عملکرد دستگاه لیزر

عملکرد دستگاه لیزر

در این مقاله با عملکرد دستگاه لیزر و بخش های مختلف ان بیشتر اشنا خواهید شد.

۱.۱ عملیات موج پالسی و پیوسته

یک جوش می تواند به عنوان یک نقطه منفرد یا یک جوش درز ایجاد شود. خروجی لیزری که این جوش ها را ایجاد می کند می تواند به یکی از دو روش به دست آید:

• لیزر پالسی مجموعه‌ای از پالس‌ها همچون بسته‌های مجزای انرژی، در عرض پالس و فرکانس مشخص تا زمانی توقف تولید می کند. توصیفگر پالس به لیزری اطلاق می شود که می تواند اوج توانی بیشتر از توان متوسط آن تولید کند. لیزر موج پیوسته (CW) خروجی طولانی‌تری تولید می‌کند – لیزر به طور مداوم تا زمان توقف روشن می‌ماند. به عنوان مثال، لیزر Nd:YAG پالس 25 واتی می تواند حداکثر توان تا 5 کیلو وات را برای چند میلی ثانیه تولید کند. این بدان معنی است که می تواند یک جوش نقطه ای ایجاد کند که به لیزر CW به اندازه 5 کیلو وات نیاز دارد! با لیزرهای پالسی یک جوش درز توسط یک سری جوش های نقطه ای روی هم ایجاد می شود. برای یک جوش مداوم، لیزر برای مدت زمان درز روشن می ماند.
• لیزر CW همچنین می‌تواند پالس‌های مجزای نور لیزر را تولید کند که به عنوان خروجی دروازه‌دار یا مدوله‌شده شناخته می‌شوند. در این حالت پیک توان لیزر CW از میانگین توان نامی لیزر تجاوز نمی کند. لیزر Nd:YAG فقط در حالت پالس عمل می کند. لیزرهای دیود در موج پیوسته کار می کنند. و لیزرهای فیبر می توانند در هر دو حالت کار کنند.

انتخاب زمان استفاده از خروجی پالس، موج پیوسته یا مدوله شده توسط برنامه خاص تعیین می شود. جوش نقطه ای معمولاً از عملیات پالسی استفاده می کند. برای جوشکاری درز، انتخاب بر اساس حرارت ورودی و زمان چرخه انجام می شود. به عنوان مثال، هنگام جوشکاری درز یک دستگاه قابل کاشت، از لیزر پالسی برای به حداقل رساندن حرارت ورودی و حفظ یک جوش یکنواخت در اطراف یک هندسه پیچیده با سرعت‌های مختلف جوش استفاده می‌شود. در مقابل، برای آغازگرهای کیسه هوا، جوشکاری با سرعت بالا با استفاده از عملیات CW مطلوب است.

برای دریافت اطلاعات بیشتر می توانید به مقاله مرجع به زبان اصلی رجوع کنید.

۲.۱پایداری قدرت لیزر

بطور اختصاصی در جوشکاری میکرو، حجم جوش کوچک به این معنی است که تغییرات کوچک در توان ورودی منجر به تغییرات بزرگ در جوش می شود. ثبات توان لیزر به قطعه کار برای هر جوش مهم است. به طور معمول، لیزرها برای پایداری توان ± 3 درصد در محدوده دمای عملیاتی لیزر مشخص می شوند. اگر دمای محیط اطراف لیزر را بتوان در محدوده ± 1-2 درجه سانتیگراد کنترل کرد، می توان پایداری توان را تا محدوده 1± درصد بهینه کرد.

شایان ذکر است که دستگاه‌های اندازه‌گیری که برای اندازه‌گیری توان لیزر استفاده می‌شوند با دقت 3 ± درصد مشخص شده‌اند، بنابراین در صورت نیاز به پایداری کمتر و اندازه‌گیری باید دقت شود.

برای لیزرهای پالسی Nd:YAG، توان خروجی ثابت با استفاده از بازخورد توان زمان واقعی که در طول پالس جوش اتفاق می‌افتد به دست می‌آید تا اطمینان حاصل شود که پالس تحویلی دقیقاً با پالس مورد نیاز مطابقت دارد.

شکل زیر نشان می‌دهد که چگونه بازخورد توان حلقه بسته برای لیزر Nd:YAG، پالس عرضه‌شده را قادر می‌سازد تا دقیقاً با پالس مورد نیاز مطابقت داشته باشد، صرف نظر از طول عمر لامپ یا دیود. علاوه بر این، در شروع یک قطار پالس، لیزر پالسی بدون فیدبک گاهی اوقات می تواند ناسازگاری را نشان دهد.

