Estructura de Nd: YAG Laser (Con Diagrama)
Después de leer este artículo, aprenderá acerca de la estructura del láser Nd: YAG con la ayuda de diagramas adecuados.
Un láser Nd: YAG consiste en un resonador que refleja y transmite espejos y una fuente de alimentación, como se muestra esquemáticamente en la Fig. 14.26.
El resonador o cavidad óptica del láser Nd: YAG consiste en una lámpara de explosión, una barra láser, un reflector y espejos. La barra láser es un granate de aluminio itrio (YAG) que consiste en un cristal isométrico Y 3 A 15 O 12 implantado con iones de neodimio (Nd) cuidadosamente distribuidos al 1%. Este cristal fue desarrollado por Geusic et al en 1962. Su conductividad térmica es 10 veces mayor que la del vidrio. La oscilación continua es posible con YAG.
Los iones Nd 3+ forman el medio oscilante para proporcionar una acción de láser de cuatro niveles típica en los láseres de estado sólido. Los cuatro niveles de energía designados E 0 a E 3 y una transición de láser de iones Nd 3+ se muestran en la Fig. 14.27. Incluso si la concentración de iones Nd 3+ en el cristal aumenta, el espectro de la luz oscilante no se vuelve amplio, porque la valencia y el radio iónico de Nd 3+ no son muy diferentes de los de Y 3+ .
Entre los láseres de estado sólido, Nd: YAG es ahora el más popular para su uso en soldadura. Los láseres de rubí anteriores eran más populares, pero ahora el láser Nd: YAG se usa más ampliamente en la industria debido a las buenas características térmicas de los cristales de YAG. La figura 14.28 muestra esquemáticamente las características esenciales de una unidad de soldadura láser Nd: YAG.
La fuente de alimentación de la unidad láser Nd: YAG genera pulsos de corriente de la amplitud y duración deseadas y los alimenta a una lámpara de arco eléctrico o una lámpara de flash en espiral. El primero se utiliza para la onda continua oscilante (CW) y el último para la luz de onda pulsada (PW). La varilla YAG y la lámpara de excitación se instalan en la cavidad de un espejo reflector. La forma de la cavidad es un cilindro elíptico o un elipsoide doble; En la Fig. 14.29 se muestran algunas de las cavidades típicas utilizadas en la práctica.
La luz máxima se bombea a la varilla del láser con la ayuda del ensamblaje del reflector, lo que estimula a los iones Nd para que produzcan un rayo láser por emisión espontánea y estimulada. La excitación pulsada de la varilla láser da como resultado la generación de un pulso de luz láser esencialmente de la misma duración de pulso que el pulso actual de la fuente de alimentación. Aunque los láseres de onda continua Nd: YAG también se han desarrollado, pero en la actualidad no se utilizan ampliamente para la soldadura.
La capacidad de controlar los parámetros de pulso actuales permite controlar la profundidad, el perfil y la apariencia de la penetración de la soldadura. Las duraciones típicas del pulso para un láser de soldadura Nd: YAG oscilan entre 0, 5 y 20 m por segundo y la tasa de repetición entre 5 y 500 hertzios.
Diámetro del punto del rayo láser y Número f :
Los diámetros del haz de salida del láser aumentan con la potencia del láser, por ejemplo, los láseres de 1, 5, 10 y 25 kw tienen diámetros de haz del orden de 10, 25, 40 y 70 mm respectivamente. La densidad de potencia promedio en los diámetros es del orden de 6 a 13 W / mm 2 ; la concentración real de potencia se distribuye de acuerdo con el modo de haz (ver Fig. 14.17 A). Para la soldadura de ojo de cerradura por rayos láser, se requieren densidades de potencia del orden de 10 3 a 10 5 W / mm 2, lo que requiere el enfoque del haz láser en un punto muy pequeño de solo una fracción de mm de diámetro.
El tamaño del punto enfocado está determinado por los diámetros del rayo láser, la distancia focal de la óptica de enfoque utilizada, el modo del rayo y el ángulo de divergencia del rayo (el ángulo de divergencia es el ángulo al que se propaga el rayo láser casi paralelo al dejar el láser).
Los láseres de soldadura Nd: YAG generalmente tienen ángulos de divergencia de haz más grandes que los láseres de CO 2 y, por lo tanto, no pueden enfocarse a tamaños de puntos muy pequeños sin utilizar un colimador colocado antes de la lente de enfoque (es decir, un telescopio en reversa).
El tamaño aproximado del punto enfocado para estos láseres generalmente se calcula a partir de la siguiente fórmula:
Diámetro del punto focalizado = 2θF… (14.1)
dónde,
θ = el ángulo de divergencia (radianes) del rayo láser cuando sale del láser o colimador,
F = la distancia focal (mm) de la lente de enfoque utilizada.
