Diagrama de los láseres de dióxido de carbono

Este artículo proporciona diagramas esquemáticos de los láseres de dióxido de carbono (CO 2 ).

El láser industrial más útil para soldar y cortar es el láser de CO 2, en el que el medio láser es una mezcla de dióxido de carbono, nitrógeno y helio en una proporción típica de 1: 1: 10 a una presión de 20-10 torr con una corriente eléctrica. Descarga de 10-30, 000 voltios.

El láser de CO 2 puede tener un tubo sellado de gas o gas que fluye dentro del tubo. El principio del gas que fluye aumenta la salida de potencia en aproximadamente 3 veces la del material de láser de tipo de tubo sellado. El láser de CO 2 puede operar en modo de onda pulsada o continua y se ha desarrollado para entregar una salida que varía desde unos pocos cientos de vatios a más de 20 KW. El rayo láser producido está en la región infrarroja lejana del espectro a una longitud de onda de aproximadamente 10, 6 µm (106000 Å).

El flujo de gas en un láser de CO 2 puede ser a lo largo del eje del rayo láser o transversal a él a una presión de operación de 80 torr o menos, aunque el rayo láser de CO 2 pulsado se haya producido a la presión atmosférica. Con ambos tipos de flujo de gas, se utiliza un espejo totalmente reflectante en un extremo y un transmisor parcial, para una longitud de onda de 10.6 µm, en el otro extremo para que actúe como una ventana de salida. El material semiconductor recubierto como el seleniuro de zinc (ZnSe) se utiliza como ventanas de salida para láseres de CO 2 de hasta varios kilovatios de salida. Sin embargo, dichos materiales se queman a niveles de potencia más altos y, por lo tanto, se utiliza un espejo de metal anular para facilitar la transmisión.

En la Fig. 14.22 se muestra un diagrama esquemático de un láser de CO 2 de 150 vatios.

Los gases premezclados se alimentan continuamente al tubo que forma la cavidad del láser. El tubo de descarga se enfría con agua y se mantiene un potencial de CC de aproximadamente 10 KV entre los electrodos. En cada extremo del tubo de descarga hay un espejo ajustable unido a través de un fuelle flexible al tubo. Un espejo que consiste en oro depositado en pyrex o acero inoxidable se refleja totalmente a 10-6 µm, mientras que el espejo que forma la ventana de salida tiene un recubrimiento dieléctrico depositado sobre un sustrato de germanio.

Para los láseres de CO 2 de alta potencia, el tubo de descarga consiste en una serie de tubos colocados en una configuración paralela con una disposición para el plegado óptico de la luz a través y hacia atrás de las reflexiones. Los láseres de flujo axial lento pueden producir una salida máxima de alrededor de 500 vatios debido a que el 75 - 90% de la energía de descarga se disipa en el gas, lo que resulta en su sobrecalentamiento y descomposición, con la consiguiente caída de la producción.

Para una salida más alta, el gas es conducido a través del tubo láser a alta velocidad por un soplador; Esto reduce la pérdida de calor a las paredes a una cantidad insignificante. Mientras que un láser de flujo axial lento proporcionará alrededor de 50 a 70 vatios por metro de cavidad láser, el láser de flujo axial rápido puede generar hasta 600 vatios por metro.

Operación láser a gas:

En un láser de dióxido de carbono, las moléculas de CO 2 son excitadas vibracionalmente por una descarga eléctrica a través de la cavidad del láser. La excitación vibratoria directa del CO 2 por una descarga eléctrica es ineficiente. Sin embargo, el N 2 acepta la energía de manera efectiva de la descarga y los niveles de energía vibracional de las moléculas de N 2 y algunas de esas moléculas de CO 2 están muy cerca. Es por eso que se agrega N 2 al CO 2 y, por lo tanto, el CO 2 se excita mediante el intercambio de energía resonante con N 2 . Este proceso de dos pasos es mucho más rápido y eficiente que el proceso de excitación directa de CO 2 .

La transición del estado de energía vibracional superior al nivel intermedio se acompaña de la emisión de un fotón con una longitud de onda característica de 10-6 µm en la zona infrarroja del espectro de radiación. Las moléculas de CO 2 en el nivel de energía intermedia deben regresar al nivel del suelo para completar el proceso.