۳.۱ طول موج

برای اکثر کاربردهای جوشکاری فلز، طول موج عامل مهمی نیست. بسیاری از جوش ها را می توان بر روی مواد مختلف با استفاده از طول موج حدود 1 میکرون انجام داد. استثناء این مس است. مس و برخی آلیاژهای مس آنقدر به طول موج 1 میکرون منعکس می شوند که جوشکاری بسیار دشوار است. چگالی توان بسیار بالا برای غلبه بر بازتابی مورد نیاز است. با این حال، هنگامی که جذب اتفاق می افتد، ممکن است قدرت بیش از حد وجود داشته باشد، که می تواند منجر به دمیدن جوش شود.

انعکاس ناسازگار مس نیز یک مسئله است. همان قطعه می تواند واکنش متفاوتی به پالس های متوالی داشته باشد که ممکن است قطعه را جوش ندهند، یا سوراخ نکنند. برای کاربردهای جوشکاری درز، لیزر فیبر تک حالته ممکن است بتواند بر بازتاب مس غلبه کند. با این حال، این منبع لیزری برای کاربردهای جوشکاری ریز مناسب نیست زیرا می تواند قطعه را به شدت بیش از حد گرم کند.

پایداری قدرت لیزر

بطور اختصاصی در جوشکاری میکرو، حجم جوش کوچک به این معنی است که تغییرات کوچک در توان ورودی منجر به تغییرات بزرگ در جوش می شود. ثبات توان لیزر به قطعه کار برای هر جوش مهم است. به طور معمول، لیزرها برای پایداری توان ± 3 درصد در محدوده دمای عملیاتی لیزر مشخص می شوند. اگر دمای محیط اطراف لیزر را بتوان در محدوده ± 1-2 درجه سانتیگراد کنترل کرد، می توان پایداری توان را تا محدوده 1± درصد بهینه کرد.

شایان ذکر است که دستگاه‌های اندازه‌گیری که برای اندازه‌گیری توان لیزر استفاده می‌شوند با دقت 3 ± درصد مشخص شده‌اند، بنابراین در صورت نیاز به پایداری کمتر و اندازه‌گیری باید دقت شود.

۴.۱ افزایش قدرت

رمپینگ توان به استفاده از افزایش توان لیزری در شروع جوش یا کاهش قدرت لیزر در انتهای جوش اشاره دارد. Ramp down بیشتر مورد استفاده قرار می گیرد. برای آب بندی لیزری هرمتیک و جوش درز، زیرا باعث کاهش صاف نفوذ جوش یا انتقال از سوراخ کلید به جوش رسانا می شود، یا برای جلوگیری از آخرین پالس یا ترک انتهای درز به دلیل نرخ انجماد بالا.

مفهوم جوشکاری لیزری همچنین می تواند در هنگام جوشکاری درز قطعات کوچک، به ویژه جوش های محیطی، که در طول فرآیند جوشکاری قطعه را گرم می کنند، گسترش یابد. حفظ قدرت یکسان در تمام مدت درز باعث افزایش نفوذ در امتداد درز می شود زیرا لیزر قطعه را از قبل گرم می کند. می توان از افزایش قدرت برای جبران این اثر استفاده کرد، با تنظیم سطح شیب دار قدرت برای مطابقت با میزان حرارتی قطعه به طوری که قطعه بیش از حد گرم نشود و نفوذ در امتداد درز ثابت باشد.

برای مشاهد دستگاه های مرتبط با این مقاله کلیک کنید.

لیزر در واقع چگونه کار می کند؟

چه لیزر در یک تشدید کننده CO2 یا حالت جامد ایجاد شود، نور بسیار تقویت شده اکنون یا از طریق آینه ها و عدسی ها به سمت مسیر پرتو (سیستم های CO2) یا از طریق یک سیم فیبر نوری به سر برش در دستگاه هدایت می شود. سپس مجدداً متمرکز شده و با چنان شدتی به ماده تحویل داده می شود که باعث تبخیر مواد زیر آن می شود. با کمک گازهای فشار بالا (معمولاً O2 یا NO2) که مستقیماً به اطراف دمیده می شوند و پرتو لیزر، “گرد و غبار” فلزی تبخیر شده به سرعت از مواد حذف می شود و تنها یک سطح مذاب صاف و تمیز باقی می ماند. به طور معمول هر چه توان وات یک تشدید کننده بیشتر باشد، روند حذف مواد سریعتر می شود.

