تحویل پرتو لیزر به ناحیه جوش

 چگونه پرتو لیزر به ناحیه جوش تحویل داده می شود؟

تحویل پرتو لیزر

تمام لیزرهای بین 532 تا 1070 نانومتر لیزر را با استفاده از کابل فیبر نوری انعطاف پذیر به ناحیه جوش تحویل می دهند. سهولت تحویل فیبر لیزر در سیستم های جوش لیزری کلید در دست را تا حد زیادی تسهیل می کند. به طور معمول طول فیبر تحویل بین 5 تا 10 متر (متر) است، اگرچه بسته به نوع لیزر مورد استفاده می تواند تا 50 متر نیز برسد. این امکان موقعیت یابی انعطاف پذیری لیزر را فراهم می کند که می تواند به ویژه برای خطوط تولید خاص مفید باشد.

لیزرهای پالس Nd:YAG و لیزرهای دایود از فیبرهای تحویلی استفاده می‌کنند که می‌توانند مستقیماً جدا شده و در صورت آسیب در لیزر جایگزین شوند. برای برخی از لیزرهای فیبر، کابل تحویل مستقیماً به فیبر لیزر متصل می شود – در این مورد اگر فیبر تحویل آسیب دیده باشد، کل لیزر فیبر باید برای تعمیر برگردانده شود.

می توان به طور متناوب  از یک جفت کننده فیبر خارجی (همانطور که در شکل نشان داده شده است) و همچنین دیگر معماری های لیزر فیبر مدولار استفاده کرد که با طراحی از این مشکل جلوگیری می کنند. اگر از کوپلر نوری یا لیزر فیبر ماژولار استفاده می شود، فقط فیبر فرآیند/تحویل باید تعویض شود که می تواند در محل تکمیل شود. توجه داشته باشید که لیزر تک حالته را فقط می توان با فیبر تحویل مستقیماً روی فیبر لیزر استفاده کرد.

تمام لیزرهای حالت جامد را می توان با استفاده از کابل های فیبر نوری انعطاف پذیر به ایستگاه کاری تحویل داد. شکل یک Nd:YAG پالسی را با فیبر سیم پیچ و سر فوکوس نشان می دهد. نوک کابل تحویل فیبر نوری در عکس سمت راست نشان داده شده است. قسمت نورانی هسته است که قطر آن اندازه نقطه فوکوس را به همراه اپتیک در سر فوکوس تعیین می کند.

برای دستگاه های مرتبط با این مقاله و اطلاعات بیشتر کلیک کنید.

• سهم زمان و سهم انرژی

یک لیزر منفرد می‌تواند خروجی‌های متعددی داشته باشد، که می‌تواند از یک سر جوش در چندین ایستگاه کاری یا چندین سر جوش در یک ایستگاه کاری واحد پشتیبانی کند. این خروجی های متعدد از لیزر را می توان به صورت متوالی یا همزمان شلیک کرد. شلیک متوالی به عنوان سهم زمانی و شلیک همزمان به عنوان سهم انرژی شناخته می شود. به اشتراک گذاری پرتوهای متعدد از یک لیزر می تواند بهره وری و مزایای هزینه را ارائه دهد.

استفاده از زمان یا سهم انرژی می تواند از نظر مالی بسیار جذاب باشد زیرا هزینه های لیزر را می توان با افزایش راندمان استفاده جبران کرد. اشتراک انرژی ( نمودار سمت چپ) پردازش همزمان را ارائه می دهد، در حالی که اشتراک زمان (نمودار سمت راست) پردازش سریالی را ارائه می دهد.

• فوکوس هد

فوکوس هدها خروجی  فیبر تحویل لیزر را از  روی قطعه کار هدایت و متمرکز می کند. شکل شماتیک یک سر فوکوس 90 درجه را نشان می دهد که در آن اتصال فیبر افقی و جهت فوکوس عمودی است. دو پیکربندی از این سر وجود دارد: پرتو واگرا یا پرتو همسو.

پرتو واگرا از یک فیبر متصل، QBH، LLK-Q یا نوع دیگری ناشی می شود. در این مورد، اولین اپتیک در سر فوکوس، لنز کولیمینگ است که لیزر واگرا را به نور تقریباً موازی/موازی تبدیل می‌کند. یک بازتابنده 90 درجه که به عنوان دو رنگ شناخته می شود، لیزر را از طریق لنز فوکوس به سمت پایین هدایت می کند.

