Průmyslové lasery pro svařování (studijní text k předmětu SLO/UMT1) Připravila: Hana Šebestová
V současné době se vyrábí řada typů laserů. Liší se svou konstrukcí, poskytovaným výkonem, účinností i charakterem výstupního svazku. V posledních deseti letech se výrazně změnilo zastoupení jednotlivých typů laserů. Tradičně používané CO 2, Nd:YAG a diodové lasery jsou nahrazovány v mnoha aplikacích lasery diskovými a především vláknovými. Dále budou představeny hlavní druhy laserů používané ke svařování s důrazem na moderní typy. o CO 2 laser CO 2 laser je plynový laser s aktivním prostředím tvořeným směsí oxidu uhličitého, dusíku a helia obvykle v poměru 1:4:5. Vysokonapěťovým nebo vysokofrekvenčním elektrickým výbojem se vybudí molekuly dusíku do vyššího energetického stavu. Nepružnými srážkami předají svoji energii molekulám oxidu uhličitého, čímž dojde k jejich excitaci, a při následném sestupu vyzařují na vlnové délce 10,6 μm. Helium přitom urychluje návrat molekul CO 2 do základního stavu, aby se celý proces excitace a následné emise záření mohl opakovat. Směs pracovních plynů proudící v trubici, musí být neustále doplňována. Podle způsobu proudění rozlišujeme CO 2 lasery s podélným nebo příčným prouděním pracovní látky (Obr. 1, Obr. 2). Typy s podélným prouděním (Obr. 1) jsou buzeny elektrickým výbojem v ose trubice, ve které rychlost směsi plynů dosahuje až 500 m.s -1. Výstupní svazek má vysokou kvalitu (K > 0.4), a proto se používá převážně pro řezání materiálů. 2
Obr. 1: Schéma podélně čerpaného CO 2 laseru. Typy s příčným prouděním (Obr. 2) poskytují méně kvalitní svazek (K > 0,18), který je vhodný spíše pro svařování. Je to dáno nízkou rychlostí proudění plynů kolmo k ose rezonátoru. Na druhou stranu je u těchto typů výrazně menší spotřeba plynů, a proto jsou i náklady na jejich provoz nižší. Obr. 2: Schéma příčně čerpaného CO 2 laseru. Účinnost klasických CO 2 laserů je 10 % až 13 %. Výkon závisí na rozměrech rezonátoru, typu buzení i způsobu výměny pracovní látky a může dosahovat několika miliwattů až desítek kilowattů. Nejnovějším typem CO 2 laseru je difúzně chlazený deskový SLAB laser. Jeho schéma prezentuje Obr. 3. Nepotřebuje souvisle vnější zdroj plynové směsi, neboť 3
obsahuje zásobník, jehož objem 10 l je dostatečný pro přibližně rok nepřetržitého provozu. Díky tomu se značně redukují náklady na údržbu i servis. Obr. 3: Schéma SLAB laseru. K odvodu tepla u SLAB laseru dochází jeho rozptylem na vodou chlazených vysokofrekvenčních elektrodách. Díky nové konstrukci rezonátoru jde o systém s vysokou kvalitou svazku (K > 0,8), nízkou spotřebou plynů i energie a vysokou spolehlivostí z důvodu absence pohyblivých částí. o Nd:YAG laser Dalším významným typem laseru je pevnolátkový čtyřhladinový Nd:YAG laser. Aktivní prostředí tohoto laseru tvoří krystal yttrium-aluminium-granát (Y 3 Al 5 O 12 ) dopovaný z 0,3 % až 1 % ionty neodymu Nd 3+. Neodym září na vlnové délce 1064 nm, tedy desetkrát menší než je vlnová délka CO 2 laseru. S vlnovou délkou úzce souvisí průměrný výkon laseru. Maximální výkony těchto typů laserů dosahují nižších hodnot ve srovnání s CO 2 lasery. Na druhou stranu mohou poskytovat kvalitnější a užší svazek, a disponovat proto dostatečně vysokou hustotou výkonu. 4