Aunque el diámetro del punto enfocado es un parámetro importante, pero desde un punto de vista práctico, el número de enfoque apagado es más útil para establecer condiciones de soldadura tolerantes donde el número f se define como una relación de la distancia focal de la óptica de enfoque (F) al diámetro del rayo láser ( D), es decir,
Enfoque f número = F / D ... (14.7)
El diámetro del haz incidente, Fig. 14.30, se puede establecer para los láseres Nd: YAG mediante la toma de una impresión fotográfica.
A menos que la velocidad de soldadura sea primordial, es mejor elegir el tamaño de punto enfocado para la soldadura en función del número f de 4 para los lásers Nd: YAG y 7.5 para los láseres de CO 2 .
Tamaño de punto enfocado, profundidad de enfoque y posición de enfoque:
Para lograr la densidad de potencia requerida para la soldadura de agujero de cerradura (10 3 a 10 5 W / mm 2 ), lo más importante es la selección y el mantenimiento del tamaño del punto enfocado. Esto requiere una selección adecuada de ópticas de enfoque que determinen el tamaño del punto de enfoque.
Cuando se enfoca la luz, los rayos convergen a un diámetro de cintura muy pequeño, d, y una longitud, L, Fig. 14.30, antes de volver a desviarse. El diámetro exacto de la cintura y la longitud alcanzados dependen del tipo de óptica; su longitud focal, F; el diámetro del haz, D, incidente en la óptica, ya sea que el haz incidente esté convergiendo o divergiendo; el número TEM del haz; La longitud de onda de la luz y la potencia del láser.
Gases de protección :
Se utiliza un gas protector en la soldadura láser para proteger el metal fundido de la oxidación y para proteger la transmisión del rayo láser cuando se trata de enfocar el trabajo que garantiza una buena penetración al minimizar la expansión del haz y la dispersión que puede ser causada por vapores y gases. alrededor de la cerradura de soldadura.
Los gases de protección comunes utilizados para la soldadura por láser son argón, CO2, helio y OFN (nitrógeno libre de oxígeno). Sin embargo, con bastante frecuencia, se pueden realizar soldaduras de punto único satisfactorias con láser Nd: YAG sin gas protector, porque la soldadura se funde durante un tiempo demasiado corto para causar un daño oxidante.
Pero al realizar una costura continua o soldaduras a tope con puntos superpuestos, Ar o OFN se usa generalmente para láseres con capacidad de hasta 300 W. Por encima de este nivel de potencia, el blindaje de gas se vuelve más crítico y puede afectar la profundidad y apariencia de la penetración.
Para los láseres Nd: YAG que operan en el rango de potencia de 1 kW, el problema del control de penetración se resuelve mediante el uso de Ar + 20% CO 2 o Ar + (1-2)% O 2 como gas protector, aunque sea una ligera oxidación de El metal de soldadura puede ser causado por ellos. El helio también se puede usar con el láser Nd: YAG, pero se informa que causa más porosidad en la soldadura que con el uso de OFN.
El caudal de gas necesario depende principalmente de la potencia del láser. Por ejemplo, un gas (baja velocidad de 10 a 20 lit / min. Será suficiente para un láser de hasta 3 kW de capacidad. Cuando se utiliza un dispositivo de protección de tubo lateral o coaxial colocado correctamente. Con potencias de 3 a 5 kW, velocidades de 15 a 30 lit / min, y para aquellos entre 5 y 10 kW se sugieren velocidades de 25 a 40 lit / min.
Dispositivos de protección de gas:
Para la soldadura con láser Nd: YAG, generalmente se usa un simple dispositivo de protección de tubo lateral, como se muestra en la figura 14.31, especialmente cuando se requieren soldaduras por puntos colocadas con precisión. Esto se debe a que el tubo lateral proporciona un buen acceso visual al área objetivo para la soldadura por puntos.
Al realizar soldaduras continuas de costura y a tope, un protector de faldón anular coaxial con el rayo láser, que se muestra en la figura 14.32, proporciona una protección confiable de la soldadura. Sin embargo, el dispositivo de protección de boquilla coaxial, que se muestra en la figura 14.33, es más práctico cuando el robot láser manipula la pistola láser. También proporciona al portaobjetos de la cubierta óptica cierta protección contra posibles salpicaduras de soldadura, ya que la fuerza de la corriente de gas coaxial se opondrá parcialmente a cualquier partícula que se desplace por la trayectoria del haz.
Establecimiento de condiciones para los láseres Nd: YAG:
La soldadura de ojo de cerradura generalmente no es posible con los láseres Nd: YAG con una potencia de salida inferior a 500 W. A potencias promedio bajas (400 W) y la sincronización de pulso relacionada de 4-8 m seg, la profundidad de penetración generalmente se limita al tamaño del diámetro del punto que Es del orden de 0.5—1 mm.
