Принцип работы лазерного сварщика: подробное руководство

Лазер — это пучок концентрированной световой энергии, генерируемый на определенной длине волны. В природе свет существует в спектре длин волн от очень коротких (рентгеновские и гамма-лучи) до очень длинных (радиоволны). Человеческий глаз видит только видимый спектр («белый свет») с длинами волн примерно 430–690 нанометров (нм). Лазерный пучок — это усиленная концентрация световой энергии на конкретной длине волны. Это когерентный свет, что позволяет фокусировать его в тесную точку и поддерживать узкий пучок на больших расстояниях. Слово «лазер» — акроним от Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (усиление света стимулированным излучением).

Принцип работы лазерного сварщика

Лазерный пучок генерируется внутри рубинового кристалла. Рубиновый кристалл состоит из оксида алюминия с примесью хрома, распределенной по всему объему — около 1/2000 части кристалла, что меньше, чем в натуральном рубине. С обеих сторон кристалла внутри установлены зеркала с серебряным напылением. В одном из зеркал есть крошечное отверстие, через которое выходит пучок.

Вокруг рубинового кристалла размещена вспышка — трубка, заполненная инертным газом ксенон. Вспышка специально спроектирована для частоты около тысяч вспышек в секунду.

Электрическая энергия преобразуется в световую с помощью вспышки.

Конденсатор служит для накопления электрической энергии и подачи высокого напряжения на вспышку для её корректной работы.

Электрическая энергия, разряженная из конденсатора, и ксенон преобразуют высокую энергию в белую вспышку со скоростью 1/1000 секунды.

Атомы хрома в рубиновом кристалле возбуждаются и переходят в высокое энергетическое состояние. Из-за выделения тепла часть этой энергии теряется. Но часть световой энергии отражается от зеркала к зеркалу и снова возбуждает атомы хрома до тех пор, пока они не потеряют лишнюю энергию одновременно, образуя узкий пучок когерентного света. Этот пучок выходит через крошечное отверстие в зеркале кристалла.

Этот узкий пучок фокусируется оптической фокусирующей линзой, создавая маленький интенсивный лазерный пучок на заготовке.

Изменение лазерного пучка при взаимодействии с материалом

Поглощение лазерной энергии материалом зависит от ряда факторов: длины волны, толщины материала, кристаллической структуры, добавок, молекулярной структуры и других. Процесс использует эти свойства материала и лазера для создания связи между двумя пластиковыми материалами — одной, пропускающей лазерную энергию, и другой, поглощающей её.

Когда лазерный пучок встречает какой-либо материал, например пластик, он либо проходит сквозь него (пропускается), либо отражается, либо поглощается — в зависимости от длины волны и состава материала. Большинство материалов проявляют все три эффекта в разной степени. Материал может быть оптически прозрачным для видимого света и сильно поглощать инфракрасный лазер, или быть невидимым для глаз, но прозрачным для инфракрасного излучения.

Механика лазерной сварки

Лазерная сварка — процесс, при котором происходит сплавление материалов за счет тепла, полученного от приложения концентрированного когерентного светового пучка к соединяемым поверхностям.

Процесс проходит через следующие фазы:

1. Взаимодействие лазерного пучка с материалом заготовки.
2. Теплопроводность и повышение температуры.
3. Плавление, испарение и соединение: при использовании лазерного пучка для сварки электромагнитное излучение падает на поверхность основного металла с такой концентрацией энергии, что температура поверхности поднимается до плавления и испарения, а металл ниже расплавляется.