Мини енциклопедия: Принцип и приложения на процеса на лазерно заваряване
Енергийни нива
Материята е съставена от атоми, а атомите се състоят от ядро и електрони. Електроните обикалят около ядрото. Енергията на електроните в атома не е произволна.
Квантовата механика, която описва микроскопичния свят, ни казва, че електроните заемат фиксирани енергийни нива. Различните енергийни нива съответстват на различни енергии на електроните: орбитите, по-далеч от ядрото, имат по-висока енергия.
Освен това, всяка орбита може да побере максимален брой електрони. Например, най-ниската орбита (най-близо до ядрото) може да побере до 2 електрона, докато по-високите орбити могат да поберат до 8 електрона и така нататък.
Преход
Електроните могат да преминават от едно енергийно ниво към друго, като абсорбират или освобождават енергия.
Например, когато електрон абсорбира фотон, той може да премине от по-ниско енергийно ниво към по-високо. По подобен начин електрон на по-високо енергийно ниво може да падне на по-ниско ниво, като излъчи фотон.
В тези процеси енергията на абсорбирания или излъчен фотон винаги е равна на енергийната разлика между двете нива. Тъй като енергията на фотона определя дължината на вълната на светлината, абсорбираната или излъчена светлина има фиксиран цвят.
Принцип на лазерното генериране
Стимулирана абсорбция
Стимулирана абсорбция възниква, когато атомите в нискоенергийно състояние абсорбират външно лъчение и преминават във високоенергийно състояние. Електроните могат да прескачат от ниски към високи енергийни нива чрез абсорбиране на фотони.
Стимулирана емисия
Стимулирана емисия означава, че електроните на високо енергийно ниво, под въздействието на „стимулация“ или „индукция“ на фотон, преминават на ниско енергийно ниво и излъчват фотон със същата честота като падащия фотон.
Ключовата характеристика на стимулираната емисия е, че генерираният фотон е идентичен с оригиналния: със същата честота, същата посока и е напълно неразличим. По този начин един фотон се превръща в два еднакви фотона чрез един процес на стимулирана емисия. Това означава, че светлината се усилва или амплифицира - основният принцип на лазерното генериране.
Спонтанно излъчване
Спонтанно излъчване възниква, когато електрони от високо енергийно ниво паднат на по-ниско ниво без външно влияние, излъчвайки светлина (електромагнитно лъчение) по време на прехода. Енергията на фотона е E=E2−E1, енергийната разлика между двете нива.
Условия за генериране на лазер
Лазерно усилване средно
Лазерното генериране изисква подходяща среда за усилване, която може да бъде газ, течност, твърдо вещество или полупроводник. Ключът е да се постигне инверсия на популацията в средата, необходимо условие за лазерния изход. Метастабилните енергийни нива са изключително полезни за инверсията на популацията.
Източник на изпомпване
За да се постигне инверсия на популацията, атомната система трябва да бъде възбудена, за да се увеличи броят на частиците на горното енергийно ниво.
Често срещани методи включват:
- Електрическо изпомпване: газов разряд, използващ електрони с висока кинетична енергия
- Оптично изпомпване: облъчване от импулсни светлинни източници
- Термично изпомпване, химическо изпомпване и др.
Тези методи се наричат общо изпомпване. Необходимо е непрекъснато изпомпване, за да се поддържат повече частици на горното ниво, отколкото на долното, за да се постигне стабилен лазерен изход.
Резонатор
С подходяща усилваща среда и източник на напомпване може да се постигне инверсия на популацията, но интензитетът на стимулираното излъчване е твърде слаб за практическо приложение. Необходимо е допълнително усилване, което се осигурява от оптичен резонатор.
Оптичният резонатор се състои от две силно отразяващи огледала, разположени успоредно в двата края на лазера:
- Едно огледало за пълно отражение
- Едно огледало за частично отражение и частично пропускане
Огледалото за пълно отражение отразява цялата падаща светлина обратно по първоначалния ѝ път. Огледалото за частично отражение отразява фотоните под определен енергиен праг обратно в средата, докато фотоните над прага се излъчват като усилена лазерна светлина.
Светлината осцилира напред-назад в резонатора, задействайки верижна реакция от стимулирано излъчване, усилваща се като лавина, за да произведе високоинтензивен лазерен изход.
Какво е помпена лампа?
Ксеноновата лампа е лампа, работеща с инертен газ, обикновено с права тръба. Тя се състои от електроди, кварцова тръба и запълнена с ксенонов (Xe) газ.
Електродите са изработени от метал с висока точка на топене, висока ефективност на електронната емисия и ниско разпрашване. Тръбата на лампата е изработена от високоякостно, устойчиво на високи температури, високопропускливо кварцово стъкло, запълнено с ксенонов газ.
Какво е Nd:YAG лазерен прът?
Nd:YAG (итриево-алуминиев гранат, легиран с неодим) е най-често използваният твърд лазерен материал.
YAG е кубичен кристал с висока твърдост, отлично оптично качество и висока топлопроводимост. Тривалентните неодимови йони заместват някои тривалентни итриеви йони в кристалната решетка, откъдето идва и наименованието итриево-алуминиев гранат, легиран с неодим.
Характеристики на лазера
Добра съгласуваност
Светлината от обикновените източници е хаотична по посока, фаза и време и не може да бъде фокусирана в една точка дори с леща.
Лазерната светлина е силно кохерентна: тя има чиста честота, разпространява се в една и съща посока в перфектна фаза и може да бъде фокусирана към малка точка с високо концентрирана енергия.