Los láseres Nd: YAG de alta potencia (> 800 W) con un tiempo de pulso de, por ejemplo, 2 m, y una frecuencia de repetición de pulso alta de 500 Hz, pueden producir soldaduras tipo ojo de cerradura con una alta relación de aspecto de profundidad y ancho. Sin embargo, en este nivel de potencia, las soldaduras más profundas, con una relación de aspecto reducida, se lograrían con longitudes de pulso más largas y tasas de repetición superiores a 25 Hz. Existe una tendencia en la formación de la forma de soldadura que se produce cuando el ancho del pulso y la tasa de repetición se ajustan en relación con la potencia del láser, como se muestra en la Fig. 14.34.
Se informa que se puede lograr una soldadura continua de 0.5 mm de profundidad a una velocidad de soldadura de más de 3 m / min. a una frecuencia de repetición de pulsos de 500 Hz cuando se utiliza una potencia media de 1 KW. Para realizar soldaduras estrechas y profundas a altas velocidades, se requieren anchos de pulso cortos. Sin embargo, se debe tener cuidado al usar pulsos cortos (<1 m, véase) y alta potencia (por ejemplo, 1 kW), ya que puede producirse un socavado de la soldadura a través de la vaporización excesiva y la expulsión del material.
Configuración conjunta :
Además de las juntas mostradas en la Fig. 14.21, la soldadura con láser Nd: YAG se puede aplicar a la mayoría de las configuraciones básicas de juntas en placas y tuberías, como se muestra en la Fig. 14.35, mientras que la Fig. 14.36 muestra las uniones básicas de chapa metálica que pueden ser láser. soldada
Fig. 14.36 Las configuraciones básicas de juntas de chapa metálica que pueden soldarse con láser
En la Fig. 14.37 se muestran algunas configuraciones de juntas típicas que ayudan al rayo láser a acceder a la junta y a la ubicación de la pieza; Estos son prácticos para diseñar en espesores de 3 mm o más. Dichas juntas se prestan para la fabricación de equipos de precisión y máquinas herramienta y, si se aplican con cuidado, junto con la baja distorsión que ofrece la soldadura láser, pueden reducir al mínimo el margen de mecanizado posterior a la soldadura.
Rendimiento del equipo:
Es posible que una cavidad de láser con falla óptica o de medio láser pueda producir la potencia de láser requerida pero con una estructura de modo de haz distorsionada o diferente, afectando así el tamaño del punto de enfoque y, por consiguiente, la densidad de potencia de soldadura. El envejecimiento de las lámparas de flash Nd: YAG puede crear ese problema.
Los analizadores de haz láser se utilizan para examinar la forma de la sección transversal de los rayos láser y sus estructuras de modo. Un dispositivo de este tipo se puede utilizar para verificar las características del haz durante la operación de soldadura y, por lo tanto, proporciona un método de aseguramiento de la calidad con respecto al haz láser. Algunos analizadores muestran solo una imagen bidimensional del perfil del haz, sin embargo, los analizadores más recientes tienen la capacidad de mostrar, con la ayuda de gráficos de computadora, una imagen isométrica tridimensional, como se muestra en la Fig. 14.38.
Manipulación del rayo láser:
El láser Nd: YAG es muy versátil en lo que respecta a la manipulación del haz y también cuando se requiere un láser para trabajar en múltiples estaciones de trabajo. Esto se debe al hecho de que la longitud de onda corta de 1, 06 mm del láser Nd: YAG se puede transmitir a través de una fibra óptica con muy poca pérdida de potencia. Esta habilidad significa que el rayo láser puede viajar directamente desde la unidad láser a través de un cable flexible hasta una pistola láser montada en la muñeca articulada de un brazo de robot, Fig. 14.39, sin una pérdida significativa de energía.
Esto hace que el láser Nd: YAG sea ideal para la automatización de la producción. Además, el láser se puede colocar a cierta distancia de la línea de producción y el rayo láser se dirige a él. Un láser puede operar múltiples estaciones de trabajo para cambiar el rayo láser de una estación a otra, mientras que la soldadura de una estación, la carga y descarga de partes del automóvil se realiza en otras estaciones. Por otro lado, varias estaciones muy diferentes pueden compartir el tiempo de un láser.
El haz multimodo de un láser Nd: YAG se puede dividir, Fig. 14.40 (a), insertando espejos plegables de haz escalonados en y a lo largo de la trayectoria del haz. De este modo, el sistema de división de haz, junto con un sistema de suministro de haz de fibra óptica, puede realizar varias soldaduras simultáneamente en una o más estaciones de trabajo. Alternativamente, el haz se puede cambiar secuencialmente, 14.40 (b), a diferentes puntos, a menudo hasta 30 m de distancia.
