لیزرهای CO2، اسب کار صنعتی

چهار دهه پیش، اولین استفاده صنعتی از لیزر برای حفاری از طریق الماس یا قالب های سیم کشی بود. از همان ابتدا، لیزر به بخشی جدایی ناپذیر از فناوری مرسوم در بسیاری از کارخانه های تولید تبدیل شده است. در خط مقدم آن انقلاب لیزر CO2 بوده است که امروزه ابزاری متنوع و پیچیده است.

در این مقاله از شرکت پرسناژ با ما همراه باشید تا شما عزیزان را با لیزرهای CO2، اسب کار صنعتی کاربردها و مزایای آن بیشتر آشنا کنیم.

در سه دهه پس از معرفی، لیزر CO2 به موتور کار لیزرهای صنعتی تبدیل شده است. امروزه در طیف وسیعی از طرح ها و اندازه ها با توان خروجی 20 کیلو وات و بیشتر موجود است. اگرچه لیزر CO2 بار صنعتی را با لیزر Nd:YAG تقسیم می کند، اما این دو برای کاربردها و روش های مختلف پردازش استفاده می شوند. این تقسیم کار تا حدی به دلیل مزایای پردازش متفاوتی است که هر کدام از آنها دارند و تا حدی به دلیل سنت.

لیزرهای CO2عمدتاً برای برش استفاده می‌شوند، اما کاربردهای جوشکاری به لطف معرفی منابع پرتو پرقدرت مقرون‌به‌صرفه که قادر به نفوذ عمیق‌تر و سرعت پردازش بالاتر هستند، بیشترین پتانسیل را برای نرخ رشد دارند. علاوه بر این، موانع در راه معرفی جوشکاری لیزری در فرآیندهای صنعتی منتخب در حال از بین رفتن هستند.

آشنایی با لیزرهای CO2، اسب کار صنعتی

یک نگاه نزدیکتر

لیزرهای CO2 در 10.6 میکرومتر ساطع می کنند و بازده الکتریکی تقریباً 10 تا 15 درصد دارند. مخلوط گاز آنها عمدتاً از هلیوم برای اطمینان از اتلاف گرما تشکیل شده است، اما همچنین حاوی دی اکسید کربن، محیط فعال لیزری و نیتروژن است که در آن تخلیه گاز انرژی لازم برای تحریک را ایجاد می کند.

در پردازش مواد، اتلاف گرما (85 تا 90 درصد انرژی الکتریکی ورودی) معمولاً با مبدل‌های حرارتی حاصل می‌شود که از طریق آن‌ها گاز از طریق توربین‌ها، دمنده‌ها یا فن‌های متقاطع پمپ می‌شود. این لیزرها را می توان به عنوان انواع جریان محوری و متقاطع و با هندسه تشدید کننده مشخص کرد: تاشو یک یا چندگانه در یک مربع یا یک مثلث.

برای لیزرهای جریان محوری و متقاطع، یک منبع مداوم گاز تازه برای حفظ بازده کافی برای عملکرد بهینه مورد نیاز است. لیزرهای بدون جریان، که در آنها مخلوط گاز لیزر در حفره تخلیه تنها با روش‌های هدایت حرارتی خنک می‌شود، عموماً در توان‌های نسبتاً کم استفاده می‌شوند.

پر بازدیدترین مقالات ما را در این بخش دنبال نمایید
تیوب لیزر co2
انواع دستگاه لیزر co2
دستگاه لیزر co2

لیزر دی‌اکسید کربن پرقدرت خنک‌شده با انتشار، به‌اصطلاح لیزر اسلب، به دلیل طیف وسیعی از مزایای طراحی اولیه، نوید جایگزینی لیزرهای گازی جاری را در بسیاری از کاربردها می‌دهد. از همین طرح برای لیزرهای اسلب کم مصرف استفاده می شود که تنها تفاوت آن در لوله شارژ گاز مهر و موم شده است.

طبقه بندی بیشتر نوع انرژی ورودی را منعکس می کند. در لیزرهای جریان مستقیم (DC)، انرژی الکتریکی مستقیماً توسط الکترودهای فلزی با گاز جفت می شود که بین آنها تخلیه گاز رخ می دهد. در لیزرهای جریان محوری، این تخلیه در جهت جریان رخ می دهد.

در لیزرهای جریان متقاطع، به طور کلی عمود بر جریان گاز و محور تشدید کننده رخ می دهد. لیزرهای DC را می توان به صورت اقتصادی تولید کرد و بازده کلی نسبتاً بالایی را به دست آورد، که آنها را به اقتصادی ترین انتخاب برای کاربردهای مختلف تبدیل می کند.

لیزرهای CO2، اسب کار صنعتی چیست

تحریک RF

یکی دیگر از ابزارهای انتقال انرژی الکتریکی به گاز فرکانس رادیویی (RF) است. در اکثر لیزرهای RF، تخلیه عمود بر محور تشدید کننده است. با تعدیل توان، چنین لیزرهایی را می توان در محدوده توان گسترده تنظیم کرد و با تکرارپذیری بالا پالس کرد. نقطه ضعف - کاهش راندمان کلی - قابل قبول است، به ویژه برای توان های برش لیزر (بیش از 2 کیلو وات) که سایش الکترود لیزرهای DC منجر به افزایش کار خدمات می شود.

