Miniuppslagsverk: Lasersvetsningsprinciper och processtillämpningar
Energinivåer
Materia består av atomer, och atomer består av en kärna och elektroner. Elektroner kretsar kring kärnan. Elektronernas energi i en atom är inte godtycklig.
Kvantmekaniken, som beskriver den mikroskopiska världen, säger oss att elektroner upptar fasta energinivåer. Olika energinivåer motsvarar olika elektronenergier: banor längre bort från kärnan har högre energi.
Dessutom kan varje omloppsbana hålla ett maximalt antal elektroner. Till exempel kan den lägsta omloppsbanan (närmast kärnan) hålla upp till 2 elektroner, medan högre omloppsbanor kan hålla upp till 8 elektroner, och så vidare.
Övergång
Elektroner kan förflytta sig från en energinivå till en annan genom att absorbera eller frigöra energi.
Till exempel, när en elektron absorberar en foton, kan den hoppa från en lägre energinivå till en högre. På liknande sätt kan en elektron med en högre energinivå falla till en lägre nivå genom att emittera en foton.
I dessa processer är energin hos den absorberade eller emitterade fotonen alltid lika med energiskillnaden mellan de två nivåerna. Eftersom fotonenergin bestämmer ljusets våglängd har det absorberade eller emitterade ljuset en fast färg.
Principen för lasergenerering
Stimulerad absorption
Stimulerad absorption sker när atomer i ett lågenergitillstånd absorberar extern strålning och övergår till ett högenergitillstånd. Elektroner kan hoppa från låga till höga energinivåer genom att absorbera fotoner.
Stimulerad emission
Stimulerad emission innebär att elektroner vid en hög energinivå, under "stimulering" eller "induktion" av en foton, övergår till en låg energinivå och emitterar en foton med samma frekvens som den infallande fotonen.
Det viktigaste kännetecknet för stimulerad emission är att den genererade fotonen är identisk med den ursprungliga: samma frekvens, samma riktning och helt oskiljbar. På så sätt blir en foton två identiska fotoner genom en stimulerad emissionsprocess. Detta innebär att ljus förstärks eller förstärks – den grundläggande principen för lasergenerering.
Spontan emission
Spontan emission uppstår när elektroner med en hög energinivå faller till en lägre nivå utan yttre påverkan och emitterar ljus (elektromagnetisk strålning) under övergången. Fotonenergin är E=E2−E1, energiskillnaden mellan de två nivåerna.
Villkor för lasergenerering
Laserförstärkningsmedium
Lasergenerering kräver ett lämpligt förstärkningsmedium, vilket kan vara gas, vätska, fast material eller halvledare. Nyckeln är att uppnå populationsinversion i mediet, ett nödvändigt villkor för laserutgång. Metastabila energinivåer är mycket fördelaktiga för populationsinversion.
Pumpkälla
För att uppnå populationsinversion måste atomsystemet exciteras för att öka antalet partiklar vid den övre energinivån.
Vanliga metoder inkluderar:
- Elektrisk pumpning: gasurladdning med hjälp av elektroner med hög kinetisk energi
- Optisk pumpning: bestrålning med pulserande ljuskällor
- Termisk pumpning, kemisk pumpning etc.
Dessa metoder kallas gemensamt pumpning. Kontinuerlig pumpning krävs för att hålla fler partiklar på den övre nivån än på den nedre nivån för stabil laserutgång.
Resonator
Med ett lämpligt förstärkningsmedium och pumpkälla kan populationsinversion uppnås, men den stimulerade emissionsintensiteten är för svag för praktisk användning. Ytterligare förstärkning behövs, vilket tillhandahålls av en optisk resonator.
En optisk resonator består av två högreflekterande speglar placerade parallellt i båda ändar av lasern:
- En totalreflektionsspegel
- En spegel med delvis reflektion och delvis transmission
Totalreflektionsspegeln reflekterar allt infallande ljus tillbaka längs sin ursprungliga väg. Partiellreflektionsspegeln reflekterar fotoner under en viss energitröskel tillbaka in i mediet, medan fotoner över tröskeln transmitteras ut som förstärkt laserljus.
Ljus oscillerar fram och tillbaka i resonatorn, vilket utlöser en kedjereaktion av stimulerad emission, som förstärks likt en lavin för att producera högintensiv laserutgång.
Vad är en pumplampa?
En xenonlampa är en inert gasurladdningslampa, vanligtvis formad som ett rakt rör. Den består vanligtvis av elektroder, ett kvartsrör och fylld xenongas (Xe).
Elektroderna är tillverkade av metall med hög smältpunkt, hög elektronemissionseffektivitet och låg sputtering. Lampröret är tillverkat av höghållfast, högtemperaturbeständigt kvartsglas med hög transmission, fyllt med xenongas.
Vad är en Nd:YAG-laserstav?
Nd:YAG (neodymdopad yttriumaluminiumgranat) är det vanligast använda fasta lasermaterialet.
YAG är en kubisk kristall med hög hårdhet, utmärkt optisk kvalitet och hög värmeledningsförmåga. Trivalenta neodymjoner ersätter vissa trivalenta yttriumjoner i kristallgittret, därav namnet neodymdopad yttriumaluminiumgranat.
Laserns egenskaper
God sammanhang
Ljus från vanliga källor är kaotiskt i riktning, fas och timing, och kan inte fokuseras till en enda punkt ens med en lins.
