2 و سرد کردن را می توان با حرکت گاز در سرتاسر لوله برطرف نمود.

در این نوع لیزر محدودیت در افزایش توان خروجی وجود دارد و بیشینه توان خروجی این لیزر 50-60 w/m است.در واقع توان بهینه لیزر CO2 طولی با جریان آهسته گاز تنها به طول تخلیه بستگی دارد.

این نوع لیزر در جراحی لیزری برش سرامیک وصفحات برای صنعت الکترونیک بهکار برده می شود.

3-لیزر با جریان سریع گاز:

برای غلبه بر محدودیت در توان خروجی لیزر CO2 طولی با جریان آهسته گاز یک راه آن است که جریان گاز با سرعت بسیار زیاد فوق صوتی از لوله عبور داده شود.در این مورد گرما با خارج کردن مخلوطداغ گاز از محیط منتقل می شود . گاز منتقل شده را می توان توسط یک مبدل حرارتی سرد کرد و مجددا داخل لوله لیزر فرستاد.در این لیزر چگالی جریان بهنه وجود ندارد و توان خروجی لیزر با افزایش چگالی جریان افزایش می یابد. قدرت خروجی این نوع لیزر تقریبا یک کیلو وات بر متر است.

به جزسرد کردن مخلوط گاز ٬ قبل از اینکه مخلوط گاز سرد شده به داخل لوله لیزر فرستاده شود آن را از کاتالیزور مناسبی عبور می دهند تاCO تولید شده در تخلیه با اکسیژن ترکیب شده و مولکول CO2 مجددا تولید شود.

ایننوع لیزر CO2 با قدرت 1-3 KW برای برشکاری فلزی ضخامت چند میمل متر در صنعت به کار برده می شود.

  ماشینکاری با لیزر  

دستگاه لیزر شامل سه قسمت اصلی است:

1- ماده لیزر: منظور ماده ای است که در اثر تحریک و تشعشع اشعه لیزر تولید می کند

2- قسمت تولید تحریک و تولید معکوس جمعیت (مثال فلاش لامپها و تخلیه های الکتریکی)

3-سیستم موازی کننده اشعه: در دو طرف اتاقک لیزر دو آینه یکی کاملاً بازتابدهنده و دیگری با بازتاب دهندگی جزئی وجود دارند که بخشی از اشعه را ازخود عبور می دهد. این آینه ها با عبور دادن مرتب اشعه از داخل ماده لیزریک حالت خود انگیخته ایجاد می کنند.

هر اتم ماده لیزر دارای چندینسطح انرژی است که حداقل یکی از این سطوح نیمه پایدار است. با تحریک خارجیایجاد شده بسیاری از الکترونها جهش کرده و اتمها به صورت برانگیخته در میآیند. در حین برگشت الکترونها به لایه های اولیه، برخی در سطوح نیمهپایدار به دام می افتند. اگر تحریک به اندازه کافی باشد معکوسجمعیت(population inverse) اتفاق می افتد یعنی تعداد اتمهای نیمه پایداراز اتمهای پایدار بیشتر می شوند. اگر در یکی از این اتمهای نیمه پایدارالکترون از سطح نیمه پایدار به سطح اولیه خود بازگردد یک فوتون آزاد خواهدشد. اگر این فوتون آزاد شده از اتم نیمه پایدار دیگری عبور کند آن راتحریک کرده و آن اتم یک فوتون با همان سرعت و فاز و جهت فوتون اولیه ساطعمی کند که این دو فوتون یک موج اولیه را می سازند و با عبور از دورناتمهای دیگر آنها را تحریک کرده و شدت پرتو افزایش می یابد. چون ممکن استکه فوتون توسط یک اتم پایدار جذب شود و تنها اتم را برانگیخته کند و هیچفوتونی آزاد نشود، حالت معکوس جمعیت الزامی است.

وقتی که یک اتم از حالت تحریک شده که دارای انرژی است به سطح پایین تر انرژی می رسد یک کوانتوم با فرکانس منتشر می کند به صورت:

که h در این معادله ثابت پلانک است. اتم دیگری هم در صورت رسیدن این انتشار به آن می تواند انتشاری با فرکانس مشابه داشته باشد.