Hay sistemas industriales de soldadura por puntos pequeños donde el haz se cambia entre ocho estaciones de trabajo a 40 veces por segundo. Cuando el haz de láser Nd: YAG se divide, la forma impar de cada sección transversal se homogeneiza en una forma enfocable transmitiéndola a través de fibra óptica.
Los sistemas de suministro de haz de fibra óptica son, con mucho, los más simples y versátiles. El material de fibra óptica es SiO 2 (cuarzo) y generalmente tiene menos de 1 mm de diámetro.
Para lograr la máxima eficiencia de transmisión del haz, los extremos de la fibra deben estar muy pulidos y perfectamente cuadrados y concéntricos con el eje óptico de las lentes colocadas en cada extremo de la fibra. Además, la posición de enfoque del haz entrante debe ser precisa en relación con el extremo de la fibra.
La eficiencia de transmisión del haz también se ve afectada si la fibra se dobla demasiado fuerte. Una fibra de SiO2 de 0, 5 mm de diámetro tiene un radio de curvatura admisible de aproximadamente 100 mm antes de que se deteriore la eficiencia, mientras que para una fibra de 1 mm de diámetro, el radio de seguridad es al menos el doble de grande. En general, la pérdida total de la potencia del láser para un láser Nd: YAG y un sistema de fibra óptica no es más del 10: 15%.
Los ensamblajes de fibra óptica utilizados para transmitir los poderes de soldadura por láser están hechos a propósito y son muy diferentes de los utilizados en la electrónica. Los que se usan para soldar están protegidos por un revestimiento sustancial y robusto, que incluye un tubo de acero flexible y una camisa de nailon, como se muestra en la figura 14.41. Aunque estas medidas protegen adecuadamente la fibra óptica, su función principal es resistir daños industriales accidentales que podrían causar fracturas y permitir que se escape la luz láser, lo que puede tener consecuencias peligrosas.
Peligros de rayos láser:
Un rayo láser desenfocado que se escape accidentalmente de la trayectoria de transmisión del haz es capaz de viajar varios cientos de metros en el aire antes de que se expanda lo suficiente como para estar seguro. Si, por otro lado, un rayo enfocado incidentalmente cae sobre la piel, puede causar quemaduras muy profundas o incluso quemaduras graves. Sin embargo, una viga enfocada se expande mucho más rápido que el punto de enfoque y generalmente alcanza un diámetro seguro después de unos pocos metros.
La distancia precisa depende del número f de enfoque; cuanto más bajo sea el número, mayor será la velocidad de expansión del haz. También puede surgir un peligro debido a la reflexión de un haz enfocado desde la superficie de la pieza de trabajo, particularmente si el haz incidente está inclinado hacia la pieza de trabajo en un ángulo de menos de 70 °.
Debido a que la luz láser de Nd: YAG o el láser de CO 2 es invisible para el ojo humano y viaja a una velocidad extremadamente alta de aproximadamente 300, 000 km / s, por lo tanto, cualquier rayo de láser reflejado que se escape afectará instantáneamente a cualquiera en su camino y causará graves quemaduras en la piel. Un haz de láser de alta potencia desenfocado de varios mm de diámetro si el incidente en el cuerpo puede mutilar a uno de por vida.
La luz láser del láser Nd: YAG con una longitud de onda de 1.06 pm es particularmente peligrosa para el ojo, ya que la lente en el ojo puede enfocar esta longitud de onda a un punto muy pequeño en la retina y causar quemaduras oculares graves. Desafortunadamente, la retina no registra el dolor causado por estos puntos ciegos, por lo que el daño causado a los ojos puede no notarse de inmediato. Por lo tanto, las pruebas oculares regulares para el personal del láser deben ser obligatorias para detectar tal daño lo antes posible.
Además del daño a la persona, la luz láser que se escapa puede iniciar incendios y derretir fácilmente las tuberías y las cubiertas de los cables y, por lo tanto, ocasionar otras situaciones peligrosas no deseadas al afectar la operación segura de otras plantas. Debe tenerse en cuenta que, si se le da tiempo, un rayo láser desenfocado de un láser de varios kilovatios quemará fácilmente las placas de acero e incluso los ladrillos de fuego.
Debido a que el vidrio y el acrílico son transparentes al rayo láser de 1.06 pm de longitud de onda del láser Nd: YAG, por lo tanto, estos materiales no deben usarse para proporcionar ventanas de visualización a menos que estén recubiertos con recubrimientos especiales de película absorbente.
Debido al alto riesgo de daño ocular grave de un láser Nd: YAG, en lugar de una ventana de visualización, un sistema de televisión de circuito cerrado es el más adecuado para ver la operación de soldadura; Con la cámara y los filtros correctos, se pueden hacer observaciones en primer plano con absoluta seguridad.