اتصال این سیستم لیزری با یک سیستم حرکتی بسیار دقیق و پاسخگو، این امکان را به لیزر می دهد که در هر نقطه ای از دستگاه در عرض چند میلی ثانیه به نرمی و تمیزی برش مواد مانند فولاد، آلومینیوم، برنج، مس و بسیاری از آلیاژهای این دستگاه ارسال شود. مواد سایر مواد از جمله پلاستیک و چوب را نیز می توان برش داد، اما لیزر با شدتی می سوزد که اگر مراقب نباشید می تواند باعث سوختن برخی از مواد شود. 

چه ویژگی های لیزر در واقع عملکرد را بهبود می بخشد؟

عملکرد در برش لیزری را می توان به یکی از دو روش اندازه گیری کرد: سرعت و توان. با این حال باید توجه داشته باشید که در بسیاری از مواقع، مانند هر نوع تولیدی، افزایش یک فرآیند تولید به سادگی می تواند گلوگاه فروشگاه شما را به سمت پایین حرکت دهد. اگر قرار است قطعات شما بعداً در جوشکاری، مونتاژ، شکل‌دهی پرس بریک یا مواردی از این دست پردازش شوند، برش لیزری سریع‌تر ممکن است باعث اتلاف هزینه شود زیرا دستگاه شما این فرآیندهای دیگر را خیلی سریع بارگیری می‌کند و بقیه زمان را بیکار می‌کند. با در نظر گرفتن این چشم انداز، اگر عملکرد برش لیزری هنوز هم باید موارد زیر را در نظر بگیرید: 

1. قدرت بالاتر – افزایش وات در فرآیند برش لیزری شما سرعت را افزایش می دهد. در انتهای پایین طیف افزایش سرعت حاشیه ای است. در انتهای بالای طیف افزایش سرعت قابل توجه است. در حالی که در حال حاضر برش لیزری با کیفیت به ضخامت‌های 1 تا 3/16 اینچ (ST, SS, AL) با تشدیدگر حالت جامد 6 کیلو وات محدود شده است، افزایش قدرت فراتر از آن سرعت برش خطی را تا حد زیادی افزایش می‌دهد در مقایسه اخیر بین 6KW و 12KW در ⅜ اینچ SS افزایش 150 درصدی نسبت به 6 کیلووات بود. 
2. اتوماسیون – همانطور که قبلاً ذکر کردیم، برش سریع قطعات لیزری فقط بخشی از معادله است. بخش دیگر و احتمالاً بزرگتر از معادله این است که مواد بر روی دستگاه و خارج کردن آن به همان اندازه کارآمد است که اگر ماشینی به مدت 5 تا 10 دقیقه بیکار بماند و منتظر مواد بماند، بی معنی است که یک ورق را در 2-3 دقیقه برش دهد. تخلیه شود و مواد جدید دوباره بارگیری شود. اضافه کردن یک سیستم بارگیری/ تخلیه بار یا بارگذار تغذیه برج می تواند عملکرد کلی برش لیزر را به میزان قابل توجهی بهبود بخشد. 

معایب افزایش عملکرد در برش لیزر چیست؟

معایب دستیابی به بالاترین بهره وری در برش لیزری هزینه، فضا و گرما است. حرکت به یک سیستم برش لیزری 8، 10 یا 12 کیلووات قطعاً سرعت را در تجزیه و تحلیل مقایسه‌ای صفحه‌گسترده بهبود می‌بخشد، اما هزینه‌های مربوط به این واحدها می‌تواند به میزان قابل‌توجهی افزایش یابد، به اندازه دو برابر شدن قیمت سیستم لیزری شما. همچنین مشخص است که برخی از تولیدکنندگانی که از این سیستم‌های پرقدرت استفاده می‌کنند، در خنک نگه داشتن سرهای برش به اندازه کافی برای جلوگیری از آسیب‌هایی که منجر به خرابی‌ها و تعمیرات اغلب پرهزینه می‌شود، مشکل دارند که هر گونه بهره‌وری را از بین می‌برد. فضا نیز یکی از ملاحظات اصلی است زیرا افزودن یک سیستم بارگذاری/ تخلیه بار ساده می‌تواند فضای مورد نیاز سیستم اصلی را دو برابر کند و اغلب انعطاف‌ناپذیر است و بعداً اعمال آن دشوار است.