نمودار سمت چپ زاویه راست یا سر فوکوس 90 درجه با فیبر واگرا را نشان می دهد. نمودار سمت راست زاویه راست یا سر فوکوس 90 درجه را با فیبر همسو نشان می دهد.

اگر لیزر با یک کولیماتور ثابت خاتمه یابد، لنز کولیماتور در سر فوکوس مورد نیاز نیست. اگر بتوان از قطر پرتو حاصل از کولیماسیون ثابت استفاده کرد، دیگر نیازی به اپتیک نیست. با این حال، اگر قطر پرتو ثابت نیاز به اصلاح داشته باشد، می توان یک بازکننده پرتو اضافه کرد.

اپتیک نهایی در هد فوکوس، اسلاید پوششی است که از لنز فوکوس در برابر گرد و غبار و پاشش محافظت می کند. اسلاید کاور یک ماده مصرفی است که باید مرتبا بررسی شود و در صورت نیاز تعویض شود. تجمع بیش از حد گرد و غبار و زباله بر روی لغزش پوشش در نهایت منجر به جذب نیرو و کاهش توانی که به قطعه می رسد می شود و در نهایت جوش را تحت تاثیر قرار می دهد.

آینه دو رنگ به کار رفته در سر فوکوس دارای پوششی است که لیزر را منعکس می کند اما اجازه عبور نور مرئی را می دهد. این امکان استفاده از یک دوربین درون خطی نصب شده روی سر فوکوس را فراهم می کند که دید مستقیمی از ناحیه جوش ارائه می دهد. این مفید است زیرا می تواند برای تأیید فوکوس، تراز دستی قطعات، تراز بینایی قطعات، و به عنوان ابزاری برای بازرسی جوش استفاده شود.

• اندازه نقطه متمرکز نوری

کانکتور واگرا

برای لیزرهای تحویلی فیبر با پرتوهای واگرا از فیبر تحویل، اندازه لیزر متمرکز با سه عامل تعیین می‌شود: قطر هسته فیبر تحویلی، فاصله کانونی لنز کولیماسیون، و فاصله کانونی لنز فوکوس در سر فوکوس.

اساساً، قطر هسته فیبر توسط هد فوکوس تصویر می شود، بنابراین نسبت فاصله کانونی فوکوس به فاصله کانونی تطبیق، نسبت بزرگنمایی هسته و اندازه نقطه متمرکز بعدی را تعیین می کند.

کانکتور کولیماتور

برای حالت همسانی، اندازه نقطه نوری با استفاده از معادله فضای آزاد تعیین می شود:

اندازه نقطه متمرکز = 1.22 M2F/D

کجا = طول موج (m)

M2 = فاکتور کیفیت پرتو لیزر

F = فاصله کانونی فوکوس نوری (m)

D = قطر پرتو لیزر در فوکوس نوری (m)

انتخاب اندازه نقطه نوری

در نگاه اول، انتخاب اندازه نقطه نوری دشوار به نظر می رسد زیرا با در نظر گرفتن ترکیبات احتمالی قطر فیبر هسته و اپتیک سر فوکوس، تقریباً تعداد بی نهایت اندازه نقطه نوری ممکن وجود دارد. در واقعیت، انتخاب معمولاً ساده است. بسیاری از کاربردهای میکرو جوشکاری پالسی از اندازه نقطه نوری از 0.008-0.02 اینچ (0.2-0.5 میلی متر) استفاده می کنند. در کاربردهای جوشکاری بسیار ظریف معمولاً از اندازه های نقطه ای در حدود 0.004 اینچ (0.1 میلی متر) استفاده می شود.

این شکل انتخاب مناسب اندازه نقطه را نشان می دهد. برای جوشکاری نفوذی، اندازه نقطه معمولی حدود 0.015-0.03 اینچ (0.25-0.75 میلی متر) است. برای جلوگیری از مشکلات پاشش بیش از حد روی اسلاید پوشش باید از فواصل کانونی بلندتر – حدود 8-10 اینچ (250-300 میلی متر) استفاده شود.

