Шилэн кабелийн лазерийн төхөөрөмжийг хэрхэн ажилладаг вэ?

Лазерын цацрагийн үүсгэлт ба шилэн оптикийн уламжлалт

Шилэн лазер хэрхэн лазерын цацрагийг үүсгэж чиглүүлэх вэ

Шилэн ширхэгийн лазерийн төхөөрөмжүүд нь цахилгааныг хүчтэй гэрлийн туяанд хувиргах зориулалттай онцгой насосны лазер ашиглан ажилладаг. Энэ гэрэл нь ихэвчлэн иттербиум агуулсан шилэн ширхэгийн дотор дамждаг. Гэрлийн бөөмс (фотонууд) ширхэгийн цөмийн хэсэгт байгаа сэргэлэн электронуудын хамт огтлолцох үед сонирхолтой зүйл болдог. Энэ харилцан үйлчлэл нь стимуляцид дамжуулан цацруулалт гэж нэрлэгдэх зүйлд хүргэдэг бөгөөд энд фотон бүр урвалын дарааллаар дахин олон фотон үүсгэдэг. Энэ процесс нь гэрлийг маш ихээр хүчтэй болгодог, зарим тохиолдолд анхныхаасаа 1000 дахин хэтрэх түвшинд хүрч чадах боловч туяаг бүх явцад чиглэлтэй, когерент байдлаар хадгалж чаддаг. Үр дүнд нь энэ нь маш өндөр интенсивтэй ч гэсэн нарийвчлалыг хадгалж чадах хүчирхэг төхөөрөмж болдог.

Насосны лазер диод ба гэрлийн үүсгэлт

Орчин үеийн системүүд 11–20 насосны диодын гаралтыг хослуулдаг 1–10 кВ-ийн промышны хүчдэлийг олж авахын тулд нэгэн ширхэг ширхэг цахилгаан дамжуулагчид нэгтгэсэн. Эдгээр диод массив нь CO лазерийнхээс (laser-welder.net) гурван дахин илүү 45–50% хэмжээний ханган нийлүүлэлтийн үр ашгийг олж авдаг бөгөөд тасралтгүй ажиллагаанд маш их энергийн үр ашигтай байдаг.

Оптик кабелын бүтэц: Гол цөм ба хучлага

Хоёр давхар бүтэцтэй кабель нь гэрлийг үр дүнтэй дамжуулах боломжийг олгодог:

• Гол цөм (8–50 мкм диаметр): Хүчирхийлсэн лазерын гэрлийг зөөнө
• Хамгаалалтын бүр: Гол цөмийг тойрон байрладаг бөгөөд саармаг гэрлийн квантуудыг бүрэн дотоод ойлт
  Энэ бүтэц нь дохионы алдагдлыг 0.1 дБ/км-аас бага байлгаж, 100 метрээс илүү зайнаас тогтвортой цацрагийн нийлүүлэлтийг хангана.

Цацрагийг хүчирхийлэхийн тулд Фибрын Браггийн тор

Толь шиг файбер Браггийн тор допингт файберийн тус бүрийн төгсгөлд байрлах оптик резонансын хөндий нь:

1. Нарийн долгионы уртын мужийг сонгоно (1,070 нм ±3 нм)
2. Чадлын нягтыг 10–10 Вт/см² хүртэл нэмэгдүүлнэ
3. Цацрагийн сарнихийг 0.5 мрад-аас доош хязгаарлана

Энэ нарийн чанд олж хүрч чадвал 30 мм зэвэрдэггүй ганг хоёр секундын дотор ±0.05 мм нарийвчлалтайгаар нэвтрэн орно.