هر دو انتشار تحریک کننده و تحریک شده دارای جهت و قطبیت مشابه هستند. این مسئله اساس کار لیزر است.

برخیاز لیزرهای حالت جامد به صورت چهار مرحله ای کار می کنند. در اینجا یونهابا ارسال نور و رفتن به سطح چهارم انرژی تحریک می شوند. سپس آنها تا سطح سوم کاهش یافته و در مرحله بعد در خلال کاهش به سطح دوم اگر معکوس جمعیتبین دو سطح وجود داشته باشد عمل لیزر صورت گرفته و یونها به سطح اولیه انرژی خود باز می گردند. تنها درصد کمی از یونهای سطح خنثی انرژی لازم استکه تحریک شوند تا معکوس جمعیت اتفاق بیافتد این مسئله را با لیزر سه مرحلهای مقایسه کنید که در آنجا به تحریک 50% از یونها نیاز بود. در نتیجه سیستم های چهار مرحله ای به میزان پمپینگ (ارسال) بسیار کمتر نیاز داشته وآستانه لیزر آنها بسیار پایین تر است. یکی از اعضای معروف لیزرهای چهارمرحله ای یون است که از اجزای لیزرهای YAG (کریستالهای که در آنها کاشته شده) است.

در لیزرهای سه مرحله ای یک کاهش غیر رادیو اکتیو در سطح بالاتر انرژی رخ داده و عمل لیزینگ در خلال کاهش انرژی به سطح اولیه رخ میدهد که به نوبه خود باعث افزایش تعداد یونهای موجود در سطح بالاتر انرژی می شود. برای این امر باید حداقل 50% یونها به سطح بالاتر انرژی بروند تابا وجود حالت خنثی عمل معکوس جمعیت اتفاق بیافتد. این عمل لیزینگ سه گانه نیاز به ارسال های پر انرژی ایجاد شده به صورت پالسی را دارد.

1- لیزر یاقوت:

در این لیزر اکسید کروم ماده لیزر، نور سفید عامل تحریک کننده و کریستال یاقوت اتاقک تشدید کننده است.

2- لیزر NYAG:

(Neodymium ion in yttrium Aluminum Garnet)

توان آنها بین 100 تا 1000 وات است می توان با آن پالسهایی تا 10 کیلووات تولید کرد. مهمترین شاخصه آن طول موج کوتاه آن 06/1 میکرومتر است. میله لیزر یک تک کریستال از جنس YAG است که اتمهای نئوداییوم با دقت روی آن کاشت شده اند. این میله قابلیت عبور نور فلاش و فوتونهای تولید شده و در نتیجه تحریک اتمهای نئوداییوم را داراست. همگی اتاقک در یک محفظه آبگرد قرار دارد تا میله را خنک کرده و از شکسته شدن آن تحت حرارت جلوگیری کند. پالسهای جریان در لامپ تبدیل به پالسهای نور سفید می شوند و توسط مجموعه منعکس کننده به داخل میله رانده می شود و اتمهای نئوداییوم را جهت تولید خود به خودی اشعه تحریک می کند. اگر به صورت پالسی بکار برده شوند پیکهایی با قدرت بالا بوجود می آورند که ماشینکاری مواد با ضخامت بالا را هم ممکن می سازد. هر چه زمان پالسها کوتاهتر باشد برای ماشینکاری مواد نازکتر مناسب است.

3- لیزر دی اکسید کربن:

توانهای خروجی در حدود 5/0 تا 25 کیلووات است. مقدار کمی گازهای هلیم و نیتروژن به دی اکسید کربن اضافه می کنند تا طول موجهای زائد را گرفته و باعث تولید بیشتر فوتون شوند. برای تحریک هم از جریان یکنواخت DC استفاده می کنند. این لیزر برای برشکاری ظریف ورقها با سرعت مناسب است.

در باب مقایسه باید گفت که توان خروجی و بازده لیزر بیشتر ازNYAG بوده و قابلیت اعتماد و کار با آنها و بیشتر است. طول موج کمتر NYAG باعث می شود تا درصد بیشتری از انرژی جذب قطعه کار شود و همچنین باعث می شود تا لیزر را براحتی از طریق فیبر نوری انتقال داد. در چگالی توان و سرعت برابر عمق نفوذ NYAG به دلیل جذب بیشتر توسط قطعه، بیشتر است.