ژنراتورهای قدیمی RF از یک نوسانگر که فرکانس رادیویی را تولید می کند و یک لوله تقویت کننده تشکیل شده است. ژنراتورهای مدرن به عنوان خود نوسان ساز طراحی شده اند و فقط از یک لوله تقویت کننده RF تشکیل شده اند. به دلیل سادگی، در مقایسه با ژنراتورهای نوسانگر/تقویت کننده، ژنراتورهای RF قابلیت اطمینان بیشتری را با تعمیر و نگهداری کم ارائه می‌کنند و بازدهی تحریک بالاتری را با هزینه‌های عملیاتی کم به دست می‌آورند.

طرح های تشدید کننده برای لیزر CO2

طرح های تشدید کننده  بر اساس نوع مسیر پرتو طبقه بندی می شوند. اگر نور فقط از طریق یک آینه نیمه شفاف بتواند از حفره خارج شود، به آن از نظر نوری پایدار می گویند. اگر آینه‌های تشدیدکننده کاملاً بازتابنده باشند و به‌طور هندسی طراحی شده باشند که نور بتواند از یکی از آینه‌ها عبور کند، به آن از نظر نوری ناپایدار می‌گویند.

پایداری حرارتی رزوناتورهای پایدار نوری توسط اثرات حرارتی آینه خروجی محدود می شود، به ویژه برای لیزرهای پرقدرت با قطر پرتوهای کوچک. در این حالت می توان از تشدید کننده های ناپایدار استفاده کرد، اما حساسیت آنها به ناهماهنگی می تواند منجر به اتلاف توان قابل توجهی شود.

از آنجایی که تشدید کننده های نوری ناپایدار را می توان به راحتی با هندسه محیط فعال لیزری برانگیخته تطبیق داد، این مفهوم در طراحی لیزرهای دال CO2 به کار گرفته شد. در ترکیب با یک پنجره الماس پایدار حرارتی که پرتو را از طریق محفظه تشدید کننده منتقل می کند، آینه های سطحی خنک شده ساخته شده از مواد رسانای حرارتی پایداری حرارتی بالا را حتی برای شدت پرتوهای بالای لیزر دال تضمین می کنند.
اگر در مسیر پرتو بین آینه‌های تشدید کننده آینه‌هایی وجود داشته باشد، به لیزر رزوناتور تا شده گفته می‌شود. این پیکربندی منبع پرتو فشرده‌تری تولید می‌کند و به قطبش مشخصی دست می‌یابد.

احتیاط ها

طراحی لیزر CO2 باید از این قانون پیروی کند: هر چه قطر پرتو بزرگتر باشد، فشار حرارتی روی سیستم نوری کمتر می شود. این باعث طولانی شدن عمر می شود. از حداقل آینه ممکن در رزوناتور استفاده کنید زیرا طراحی های ساده تر هزینه سرمایه گذاری، عملیات و خدمات را کاهش می دهد.

لیزرهای CO2 که در آنها گاز عمود بر محور تشدید کننده جریان دارد، به عنوان لیزرهای جریان متقاطع توصیف می شود. در این طرح، یک جریان گاز نسبتاً آهسته گرما را از حفره تخلیه بزرگ خارج می کند. توان نوری را می توان فقط بین دو آینه تاشو در یک تشدید کننده چند تا شده تولید کرد. بنابراین، لیزرهای پرقدرت فشرده با قیمت مناسب، که قدرت پرتو و کیفیت پرتو آنها (مولتی مد، K> 0.14) برای اکثر کاربردهای جوشکاری ایده آل است، می توانند به این روش تولید شوند.

جدا از مناسب بودن آنها برای کاربردهای جوش لیزری، لیزرهای CO2 جریان متقاطع دارای مزایای زیر هستند:

• سیستم گردش گاز لیزر از لوله های شیشه ای کوارتز استفاده نمی کند که معمولاً هر 8000 تا 10000 ساعت باید تعویض شوند.
• هزینه های عملیاتی در مقایسه با لیزرهای جریان محوری با توان خروجی مشابه به دلیل مصرف کم انرژی و گاز پایین است.
• طراحی ساده آنها فقط شامل چند جزء در معرض سایش است. علاوه بر این، دمنده های مماس با سرعت پایین، قابلیت اطمینان خوبی را تضمین می کنند، که در خطوط تولید خودکار مهم است.

اکثر لیزرهای CO2 از اصل جریان محوری سریع استفاده می کنند زیرا کیفیت پرتو لازم را برای اکثر برنامه های برش فراهم می کند. در این تکنیک، تخلیه در لوله‌ای اتفاق می‌افتد که از طریق آن مخلوط گاز با سرعت بالا جریان می‌یابد، بنابراین از حذف موثر گرما اطمینان حاصل می‌شود.

برای رسیدن به این جریان بالا معمولاً از دمنده های ریشه ای، دمنده های شعاعی یا توربین ها استفاده می شود  چندین بخش عملکردی را می توان به صورت اپتیکال در یک سری به هم متصل کرد تا توان تشدید کننده را افزایش دهد، در حالی که در عین حال ویژگی های طراحی هر بخش (یعنی پایداری تخلیه و شرایط جریان) را حفظ کرد. به این ترتیب می توان لیزرهایی با عناصر اولیه یکسان برای توان پرتوهای مختلف مونتاژ کرد.