Файбер лазерийн хайчлах машиний үндсэн бүрэлдэхүүн хэсгүүд

Орчин үеийн файбер лазерийн хайчлах машинууд металл хэвлэлийн үйлдвэрлэлд микрон түвшний нарийвчлалыг хангахын тулд дөрвөн гол дэд системийг нэгтгэдэг:

Файбер лазерийн эх үүсвэр болон цацраг үүсгэх нэгж

Энэ системийн гол бүрдэл хэсэг нь ихэвчлэн иттербиум эсвэл эрбимийн материалыг агуулсан цөөн тооны зүйлсийн шилэн ширмийг ашигладаг. Стимуляци үзүүлэх үед эдгээр ширмүүд ойролцоогоор 1,060-1,070 нанометрийн долгионы мужид ажилладаг нэгэн төрлийн лазер туяа үүсгэдэг. Энэ нь хардлагатай хийн лазераас ялгагдах нь түүний ажиллах зарчим юм. Хийн том чиглүүрүүдийг ашиглахын оронд хатуу биеийн загвар нь гэрлийг уян хатан оптик кабелуудаар дамжуулдаг. Энэ нь зөвхөн хэмжээгээрээ бага суурилуулалт хийх боломжийг олгох төдийгүй, харин хуучин CO2 лазерийн системүүдтэй харьцуулахад энергийн үр ашгийг ойролцоогоор 30 хувиар сайжруулдаг бөгөөд эдгээр системүүд хувь хүн бүрт мэдэгдмэгц байсан.

Лазерийн хайчлах толгой, фокусжуулах линзүүд, савхан шүүлтүүрийн систем

Таслагч толгойд лазерын цацрагийг 0.1 мм-ээс бага хэмжээтэй болтол төвлөрүүлдэг маш цэвэр нэгдсэн цахиурлаг материалын тусгай линзүүд агуулсан байдаг. Мөн азот (99.95% орчим цэвэр байх шаардлагатай) зэрэг тусламжлага шингэнийг 15-20 баар даралтанд хийн гаргалтын төвийн хошууны систем байдаг. Энэ нь хайланги байгаа материалыг гадагш түлхэх, мөн хайргийн хэсэгт хүчилтөрөгч орохоос сэргийлж, цэвэр ирмэг үүсгэхэд тусалдаг. Ажилтнууд энэ тохиргоог ямар төрлийн материал дээр ажиллаж байгаас хамааран хийн даралтыг тохируулахад хамгийн сайн ажилладаг гэж олж мэдсэн.

CNC системийн нарийвчлалын хяналт, автоматжуулалт дахь үүрэг

CNC системүүд нь эдгээр CAD загваруудыг үнэн зөв хөдөлгөөний зам болгон хувиргаж, ойролцоогоор 0.03 мм нарийвчлалтай давталтыг хангана. Эдгээр дэвшилтэт машинуудын контроллерүүд тасралтгүй байдлаар лазерын чадлыг (500 ваттаас эхлээд 30 киловаттын хүртэл хүрэх боломжтой), хайчлах толгойны хурдыг (заримдаа минутанд 200 метр хүртэл хурдтай) болон нарийн таван тэнхлэгийн хөдөлгөөний үеийн хийн даралтыг тохируулдаг. Энэ нь ямар ч гар ажиллагаагүйгээр маш нарийн дүрсүүдийг үүсгэх боломжийг олгодог. Гайхалтай нь материалын том хавтангуудтай ажиллахад ч эдгээр системүүд квадрат метр тутамд зөвхөн 0.05 мм-ийн дээд хэмжээний нарийвчлалтайгаар гадаргууг тэгш байлгах чадвартай байдаг. Ийм нарийвчлал нь өндөр чанартай деталь үйлдвэрлэхэд маш их ялгааг гаргадаг.

Хөргөлтийн системүүд ба машиний хүрээний тогтвортой байдал

Нарийвчлал нь дулааны тогтвортой байдлыг шаарддаг: усны хөргөгч нь лазер диодыг 25°C±2°C-ийн хооронд байлгаж, урт хугацаагаар ажиллах үед гүйцэтгэлийн хэлбэлзлийг саатуулдаг. Машины хүрээ нь ихэвчлэн гранит суурь ба шугаман заадаснаас бүтсэн байдаг бөгөөд 5 мкм-ээс доош хэмжээний хэлбэлзлийг дарангуйлж, 1,500 мм/с-ээс дээш хурдтайгаар тогтвортой огтлолт хийх боломжийг олгодог.