میزان انعکاس پرتو به عواملی چون طول موج انتشار لیزر و شرایط و خواص ماده از جمله میزان پرداخت سطح، میزان اکسید شدن سطح و دمای آن بستگی دارد. به طور مشخص بازتاب دهندگی بالای برخی مواد در طول موجهای مشخص آنها را برای ماشینکاری نامناسب می کند. .به طور عمومی هر چه طول موج پرتو بیشتر شود میزان بازتاب دهندگی ماده نیز افزایش می یابد.

انرژی لیزری که منعکس نمی شود به داخل ماده جذب می شود. جذب نور در فلزات با یک اثر نوری- الکتریکی داخلی اتفاق می افتد که الکترونهای موجود در باند رسانش فلزات را به سطوح انرژی بالاتر می برد. اکنون میانگین زمان (Mean Free Time) بین برخوردها برای الکترونهای رسانایی به تا ثانیه می رسد. بدین صورت در یک نانوثانیه الکترونها تا

برخورد بین خود انجام خواهند داد. به دلیل اینکه این زمان در مقایسه با کوتاهترین زمان پالس لیزر بسیار کوتاه است ، انرژی جذب شده توسط الکترونها از پرتو لیزر به سرعت به شبکه کریستالی انتقال می یابد.

هدایت گرمای ناشی از لیزر به داخل قطعه یک اثر بی نهایت پیچیده است. به همین دلیل هیچ تئوری مناسبی برای هدایت گرمای ناشی از ماشینکاری لیزر ارائه نشده است.

تغییر متالورژیکی اصلی که در قطعات ماشینکاری شده با لیزر رخ می دهد در ناحیه HAZ است. پس در این صورت باید منطقه HAZ را در خلال ماشینکاری با لیزر با کنترل فاکتورهای مختلف کوچکتر کنیم. افزایش سرعت و کاهش توان لیزر منجر به این امر می شود. وانگ و همکاران در ماشینکاری ورق فولادی پوشش دار با لیزر به این نکته رسیدند افزایش فشار اکسیژن منجر به بزرگتر شدن HAZ می شود. در ماشینکاری تیتانیوم و آلیاژهای آن به این نکته می رسیم که حداقل HAZ زمانی به دست می آید که انرژی پالس متوسط، فرکانس پالسها بالا، سرعت برش بالا و گاز کمکی آرگون پر فشار باشد، در حالی که استفاده از گاز اکسیژن به عنوان گاز کمکی HAZ بزرگتری را نسبت به نیتروژن و آرگون می دهد. در ماشینکاری لیزر آلیاژهای آلومینیوم دیده می شود که با افزایش عمق سوراخ ایجاد شده HAZ بزرگتری خواهیم داشت. در ورقهای ضخیم سوپر آلیاژهای نیکل هر چه ضخامت و انرژی پالس کمتر باشد HAZ کوچکتر می شود در حالی که در این مورد فرکانس پالسها تقریباً بی تأثیر است. ژنگ و همکاران بیان می کنند که در برش با لیزر پالسی، طول موج کم با عرض پالس کم HAZ کوچکتری را در مقایسه با طول موج بلند همراه با عرض پالس بزرگ می دهد. در سوراخکاری سوپر آلیاژ TBC نیکل با لیزر NYAG می بینیم که هر چه زاویه پرتو نسبت به سطح بیشتر می شودHAZ، لایه دوباره منجمد شده و ضخامت لایه اکسیدی کمتر می شود البته این روند تا ادامه دارد و بعد از آن تقریباً به یک حالت ثابت می رسیم.

با توجه به اینکه بخش عمده ماده در خلال LBM با بیرون رانی مذاب برداشته می شود، مذابی که از حفره خارج نمی شود دوباره منجمد شده و یک لایه دوباره منجمد شده را روی دیواره ها و در ته حفره تشکیل می دهد که خواص آن به طور کلی با ماده پایه متفاوت است. پس هدف اینست که این لایه به حداقل رسانده یا حذف کنیم. در سوراخکاری آلیاژهای با پایه نیکل و تیتانیوم ضخامت این لایه ها در قسمت شروع سوراخ بیشترین است. مطالعه پارامترها نشان داده که با افزایش فرکانس و انرژی پالس ضخامت لایه کم می شود در حالی که افزایش ضخامت ماده تأثیر منفی بر این امر می گذارد. تأثیر زاویه پرتو روی ضخامت لایه دوباره منجمد شده مشابه تأثیر آن بر روی HAZ است به طوری که در برش با لیرز ورقهای سرامیکی ضخیم زاویه و فاصله بهینه ای وجود دارد که به طور کلی لایه دوباره منجمد شده را حذف می کند.