Před deseti lety, před nástupem nových typů laserů, pokrývaly Nd:YAG lasery přibližně 75 % svařovacích aplikací laserů. Laserová kavita je u klasického Nd:YAG laseru eliptického tvaru s pozlaceným vnitřním povrchem pro dosažení maximální účinnosti čerpání aktivního prostředí. Tyčinkový krystal i výbojka jsou umístěny ve skleněných trubicích v jejích ohniskových přímkách (Obr. 4). Kolem trubic proudí chladící deionizovaná voda, která předává teplo vodě ve vnějším chladícím okruhu nebo vzduchu. Obr. 4: Kavita Nd:YAG laseru. Kontinuální typy dosahují průměrných výkonů stovek wattů, v případě spřažení několika kavit za sebou až tisíců wattů. Pulsní typy obvykle disponují energií několika desítek joulů v jednom pulsu. Celková účinnost Nd:YAG laserů čerpaných kryptonovou, případně xenonovou výbojkou dosahuje pouze 1 % až 3 % z důvodu nízké účinnosti čerpání aktivního prostředí, která dosahuje méně než 10 %. Podstatně vyšší účinnosti čerpání 40 % až 50 %, a tím i celkové účinnosti až 20 % se dosahuje nahrazením výbojky polem laserových diod. Jde o nejefektivnější způsob buzení pevnolátkových laserů, neboť emisní spektrum laserových diod pro čerpání aktivního prostředí je tvořeno jednou úzkou spektrální čarou na vlnové délce 808 nm, která odpovídá absorpční čáře 5
tohoto prostředí. Srovnání emisního spektra kryptonové výbojky a laserové diody uvádí Obr. 5. Obr. 5: Porovnání emisních spekter kryptonové výbojky a laserové. Významnou předností Nd:YAG laseru oproti CO 2 laseru je možnost navázání svazku do optického vlákna, která přináší značnou flexibilitu pro svařování součástí různých tvarů a rozměrů. Už v roce 1992 bylo více než 90 % Nd:YAG laserů pro svařování používáno v kombinaci s optickým vláknem. Nezanedbatelná je i vyšší absorpce záření nižších vlnových délek neželeznými kovy, jejichž zpracování Nd:YAG laserem přináší lepší výsledky. o Diodové lasery Významné místo při svařování mají i diodové lasery, a to především pro svařování plastů. Diodový laser vzniká sdružováním laserových diod do řad, bloků nebo baterií v závislosti na požadovaném výkonu. Výkon laserové diody dosahuje pouze několika miliwattů, výkon diodového laseru může být několik kilowattů. 6
Aktivním prostředím laserové diody je polovodič čerpaný elektrickým proudem. Z jeho PN přechodu o ploše řádově 10-6 mm 2 je emitováno záření, které se šíří v rovině přechodu a opakovanými odrazy se zesiluje (Obr. 6). Leštěné čelní plochy polovodiče kolmé k PN přechodu tvoří Fabry-Perotův rezonátor. Svazek vystupující z rezonátoru má velkou divergenci, navíc rozdílnou ve směru osy x a osy y. K jeho kolimaci se používají válcové mikročočky umístěné na stěně bloku. Přesto je kvalita svazku ve srovnání s jinými typy laserů výrazně nižší, a používá se proto především pro svařování a povrchové úpravy materiálů, kdy není nutné svazek fokusovat na malou plochu a naopak je žádoucí jeho větší průměr, případně obdélníkový průřez. Diodové lasery o výkonu 2 kw dosahují kvality svazku 20 mm.mrad až 30 mm.mrad, o výkonu 15 kw až 100 mm.mrad. Obr. 6: Schéma laserové diody. Vlnová délka je dána koncentrací legujících prvků v polovodiči. Zahrnuje viditelnou až blízkou infračervenou oblast spektra. Nejobvyklejším typem je GaAs laser generující záření s vlnovou délkou 808 nm, které se často využívá pro buzení Nd:YAG laserů. Dále jsou používány GaN, PbSnSe, AlGaInP, InAsSb lasery a řada dalších. Hlavními přednostmi diodových laserů jsou jejich nízká hmotnost, vysoká kompaktnost a především vysoká účinnost, která dosahuje 30 % až 40 %, a rovněž možnost navázat svazek opouštějící rezonátor do optického vlákna. 7