Esto se logra rápidamente agregando helio a la mezcla de CO 2 - N 2 ; porque la colisión entre las moléculas de CO 2 y He resulta en la transferencia de energía de excitación residual al helio. Esta energía se elimina luego como calor residual. El proceso de emisión de láser por la caída de CO 2 y N 2 a través de diferentes niveles de energía se muestra en la Fig. 14.23.

Al igual que en los láseres de estado sólido, los láseres de gas también pueden funcionar estableciendo la condición de inversión de la población que se logra a través de la descarga luminiscente de alto voltaje. Pero la descarga incandescente da como resultado una inestabilidad a niveles de corriente superiores a 300 mA y si la descarga incandescente cambia a la descarga por arco, se establecen las condiciones termodinámicas y no puede producirse el láser.

Esto se puede evitar en sistemas de alta potencia mediante ionización auxiliar mediante el uso de energía eléctrica de radiofrecuencia a altos voltajes. Sin embargo, los láseres actuales de CO 2 de alta potencia funcionan únicamente con una descarga eléctrica de CC sin el uso de ionización auxiliar.

Los láseres de CO 2 excitados eléctricamente de alta potencia de hasta 20 KW de salida continua con una eficiencia del 10-15% se enfrían por convección; Se usa un flujo rápido de gases para eliminar el calor de la cavidad del láser. Para minimizar los costos operativos, se usa un intercambiador de calor de gas a líquido y los gases del láser se recirculan en el sistema como se muestra para un láser de flujo axial de CO2 en la figura 14.24. Solo se consume una pequeña cantidad de gas debido a la necesidad de remover y reabastecer continuamente una pequeña cantidad de la mezcla de gas láser para evitar la acumulación de contaminantes generados por la disociación de CO 2 y N 2 en las descargas eléctricas.

Los láseres de CO 2 pueden funcionar en los modos de onda pulsada (PW) y onda continua (CW).

Potencia pulsada:

Con el láser de haz pulsado, la penetración de la soldadura está determinada por la energía y la duración del pulso. La penetración aumenta con el aumento de la energía del pulso y la duración. La duración del pulso debe ser lo suficientemente larga para permitir la conducción y la fusión a la profundidad deseada. Como la potencia del haz se controla mediante la energía y la duración del pulso, la densidad de energía en la superficie de trabajo se controla mediante la óptica de enfoque.

La penetración en la soldadura por haz de impulsos también se rige por las propiedades del material. Para una energía y duración del pulso dadas, cuanto mayor sea la difusividad térmica, menor será la penetración. El haz láser de alta potencia, que es un haz con una energía de pulso alta y una duración de pulso corta, se considera apropiado para los materiales con alta difusividad térmica y el inverso es cierto para los materiales de baja difusividad térmica.

La penetración máxima alcanzable con el láser de estado sólido pulsado de hoy en día es de solo 1 a 5 mm y, por lo tanto, el proceso se puede usar de manera efectiva solo para materiales de calibre ligero. La relación entre las variables de proceso para los láseres pulsados ​​de baja capacidad, cuando se usan para soldar acero inoxidable, titanio y aluminio se presentan en forma gráfica en la figura 14.25.

Hay disponibles láseres de CO 2 que pueden producir picos de pulsos de 3 KW a una frecuencia de hasta 2-5 KHz desde una unidad de potencia promedio nominal de 500 vatios.

Poder continuo:

El rayo láser de potencia continua se obtiene de los láseres de gas. Dichos láseres de baja potencia pueden utilizarse para la penetración basada en conducción de tipo convencional, mientras que el modo de penetración de ojo de cerradura solo se puede obtener con láseres de alta potencia, a una velocidad de soldadura de más de 40 cm / min. Se puede obtener una penetración de aproximadamente 20 mm en acero de aleación con un láser de CO 2 de haz continuo de 15 KW. Las secciones más pesadas se pueden soldar en dos pasos, uno de cada lado.

En los láseres de alta potencia, existe una posibilidad de ionización del vapor de metal que puede llevar a la formación de plasma por encima de la superficie de la pieza que puede absorber el rayo láser con la consiguiente reducción de la profundidad de penetración. Esto generalmente se evita haciendo que el gas de helio fluya sobre el lugar para barrer los iones que causan la formación de plasma.

Los láseres de gas que se utilizan para soldar son actualmente todos los 10.6 láseres de CO 2 de longitud de onda, ya que han demostrado ser los más eficientes y producir la mayor potencia. Sin embargo, el láser Nd: YAG con sus ciertas características específicas es en la actualidad el láser industrial más utilizado para la soldadura.