مبانی تحویل پرتو

بین منبع لیزر و سر فوکوس، پرتوهای لیزر صنعتی ممکن است از طریق اپتیک بازتابنده یا فیبر نوری ارسال شوند. روش تحویل بستگی به نوع لیزر و قدرت درگیر دارد. لیزرهای CO2 عموماً به یک سری اپتیک های بازتابنده نیاز دارند، در حالی که بسیاری از لیزرهای حالت جامد – از جمله دیسک، فیبر، و همچنین انواع YAG پمپ شده با دیود و لامپ فلاش – ممکن است از طریق یک فیبر نوری تحویل به سر فوکوس حرکت کنند.

فقط به این دلیل که لیزر حالت جامد است، به طور خودکار آن را از طریق فیبر برای همه کاربردها قابل تحویل نمی‌کند. به عنوان مثال، برخی از لیزرهای پرقدرت YAG که برای کاربردهای حفاری در بازار هوافضا استفاده می‌شوند، از آینه‌های استاندارد برای ارسال پرتو، مانند لیزرهای گازی، استفاده می‌کنند. انرژی پرتو و اوج قدرت برای تحویل فیبر نوری معمولی بسیار زیاد است.

برای لیزرهایی که از اپتیک بازتابنده استفاده می کنند، چندین عنصر به رساندن پرتو به سر (یا هد) متمرکز کمک می کنند. یک پرتو خم کن از آینه های خنک شده برای هدایت پرتو لیزر 90 درجه از مسیر اصلی خود استفاده می کند. همچنین کمی تنظیم می شود تا پرتو را درست برای مرحله بعدی سفر تنظیم کند.

شاتل پرتو در اصل یک آینه متحرک است. هنگامی که به پرتو معرفی می شود، پرتو لیزر را به یکی از چندین مسیر می فرستد. در یک سیستم دو مسیره، یک شاتل تیر در بالای مسیر پرتو قرار می گیرد. برای تغییر مسیر، شاتل پرتو به داخل حرکت می کند تا پرتو را قطع کند و آن را به یک مسیر جایگزین می فرستد. هنگامی که شاتل دوباره جمع می شود، پرتو به مسیر قبلی خود باز می گردد. یک سیستم می‌تواند چندین پرتو شاتل داشته باشد، اگرچه فقط تا سه پرتو معمولی است. پرتوها ممکن است به فضاهای کاری مختلف یا در برخی موارد به یک دستگاه تشخیصی ارسال شوند.

شاتل ها و خم کن ها نمی توانند یک پرتو را به چند مکان به طور همزمان بفرستند. به عبارت دیگر، آنها پرتو را نمی شکافند، فقط جهت آن را تغییر می دهند. برای ارسال پرتو لیزر گازی به چندین منطقه به طور همزمان، تقسیم کننده های پرتو نقش دارند. اینها مستلزم اپتیکی هستند که فقط 50 درصد بازتابش دارد، تقریباً شبیه به یک آینه دو طرفه یا عینک آفتابی آینه ای. چنین نوری دارای پوشش های ویژه ای است که به نیمی از توان پرتو لیزر اجازه عبور می دهد، در حالی که قدرت پرتو باقی مانده را در جهت جدیدی منعکس می کند. این بدان معناست که 50 درصد از توان پرتو در یک مسیر پرتو منعکس می شود و 50 درصد به سمت مسیر دیگر منعکس می شود.

بسیاری از تقسیم‌کننده‌های پرتو برای پردازش قطعات معمولاً با فاصله نیم متر یا کمتر از یکدیگر استفاده می‌کنند. اسپلیتر به یک منبع انرژی لیزر اجازه می دهد تا انرژی را به دو هد فوکوس بفرستد که اغلب قسمت های یکسان را پردازش می کنند. راه اندازی مقرون به صرفه است زیرا لیزر با دو برابر قدرت دو برابر گران نیست. به عبارت دیگر، تقسیم یک منبع انرژی لیزر می تواند هزینه کمتری نسبت به خرید دو لیزر کامل داشته باشد. چنین تنظیمات دوقلو اساساً می توانند عناصر یک سیستم حرکتی را به اشتراک بگذارند، که همچنین از دو سیستم جداگانه ارزان تر است.

در لیزرهای ارائه شده با فیبر نوری، بیشتر تقسیم پرتو در منبع انرژی، زمانی که انرژی پرتو وارد فیبرهای تحویل می شود، رخ می دهد. این امر ارسال انرژی پرتو به چندین منطقه کاری را بسیار ساده می کند.