o Diskové Yb:YAG lasery Diskové, nebo také kotoučové Yb:YAG lasery jsou v podstatě modifikací Nd:YAG laserů. Vlnová délka těchto laserů je 1030 nm. Jejich aktivní prostředí obsahující 30 % ytterbia je formováno do tvaru válce o výšce několika desetin milimetru a průměru obvykle do 100 mm. Čerpání probíhá vícenásobnými dopady záření diod s vlnovou délkou 940 nm přiváděným optickým vláknem (Obr. 7). Budící záření je absorbováno celou tloušťkou aktivního prostředí a účinnost čerpání dosahuje 90 %. Celková účinnost diskových laserů je až 20 %. Obr. 7: Schéma diskového laseru. Zadní strana disku je napojena na celoplošný kontaktní chladič a i při vyšších výkonech je dostatečné chlazení vzduchem. Chlazení je intenzivní a rovnoměrné a vede k homogennímu rozdělení intenzity ve svazku. Svazek má vysokou kvalitu s BPP 5 mm.mrad až 7,5 mm.mrad. Výhodou tohoto typu laseru je nezávislost kvality svazku na výkonu laseru. Velmi úzkým svazkem je pak možné svařovat materiály větších tloušťek s nižším tepelným ovlivněním. Výstupní průměr svazku je několik desetin milimetru a je vázán do optického vlákna. Výkon jednokotoučových laserů dosahuje až 500 W. V případě potřeby 8
vyšších výkonů je možné sériově spřáhnout více kotoučů do jednoho výstupního vlákna a zesílit výkon až na několik kilowatt. Dostupné jsou i diskové lasery s výkonem 16 kw. o Vláknové lasery Aktivním prostředím vláknových laserů je křemíkové vlákno s průměrem jádra několik mikrometrů a délce několik metrů, dopované nejčastěji ionty erbia (1540 nm až 1620 nm), ytterbia (1060 nm až 1120 nm) nebo thulia (1720 nm až 2000 nm. Vysoce účinné čerpání je realizováno zářením laserových diod kolmo na průřez aktivního vlákna, které se dál šíří odrazy na vnitřní straně pláště. Rezonátor laseru tvoří Braggovy mřížky na koncích vlákna nebo vnější dichroická zrcadla. Schéma vláknového laseru uvádí Obr. 8. Obr. 8: Schéma vláknového laseru. Díky geometrii aktivního prostředí je dostatečné chlazení vzduchem. Kvalita svazku dosahuje BPP < 0,5 mm.mrad až 3,5 mm.mrad. Výkon jednoho vlákna může být až 10 kw. Pro většinu průmyslových aplikací je to dostatečné. Pro extrémní aplikace vyžadující vyšší výkony je možné kombinovat výstupy z několika vláknových laserů. Prostorovým složením dílčích výstupních svazků do apertury společné výstupní čočky se dosáhne vyššího výkonu, ale současně se zvyšuje rozbíhavost svazku, a tím snižuje jeho kvalita. Tímto způsobem byl realizován 50 kw kontinuální vláknový laser, jehož výkon je dostatečný pro 5 cm hluboké svary. 9
Hlavní předností vláknových laserů je jejich vysoká účinnost až 30 % díky účinnosti čerpání vyšší než 80 %, kompaktnost, vysoká životnost a minimální údržba a u jednovláknových laserů především vysoká kvalita. Poděkování Tento podpůrný studijní text vznikl za finanční podpory Evropského sociálního fondu v ČR v rámci projektu Moderní technologie ve studiu Aplikované fyziky. 10