Laserljus är mycket koherent: det har en ren frekvens, utbreder sig i samma riktning i perfekt fas och kan fokuseras till en liten fläck med mycket koncentrerad energi.
Utmärkt riktningsförmåga
Lasern har mycket bättre riktningsförmåga än någon annan ljuskälla och beter sig nästan som en parallell stråle. Även när den riktas mot månen (cirka 384 000 km bort) är fläckens diameter bara cirka 2 km.
Bra monokromatiskhet
Laserljus från stimulerad emission har ett extremt smalt frekvensområde. Enkelt uttryckt har laser utmärkt monokromaticitet – dess "färg" är extremt ren. Monokromaticitet är avgörande för laserbearbetningstillämpningar.
Hög ljusstyrka
Lasersvetsning utnyttjar laserstrålarnas utmärkta riktningsförmåga och höga effekttäthet. Lasern fokuseras på ett litet område via ett optiskt system, vilket bildar en mycket koncentrerad värmekälla på mycket kort tid, vilket smälter materialet och skapar stabila svetspunkter och sömmar.
Fördelar med lasersvetsning
Jämfört med andra svetsmetoder erbjuder lasersvetsning:
- Hög energikoncentration, hög svetseffektivitet, hög precision och stort förhållande mellan svetsdjup och -bredd.
- Låg värmetillförsel, liten värmepåverkad zon, minimal kvarvarande spänning och deformation.
- Beröringsfri svetsning, flexibel fiberoptisk överföring, god tillgänglighet och hög automatisering.
- Flexibel fogdesign, vilket sparar råmaterial.
- Exakt kontrollerbar energi, stabila svetsresultat och utmärkt svetsutseende.
Lasersvetsprocesser för metallmaterial
Rostfritt stål
- Goda resultat kan uppnås med vanliga fyrkantvågspulser.
- Utforma fogarna så att svetspunkterna hålls borta från icke-metalliska material.
- Reservera tillräckligt med svetsyta och arbetsstyckets tjocklek för styrka och utseende.
- Säkerställ att arbetsstycket är rent och att miljön är torr under svetsning.
Aluminiumlegeringar
- Hög reflektivitet kräver hög lasertoppeffekt.
- Benägen att spricka vid pulspunktsvetsning, vilket minskar hållfastheten.
- Materialsammansättningen kan orsaka stänk; använd högkvalitativa råvaror.
- Bättre resultat med stor punktstorlek och lång pulsbredd.
Koppar och kopparlegeringar
- Högre reflektivitet än aluminium; kräver ännu högre lasertoppeffekt.
- Laserhuvudet ska lutas i en vinkel.
- Kopparlegeringar (mässing, kopparnickel etc.) är svårare att svetsa på grund av legeringselement; noggrant parameterval krävs.
Vanliga defekter vid lasersvetsning och lösningar
Felaktiga parametrar eller felaktig användning orsakar ofta svetsfel, inklusive:
- Ytstänk
- Intern svetsporositet
- Svetssprickor
- Svetsningsdeformation
Svetsstänk
Stänk orsakas huvudsakligen av alltför hög lasereffekttäthet: arbetsstycket absorberar för mycket energi på kort tid, vilket leder till kraftig materialförångning och våldsam smältreaktion.
Stänk skadar utseende, monteringsnoggrannhet och svetshållfasthet.
Orsaker
- För hög lasertoppeffekt.
- Felaktig svetsvågform, särskilt för material med hög reflektion.
- Materialsegregation som leder till lokal hög energiabsorption.
- Kontaminering eller icke-metalliska föroreningar på arbetsstyckets yta.
- Lågsmältande ämnen mellan eller under arbetsstycken, som genererar gas under svetsning.
- Slutna ihåliga strukturer som orsakar gasutvidgning och stänk.
Lösningar
- Optimera parametrar: minska toppeffekten eller använd spikvågformer.
- Använd kvalificerade, högkvalitativa råvaror.
- Förstärk rengöringen före svetsning för att avlägsna olja och föroreningar.
- Optimera svetsstrukturens design.
Intern porositet
Porositet är den vanligaste defekten vid lasersvetsning. Den snabba termiska cykeln och den korta livslängden för smältbadet förhindrar att gas läcker ut och bildar porer.
Vanliga typer: väteporer, kolmonoxidporer och kollapsporer.
Svetssprickor
Sprickor minskar svetsstyrkan och livslängden avsevärt. Lasersvetsningens snabba uppvärmning och kylning ökar risken för sprickbildning.
De flesta lasersvetssprickor är heta sprickor, vanliga i aluminiumlegeringar och högkolhaltiga/höglegerade stål.
Förebyggande
- För spröda material, lägg till förvärmnings- och långsamt kylande vågformer för att minska sprickbildning.
- Optimera fogdesignen för att minska svetsspänningen.
- Välj material med lägre sprickbildningstendens under motsvarande prestanda.
Svetsdeformation
Deformation uppstår ofta i tunna plåtar, arbetsstycken med stor yta eller vid flerpunktssvetsning, vilket påverkar montering och prestanda. Det orsakas av ojämn värmetillförsel och inkonsekvent termisk expansion/kontraktion.
Lösningar
- Optimera parametrar för att minska värmetillförseln: öka toppeffekten samtidigt som pulsbredden minskas.
- Lägre svetshastighet och pulsfrekvens för att minska värme per tidsenhet.
- Optimera svetssekvensen för att säkerställa jämn uppvärmning.
Publiceringstid: 25 februari 2026