در حالت ذوب، سوختن و دمش از گاز اکسیژن یا مخلوطهایی شامل گاز اکسیژن استفاده می کنیم که علاوه بر ذوب ماده وقتی به دمای سوختن می رسیم اکسیژن با مذاب ترکیب شده و تشکیل اکسید در سطح می دهد سپس توسط دمش ایجاد شده لایه اکسیدی به سمت پایین شیار رانده شده و مذاب را همراه با خود خارج می شود. اگر سرعت حرکت لیزر کمتر از سرعت اکسید شدن باشد، اکسید فرصت یافته و به سمت کناره ها گسترش می یابد در نتیجه لایه ای از اکسید در لبه لرش مشاهده می شود.

شکست در اثر تنشهای گرمایی در مواد شکننده اتفاق می افتد به این صورت که با تاباندن لیزر در یک محدوده کوچک و ایجاد تنشهای گرمایی، انبساط و تنشهای کششی متعاقب را به دنبال خواهد داشت. اگر ترکی در منطقه مورد نظر وجود داشته باشد باعث تمرکز تنش شده و ترک در جهت نقطه لیزر شروع به رشد می کند. سرعت، دقت و کیفیت سطح بسیار عالی است. در نزدیکی لبه ها نحوه اشاعه ترک بسیار پیچیده می شود و کمی کنترل مشکل می شود. تنها مشکل ایجاد پروفیلهای بسته مانند آینه بغل اتومبیل است زیرا سرعت اشاعه مستقیم ترک بدون توجه به جهت زیاد است. انرژی مورد نیاز آن پایین است.

به این صورت است که شیارها و یا سوراخهایی سراسری یا محدود در قطعه ایجاد می کنیم همین اندازه که قطعه را ضعیف کند و با نیروی مکانیکی جدا کردن را انجام دهیم. منطقه HAZ بسیار کوچکی داشته و پالسهای با توان بسیار بالا برای تبخیر آنی یک نقطه استفاده می کنیم ولی انرژی مورد نیاز در کل کم است.

در این فرایند از لیزر Excimer توان بالا استفاده می شود که در محدوده ماوراء بنفش است. انرژی فوتون ماوراء بنفش در حد انرژی پیوند بیشتر مواد آلی است پس می تواند این پیوندها را بشکند. اگر جریان فوتونها به اندازه کافی باشد می تواند برشی را در ماده ایجاد کند. به خصوص در پزشکی برای برداشتن تومورها این شیوه جدید بسیار جذاب شده است.

چنانکه در بالا نیز ذکر شد بازده ماشینکاری با لیزر در صورت استفاده از گاز کمکی اکسیژن بهبود می یابد. این تکنیک بر پایه استخراج واکنشهای گرماده شیمیایی است که در یک مشعل اکسی استیلن کامل در برش فلزات اتفاق می افتد. با این تأثیر گفته شده، ذوب و اکسید شدن اولیه با گرمای بوجود آمده توسط شعله اتفاق می افتد. با گرمای آزاد شده ناشی از فرایند اکسید شدن و با جاری شدن جریان گاز که اکسید را از ناحیه تحت برش می زداید، برش اتفاق می افتد.

در شکل هم می بینیم که استفاده از گاز خنثی کیفیت سطح را بهبود بخشیده اما نرخ براده برداری را کاهش داده و هزینه را افزایش می دهد.