Отлична насоченост
Лазерът има далеч по-добра насоченост от всеки друг източник на светлина, като се държи почти като успореден лъч. Дори когато е насочен към Луната (на около 384 000 км разстояние), диаметърът на петното е само около 2 км.
Добра монохроматичност
Лазерната светлина от стимулирана емисия има изключително тесен честотен диапазон. Казано по-просто, лазерът има отлична монохроматичност - неговият „цвет“ е изключително чист. Монохроматичността е критична за приложенията за лазерна обработка.
Висока яркост
Лазерното заваряване използва отличната насоченост и високата плътност на мощността на лазерните лъчи. Лазерът се фокусира в малка област чрез оптична система, образувайки силно концентриран източник на топлина за много кратко време, разтопявайки материала и образувайки стабилни заваръчни точки и шевове.
Предимства на лазерното заваряване
В сравнение с други методи на заваряване, лазерното заваряване предлага:
- Висока концентрация на енергия, висока ефективност на заваряване, висока прецизност и голямо съотношение дълбочина към ширина на заваръчните шевове.
- Ниско топлоотдаване, малка зона, засегната от топлина, минимално остатъчно напрежение и деформация.
- Безконтактно заваряване, гъвкаво оптично предаване, добра достъпност и висока автоматизация.
- Гъвкав дизайн на фугите, спестяващ суровини.
- Прецизно контролируема енергия, стабилни резултати от заваряването и отличен външен вид на заваръчния шов.
Лазерни заваръчни процеси за метални материали
Неръждаема стомана
- Добри резултати могат да се постигнат с обикновени импулси с правоъгълна вълна.
- Проектирайте съединенията така, че заваръчните точки да не докосват неметални материали.
- Запазете достатъчна площ за заваряване и дебелина на детайла за здравина и външен вид.
- Осигурете чистота на детайла и суха среда по време на заваряване.
Алуминиеви сплави
- Високата отражателна способност изисква висока пикова мощност на лазера.
- Склонен към напукване по време на импулсно точково заваряване, което намалява якостта.
- Съставът на материала може да причини пръски; използвайте висококачествени суровини.
- По-добри резултати с голям размер на петното и дълга ширина на импулса.
Мед и медни сплави
- По-висока отражателна способност от алуминия; изисква още по-висока пикова мощност на лазера.
- Лазерната глава трябва да бъде наклонена под ъгъл.
- Медните сплави (месинг, купроникел и др.) са по-трудни за заваряване поради легиращи елементи; изисква се внимателен подбор на параметри.
Често срещани дефекти при лазерно заваряване и решения
Неправилните параметри или неправилната работа често причиняват дефекти при заваряване, включително:
- Повърхностно пръскане
- Вътрешна порьозност на заварката
- Пукнатини при заваряване
- Деформация на заваряване
Заваръчни пръски
Пръските се причиняват главно от прекомерно висока плътност на лазерната мощност: детайлът абсорбира твърде много енергия за кратко време, което води до силно изпаряване на материала и бурна реакция в разтопената вана.
Пръските увреждат външния вид, точността на сглобяване и здравината на заваряване.
Причини
- Прекалено висока пикова мощност на лазера.
- Неподходяща форма на вълната на заваряване, особено за материали с висока отразяваща способност.
- Сегрегация на материалите, водеща до локално високо поглъщане на енергия.
- Замърсяване или неметални примеси по повърхността на детайла.
- Вещества с ниска точка на топене между или под детайлите, отделящи газ по време на заваряване.
- Затворени кухи структури, причиняващи разширяване на газа и пръски.
Решения
- Оптимизирайте параметрите: намалете пиковата мощност или използвайте пикови вълнови форми.
- Използвайте квалифицирани, висококачествени суровини.
- Засилете почистването преди заваряване, за да премахнете масло и примеси.
- Оптимизирайте дизайна на заваръчната конструкция.
Вътрешна порьозност
Порьозността е най-често срещаният дефект при лазерното заваряване. Бързият термичен цикъл и краткият живот на разтопената вана предотвратяват изтичането на газ, образувайки пори.
Често срещани видове: водородни пори, пори на въглероден оксид и пори на колапс тип „ключова дупка“.
Пукнатини от заваряване
Пукнатините сериозно намаляват якостта на заварката и експлоатационния живот. Бързото нагряване и охлаждане при лазерното заваряване увеличава риска от напукване.
Повечето пукнатини от лазерно заваряване са горещи пукнатини, често срещани в алуминиеви сплави и високовъглеродни/високолегирани стомани.
Превенция
- За крехки материали добавете предварително нагряване и бавно охлаждане, за да намалите напукването.
- Оптимизирайте дизайна на съединението, за да намалите напрежението при заваряване.
- Изберете материали с по-ниска склонност към напукване при еквивалентни характеристики.
Деформация при заваряване
Деформация често се появява при тънки листове, детайли с голяма площ или многоточково заваряване, което влияе върху сглобяването и производителността. Тя се причинява от неравномерно подаване на топлина и непоследователно термично разширение/свиване.
Решения
- Оптимизирайте параметрите за намаляване на входящата топлина: увеличете пиковата мощност, като същевременно намалите ширината на импулса.
- Намалете скоростта на заваряване и честотата на импулсите, за да намалите топлината за единица време.
- Оптимизирайте последователността на заваряване, за да осигурите равномерно нагряване.
Време на публикуване: 25 февруари 2026 г.
