Lasery przemysłowe Laser Nd:YAG – budowa i zastosowanie

Mariusz Konowalski

2

Laser Nd:YAG - przypomnienie

Ośrodek czynny – kryształ Y3Al5O12 (YAG) - granatu aluminiowo -itrowego domieszkowany neodymem.Inwersja obsady poprzez pompowanie optyczne.Emituje promieniowanie o długości 1064 nm, które może być przesyłane światłowodami. Może pracować w trybie impulsowym jak i ciągłym.Przejścia laserowe zachodzą w powłoce 4f. Czas życia górnego stanu laserowego: 255s dolnego ~ 30ns

3

Laser Nd:YAG – budowa

4

Laser Nd:YAG – poziomy energetyczne i przejścia

5

Konkurencja dla Nd:YAG czyli Yb:YAG - lasery dyskowe i włókniste

W dziedzinie cięcia:

Poprawa jakości wiązki i wielkości plamki

Dokładnej kontrola szerokości nacięcia

Wyższa jakość powierzchni uciętej krawędzi.

Pozwala na ostrzejsze mikrocięcie wewnątrz konturu np. implantów stalowych rurek

W dziedzinie spawania możliwość :

osiągnięcia spawanych miejsc w zakresie 100-800 m

spawania spoinowego aluminium i miedzi.

spawanie na zakładkę 100 m folii metalu

spawania większych plastycznych komponentów

6

Zalety konwencjonalnego lasera Nd:YAG

Jest sprawdzoną technologią

Krótki czas trwania impulsów mocy idealny do spawania punktowego i liniowego

Każdy impuls o tej samej energii

Dobra kontrola czasu trwania impulsu i mocy szczytowej

Ciągle ulepszana technologia – przenoszenie impulsu również przez włókna

7

Zalety konwencjonalnego lasera Nd:YAG

Wygodny interfejs użytkownika

Dzięki możliwości przesyłania wiązki lasera Nd:YAG przez światłowódmożna go stosować w połączeniu z robotem

8

Porównanie kosztów pompowania

Laser pompowany diodowo

Diody wytrzymują 10-20 tys. godzin pracy a nawet więcej ale muszą być w końcu wymienione.

Koszt wymiany wynosi do połowy wartości całego lasera.

Laser pompowany lampami łukowymi

Lampy łukowe wytrzymują

1-2 tys. godzin pracy.

Koszt wymiany poniżej 100$.

9

Zastosowanie impulsowego lasera Nd:YAG w przemyśle medycznym

Łączenie bardzo małych, cienkościennych i mechanicznie delikatnych komponentów

Rurki drenowe, cewniki, druty prowadzące itp.

Spawanie wymaga stabilnego źródła niskiej mocy

Wielkości spawu poniżej 100m przy energii do 0,1 J

Obróbka, z powodu niewielkich rozmiarów i kruchości materiałów ma też duże znaczenie w osiągnięciu dobrych spawów

10

Zastosowanie impulsowego lasera Nd:YAG w przemyśle optycznym

Sieci światłowodowe - elementy łączone przez spawanie laserowe

Wymagana stabilność i powolna obróbka cieplna (uwaga na termiczne wypaczenia części)

Z powodu niewielkich rozmiarów ważne jest odpowiednie ustawienie elementów – szpar pomiędzy nimi

Z tego powodu celność spawania waha się od 1-2 m do 10-20 m w najgorszym przypadku

11

Zastosowanie impulsowego lasera Nd:YAG w przemyśle elektronicznym

Hermetycznie oddzielone spawanie – komora rękawicowa – minimalizacja ilości cząsteczek zanieczyszczeńKończenie spawu – optymalizacja prędkości i penetracji

Duża częstotliwość i krótki czas trwania impulsu zmniejszają średnią moc potrzebną do utworzenia spawu

spaw Kovaru (stopu Fe-Ni-Co)

12

Udoskonalenia

Kontrolowany impuls + oliwienie krawędzi =

większa szybkość + redukcja rozprysku

Lasery dużej mocy mogą przekazywać impuls przez mniejsze rdzenie włókien co pozwala na szybsze spawanie i mniejsze rozmiary spawów

13

Podsumowanie

Lampowo pompowany laser Nd:YAG jest wciąż preferowany do spawania w przemyśle

Zgrzewanie liniowe - sporadyczna konkurencja innych technologii ( dyskowych, włóknistych)

Zgrzewanie punktowe – bezkonkurencyjny

Nd:YVO4 - zielony laser - może konkurencja w przyszłości