دو پارامتر مهم در LBM که کیفیت سطح ماشینکاری را تعیین می کند عرض برش/ قطر سوراخ و شکل گیری مخروط است. با توجه به طبیعت همگرا- واگرای لیزر تقریباً همیشه حالت مخروطی وجود خواهد داشت. آزمایشاتی با سه گاز متفاوت اکسیژن، نیتروژن و آرگون در فشار بالا انجام داد و به این نکته رسید که در برش با لیزر عرض شیار برش با افزایش چگالی توان لیزر و کاهش سرعت برش، افزایش می یابد. همچنین به این مطلب رسید که هوا و اکسیژن نسبت به گاز خنثی عرض برش بیشتری را تولید می کنند. برای لیزر NYAG یافته اند آنها همچنین دریافتند که با افزایش فرکانس عرض شیار برش کمتر می شود.

در لیزر پالسی NYAG زمانهای پالس کوتاه تر میزان مخروطی شدن کمتری را در شیار برش نتیجه می دهند. عرض شیار برش کمتر یا قطر کمتر سوراخ میزان مخروطی شدن را کم می کند.

در جوشکاری با لیزر فولاد HSLA برای ورقهای با ضخامت کم (1.5 میلی متر) اگر کانون لیزر روی سطح ورق باشد کمترین عرض شیار برش را خواهیم داشت این مسئله برای ورقهای ضخیم (3.5 میلی متر) زمانی است که کانون لیزر را در درون ورق تنظیم کنیم. باندیوپادهیای همکاران هم بیان کرده اند که قطر سوراخ و زاویه مخروط برای مواد مختلف متفاوت است و با کاهش ضخامت افزایش می یابند. زاویه مخروط با افزایش فرکانس پالس کاهش می یابد در حالی که انرژی پالس هیچ اثری را روی مخروط نشان نمی دهد.

زبری سطح با افزایش سرعت برش و فرکانس و همچنین با کاهش توان لیزر و فشار گاز، کاهش می یابد. همچنین نیتروژن صافی سطح بهتری نسبت به اکسیژن می دهد. در یک سرعت بهینه زبری سطح حداقل بوده و در این حالت توان لیزر تأثیر بسیار کمی روی زبری سطح داشته و تقریباً روی خط بندی سطح بی تأثیر است. اینکه استفاده از نیتروژن به عنوان گاز کمکی و شدت کمتر توان لیزر میزان زبری سطح را کاهش می دهد. برش لیزر پالسی نتایج بهتری نسبت به حالت پیوسته می دهد.

شرایطی که "optical piping" نامیده می شود که پروفیل سوراخ را تغییر داده که به طور مکرر در سوراخکاری ظاهر می شود. این اثر با عمیق تر شدن سوراخ به دلیل انعکاسهای داخلی پدیدار می شود. به طور معمول کانون لیزر روی سطح سوراخ متمرکز می شود. متعاقباً نور در ورودی سوراخ واگرا می شودو به وسیله دیواره ها منعکس می شود که باعث زاویه برخورد کوچک می شود. در پاشنه سوراخ زاویه برخورد معمولی است و بیشتر نور در نواحی قبلی جذب شده است. حداکثر عمق قابل دستیابی سوراخ به دلیل از دست رفتن انرژی در حین انعکاس از دیواره ها کاهش می یابد البته کاهش اندازه دهانه هم بر روی این امر تأثیر گذار است.

سعی می شود که پرتو لیزر را دباره در هر پالس دوباره متمرکز کنند تا عمق سوراخ بدست آمده افزایش یابد. (چون از انعکاس پرتو به وسیله دیواره ها تا حدی جلوگیری می کند)

اثر دیگر زیان آور، تولید بخار و دود در داخل حفره است که انرژی لیزر را بیش از فلز جذب می کند. در نتیجه سوراخ کم عمق و سطحی بدست می آید. برای اجتناب از این مشکل و رسیدن به قطر و عمق مشخص سوراخ نیاز است که از پالسهای متوالی استفاده کنیم. گاگلیانو و همکاران همچنین بیان می کنند که استفاده از لیزر پالسی سطح انرژی لازم برای رسیدن به سوراخ ایده آل را کاهش داده و میزان مخروطی شدن را هم کم می کند. با توجه به علاقه زیاد به سوراخکاری با لیزر لازم است که مکانیزم به خوبی شناسایی شود. گاگلیانو و همکاران به این نتیجه رسیده اند در حالت مشخص استفاده از موج شوکی که به صورت غیر جهت دار به داخل ماده انتشار می یابد میزان ماده برداشته شده را بیشتر می کند.

