Mini-leksikon: Lasersvejsningsprincipper og procesapplikationer
Energiniveauer
Materie er sammensat af atomer, og atomer består af en kerne og elektroner. Elektroner kredser om kernen. Elektronernes energi i et atom er ikke vilkårlig.
Kvantemekanikken, som beskriver den mikroskopiske verden, fortæller os, at elektroner indtager faste energiniveauer. Forskellige energiniveauer svarer til forskellige elektronenergier: baner længere væk fra kernen har højere energi.
Derudover kan hver bane indeholde et maksimalt antal elektroner. For eksempel kan den laveste bane (tættest på kernen) indeholde op til 2 elektroner, mens højere baner kan indeholde op til 8 elektroner, og så videre.
Overgang
Elektroner kan bevæge sig fra et energiniveau til et andet ved at absorbere eller frigive energi.
For eksempel, når en elektron absorberer en foton, kan den hoppe fra et lavere energiniveau til et højere. På samme måde kan en elektron med et højere energiniveau falde til et lavere niveau ved at udsende en foton.
I disse processer er energien fra den absorberede eller udsendte foton altid lig med energiforskellen mellem de to niveauer. Da fotonenergien bestemmer lysets bølgelængde, har det absorberede eller udsendte lys en fast farve.
Princippet for lasergenerering
Stimuleret absorption
Stimuleret absorption opstår, når atomer i en lavenergitilstand absorberer ekstern stråling og overgår til en højenergitilstand. Elektroner kan hoppe fra lave til høje energiniveauer ved at absorbere fotoner.
Stimuleret emission
Stimuleret emission betyder, at elektroner ved et højt energiniveau, under "stimulering" eller "induktion" af en foton, overgår til et lavt energiniveau og udsender en foton med samme frekvens som den indfaldende foton.
Det centrale træk ved stimuleret emission er, at den genererede foton er identisk med den oprindelige: samme frekvens, samme retning og fuldstændig umulig at skelne fra hinanden. På denne måde bliver én foton til to identiske fotoner gennem én stimuleret emissionsproces. Det betyder, at lys forstærkes eller forstærkes – det grundlæggende princip for lasergenerering.
Spontan emission
Spontan emission opstår, når elektroner med et højt energiniveau falder til et lavere niveau uden ekstern påvirkning og udsender lys (elektromagnetisk stråling) under overgangen. Fotonenergien er E=E2−E1, energiforskellen mellem de to niveauer.
Betingelser for lasergenerering
Laserforstærkningsmedium
Lasergenerering kræver et passende forstærkningsmedium, som kan være gas, væske, fast stof eller halvleder. Nøglen er at opnå populationsinversion i mediet, en nødvendig betingelse for laseroutput. Metastabile energiniveauer er yderst gavnlige for populationsinversion.
Pumpekilde
For at opnå populationsinversion skal atomsystemet exciteres for at øge antallet af partikler på det øvre energiniveau.
Almindelige metoder omfatter:
- Elektrisk pumpning: gasudladning ved hjælp af elektroner med høj kinetisk energi
- Optisk pumpning: bestråling med pulserende lyskilder
- Termisk pumpning, kemisk pumpning osv.
Disse metoder kaldes samlet set pumpning. Kontinuerlig pumpning er nødvendig for at holde flere partikler på det øvre niveau end på det nedre niveau for at opnå stabil laserudgang.
Resonator
Med et passende forstærkningsmedium og pumpekilde kan populationsinversion opnås, men den stimulerede emissionsintensitet er for svag til praktisk brug. Yderligere forstærkning er nødvendig, hvilket tilvejebringes af en optisk resonator.
En optisk resonator består af to stærkt reflekterende spejle placeret parallelt i begge ender af laseren:
- Et totalreflektionsspejl
- Et delvist reflektions- og delvist transmissionsspejl
Totalreflektionsspejlet reflekterer alt indfaldende lys tilbage langs sin oprindelige bane. Delreflektionsspejlet reflekterer fotoner under en bestemt energitærskel tilbage i mediet, mens fotoner over tærsklen transmitteres ud som forstærket laserlys.
Lys oscillerer frem og tilbage i resonatoren, hvilket udløser en kædereaktion af stimuleret emission, der forstærkes som en lavine og producerer en højintensiv laserudgang.
Hvad er en pumpelampe?
En xenonlampe er en inert gasudladningslampe, normalt formet som et lige rør. Den består generelt af elektroder, et kvartsrør og fyldt xenongas (Xe).
Elektroderne er lavet af metal med højt smeltepunkt, høj elektronemissionseffektivitet og lav sputtering. Lamperøret er lavet af højstyrke, højtemperaturbestandigt kvartsglas med høj transmission, fyldt med xenongas.
Hvad er en Nd:YAG-laserstang?
Nd:YAG (neodym-dopet yttriumaluminiumgranat) er det mest almindeligt anvendte faste lasermateriale.
YAG er en kubisk krystal med høj hårdhed, fremragende optisk kvalitet og høj varmeledningsevne. Trivalente neodymioner erstatter nogle trivalente yttriumioner i krystalgitteret, deraf navnet neodym-dopet yttriumaluminiumgranat.
Laserens egenskaber
God sammenhæng
Lys fra almindelige kilder er kaotisk i retning, fase og timing og kan ikke fokuseres til et enkelt punkt, selv med en linse.
Laserlys er meget kohærent: det har en ren frekvens, udbreder sig i samme retning i perfekt fase og kan fokuseres til et lille punkt med meget koncentreret energi.
Fremragende retningsbestemmelse
Laser har langt bedre retningsbestemthed end nogen anden lyskilde og opfører sig næsten som en parallel stråle. Selv når den er rettet mod Månen (ca. 384.000 km væk), er pletdiameteren kun omkring 2 km.
God monokromatisk karakter
Laserlys fra stimuleret emission har et ekstremt smalt frekvensområde. Enkelt sagt har en laser fremragende monokromatisk egenskaber – dens "farve" er ekstremt ren. Monokromatisk egenskaber er afgørende for laserbehandlingsapplikationer.
Høj lysstyrke
Lasersvejsning udnytter laserstrålernes fremragende retningsbestemthed og høje effekttæthed. Laseren fokuseres på et lille område via et optisk system, hvorved der dannes en meget koncentreret varmekilde på meget kort tid, hvorved materialet smeltes og stabile svejsepunkter og samlinger dannes.
Fordele ved lasersvejsning
Sammenlignet med andre svejsemetoder tilbyder lasersvejsning:
- Høj energikoncentration, høj svejseeffektivitet, høj præcision og stort forhold mellem dybde og bredde af svejsninger.
- Lav varmetilførsel, lille varmepåvirket zone, minimal restspænding og deformation.
- Berøringsfri svejsning, fleksibel fiberoptisk transmission, god tilgængelighed og høj automatisering.
- Fleksibelt samlingsdesign, der sparer råmaterialer.
- Præcis kontrollerbar energi, stabile svejseresultater og fremragende svejseudseende.
Lasersvejsningsprocesser til metalmaterialer
Rustfrit stål
- Gode resultater kan opnås med almindelige firkantbølgeimpulser.
- Design samlinger, så svejsepunkter holdes væk fra ikke-metalliske materialer.
- Reserver tilstrækkeligt svejseområde og emnetykkelse for at sikre styrke og udseende.
- Sørg for, at emnet er rent, og at miljøet er tørt under svejsning.
Aluminiumlegeringer
- Høj reflektivitet kræver høj laserpeakeffekt.
- Tilbøjelig til revner under pulspunktsvejsning, hvilket reducerer styrken.
- Materialesammensætningen kan forårsage sprøjt; brug råmaterialer af høj kvalitet.
- Bedre resultater med stor punktstørrelse og lang pulsbredde.
Kobber og kobberlegeringer
- Højere reflektionsevne end aluminium; kræver endnu højere laserpeakeffekt.
- Laserhovedet skal være vippet i en vinkel.
- Kobberlegeringer (messing, kobbernikkel osv.) er vanskeligere at svejse på grund af legeringselementer; omhyggeligt parametervalg er påkrævet.
Almindelige defekter i lasersvejsning og løsninger
Forkerte parametre eller forkert betjening forårsager ofte svejsefejl, herunder:
- Overfladesprøjt
- Intern svejseporøsitet
- Svejsereevner
- Svejsedeformation
Svejsesprøjt
Sprøjt skyldes hovedsageligt en for høj lasereffekttæthed: emnet absorberer for meget energi på kort tid, hvilket fører til kraftig materialefordampning og en voldsom smeltebadsreaktion.
Stænk beskadiger udseende, monteringsnøjagtighed og svejsestyrke.
Årsager
- For høj laserpeakeffekt.
- Upassende svejsebølgeform, især for materialer med høj reflektionsevne.
- Materialesegregering, der fører til lokal høj energiabsorption.
- Kontaminering eller ikke-metalliske urenheder på emnets overflade.
- Stoffer med lavt smeltepunkt mellem eller under emner, der genererer gas under svejsning.
- Lukkede hule strukturer, der forårsager gasudvidelse og sprøjt.
Løsninger
- Optimer parametre: reducer peak power eller brug spike-kurveformer.
- Brug kvalificerede råvarer af høj kvalitet.
- Forstærk rengøringen før svejsning for at fjerne olie og urenheder.
- Optimer design af svejsestruktur.
Intern porøsitet
Porøsitet er den mest almindelige defekt ved lasersvejsning. Den hurtige termiske cyklus og den korte levetid for smeltebadet forhindrer gas i at slippe ud og danne porer.
Almindelige typer: hydrogenporer, kulilteporer og nøglehulskollapsporer.
Svejsningsrevner
Revner reducerer svejsestyrken og levetiden betydeligt. Lasersvejsningens hurtige opvarmning og afkøling øger risikoen for revner.
De fleste lasersvejsningsrevner er varme revner, almindelige i aluminiumlegeringer og højkulstof-/højlegeret stål.
Forebyggelse
- For sprøde materialer skal du tilføje forvarmnings- og langsom afkølingsbølgeformer for at reducere revnedannelse.
- Optimer samlingsdesignet for at reducere svejsespænding.
- Vælg materialer med lavere revnedannelsestendens under tilsvarende ydeevne.
Svejsedeformation
Deformation forekommer ofte i tynde plader, emner med store arealer eller flerpunktssvejsning, hvilket påvirker samling og ydeevne. Det skyldes ujævn varmetilførsel og inkonsekvent termisk udvidelse/kontraktion.
Løsninger
- Optimer parametre for at reducere varmetilførslen: øg peak-effekten, mens pulsbredden reduceres.
- Lavere svejsehastighed og pulsfrekvens for at reducere varme pr. tidsenhed.
- Optimer svejsesekvensen for at sikre ensartet opvarmning.
Opslagstidspunkt: 25. feb. 2026