ماشینکاری هایی که ترکیب از دو یا چند ماشینکاری هستند توجه زیادی را به خود جلب کرده است و در ماشینکاری های نوین مواد مهندسی کاربردی شده است. این فرایندها به منظور بهره برداری از امتیازات و حذف کردن مضرات ماشینکاری های تکی گسترش داده شده اند. عمدتاً کارکرد ماشینکاری مرکب بهتر از مجموع کارکرد همان فرایندها به صورت تکی و با تنظیمات مشابه است. در فرایندهای مرکب علاوه بر کارکرد تک تک فرایندها، فوایدی ناشی از اثر متقابل فرایندها بر هم دیگر هم بوجود می آید. بیشتر فرایندهای ماشینکاری مرکب با ترکیب فرایندهای ماشینکاری سنتی و غیر سنتی با LBM و USM پدید آمده اند.

لیزر به عنوان منبع انرژی (انرژی گرمایی) در ترکیب با فرایندهای تراشکاری و فرزکاری و سنگ زنی جهت نرم کردن ماده قطعه کار به کار برده می شود. در تراشکاری همراه با لیزر، پرتو لیزر برای گرم کردن قسمت ماشینکاری نشده جلو ابزار بر روی این قسمت متمرکز می شود. اضافه شدن گرما باعث نرم شدن لایه سطحی مواد مشکل زا در تراشکاری شده و تغییر شکلها از حالت شکننده به تغییرشکل نرم در حین برش تبدیل می شود. این فرایند باعث نرخ براده برداری بیشتر همراه با کیفیت سطح و دقت ابعادی بهتر می شود. اساساً این فرایند باعث کم شدن سایش ابزار و هزینه ماشینکاری به دلیل کاهش ساعت کاری ماشین و اپراتور به ازای هر قطعه می شود.

ترکیب LBM با سایر فرایندهای ماشینکاری غیر سنتی از نظر کیفیت ماشینکاری هم مفید است. اولتراسونیک همراه با لیزر (UALBM)، ماشینکاری الکتروشیمیایی همراه با لیزر (LAECM)، ماشینکاری تخلیه الکتریکی همراه با لیزر (LAEDM) و اچ کردن همراه با لیزر (LAE) نمونه هایی از این نوع ترکیبها هستند. ژنگ و هوانگ دریافتند که هر دوی نسبت شکل ( عمق به قطر) و پرداخت سطح دیواره میکرو سوراخها در حالت ترکیب لیزر-اولتراسونیک به نسبت لیزر به تنهایی، بهبود یافته اند. همچنین یو دریافت که در سوراخکاری لیزر-اولتراسونیک ضخامت لایه دوباره منجمد شده (recast layer) بسیار کمتر از سوراخکاری با لیزر است. در LAECM پرتو لیزر، انحلال الکتروشیمیایی را شتاب بخشیده و منطقه ماشینکاری را در حد چند میکرون موضعی متمرکز می کند که باعث افزایش دقت و بهره وری می شود. لی و آچارا دریافتند که ماشینکاری با لیزر-شیمیایی (ماشینکاری لیزر در محلول نمک) ناحیه تحت تأثیر از گرما و ضخامت لایه دوباره منجمد شده را - نسبت به حالت ماشینکاری لیزر در هوا- کم کرده و همزمان نرخ براده برداری را افزایش می دهد.

لی و همکاران LBM و EDM را به صورت متوالی جهت میکرو سوراخکاری نازلهای سوخت رسانی استفاده کرده اند. آنها ابتدا لیزر را برای ایجاد میکرو سوراخها بکار برده و سپس از EDM برای لبه دار کردن (rimming) میکرو سوراخهای ایجاد شده استفاده کردند. آنهابه این نکته رسیدند که این ترکیب لایه دوباره منجمد شده و ناحیه تحت تأثیر از گرما ناشی از سوراخکاری با لیزر را حذف می کند و همچنین 70% از زمان سوراخکاری را نسبت به سوراخکاری با EDM کاهش می دهد. فرایندهای اچ کردن شیمیایی و الکتروشیمیایی جهت متمرکز و موضعی شدن اچینگ با لیزر ترکیب شده که این کار توانایی برداشتن مواد به صورت انتخابی را ممکن می کند.