Компонент	Функц	Ажиллагааны үзүүлэлт
Лазерийн эх сурвалж	Өндөр интенсив чийдийг үүсгэдэг	ханын цахилгаан хангамжийн 98% үр ашгийг
Загсах өвч	Чийдийг фокустчилж, хийн урсгалыг удирддаг	0.08 мм фокусын цэгийн диаметр
CNC контролер	Огтлох загварыг гүйцэтгэдэг	0.01° эргэлтийн нарийвчлал
Дулааны тогтвортойжуулагч	Ажиллаж байгаа температурыг хадгалдаг	±0.5°C нарийвчлал

Энэхүү интеграци хийсэн архитектур нь 3×2 метрийн том хэмжээний ажлын талбайд 0.1 мм/м байршилтын нарийвчлалыг хадгалан 40 мм зузаан хүртэлх металлүүдийг нарийвчлалтай цацрагжуулах боломжийг олгоно.

Металл боловсруулах үед хайлж, цацрагжих механизмын зарчим

Шилэн лазерууд ойролцоогоор 1,070 нм долгионы урттай хэт ягаан гэрэл үүсгэдэг бөгөөд энэ нь ажиллаж буй материал руугаа их дулаан шилжүүлдэг. Энэ гэрэл металл дээр тусах үед металлын бүтцийн электронууд түүнийг шингээж, температурыг ихэвчлэн 1,400-1,650 хэмийн хооронд (ихэнх сталийн тэсвэртэй байдаг хязгаараас хэтрэх) хүргэдэг. Температур хурдан нэмэгдэх нь материалыг хайлуулах, мөн цахилгаан болгох үзэгдэлд хүргэж, бидний хэлж буйгаар ирмэгийг үүсгэдэг. Ойролцоогоор 6 мм-ээс хэтрэхгүй зузаан хальсны хувьд энэ процесс нэгэн төрлийн түрхэвчийн горимд ажилладаг бөгөөд лазерын цацраг шууд нэвтрэх бөгөөд металл шууд цахилгаан болдог. Харин илүү зузаан материалуудын хувьд үйлдвэрлэгчид ихэвчлэн хайлуулж, холих гэж нэрлэгддэг өөр нэг арга барилд шилждэг. Энэ арга нь тасралтгүй долгионы ажиллагааг ашиглан хайлуулалтын үйл явцад хичнээн хэмжээний материал авчихлагдаж байгааг удирддаг.

Туслах хийнүүдийн үүрэг: Хүчилтөрөгч, Азот ба Шахсан агаар

Туслах хийнүүд нь хайлангуудыг шахан гаргах, дулааны нөлөө үзүүлсэн бүсийг (HAZ) хөргөх, исэлдэлтийг удирдах гэсэн гурван үндсэн үйлдлээр хайлангийн чанар болон хурдыг сайжруулдаг.

Газын төрөл	Хайх процесст нөлөөлөх	Шилдэг нь
Кислород	Экзотермийн урвал дулаан нэмж, хурдыг 30%-иар нэмэгдүүлдэг	Хялбар нүүрстөрөгчтэй ган >3 мм
Азот	Инерт хамгаалалт исэлдэлтийг саатуулж, ирмэгийг цэвэр, жижиг хэсгүүдгүй болгодог	ЦАГААН ТӨМӨР, алюмин
Сэтгэгдсэн агаар	Шийдвэрчигдэх асуудал биш болох хэрэглээнд эдийн засгийн хувьд тохиромжтой сонголт	Нимгэн хальсны металл (<2 мм)

The Fabricator-ийн 2024 оны салбарын шинжилгээнд тэмдэглэснээр, хийн даралт (1–20 баар) нь хайх чанарт ихэд нөлөөлдөг — өндөр даралт нь шлакийг илүү сайн шахан гаргадаг ч турбулентийг үүсгэж болзошгүй. Орчин үеийн системүүд оптималь үр дүнгийн тулд ±2% даралтын тогтвортой байдлыг хадгалахын тулд CNC-удирдлагатай пропорциональ холбоосуудыг ашигладаг.

Цэвэр хайхад савхны үйл ажиллагаа болон хийн урсгалын динамик

Конусан савх (0.8–3.0 мм диаметртэй) нь туслах хийг супер дуун хурдтай (Мах 1.2–2.4) урсгал болгон хувиргаж, хайсан замнаас хайлж буй металлыг үр дүнтэй зайлуулдаг. Чухал хүчин зүйлс нь:

• Зайн хэмжээ : Савааны хамгаалалтыг хангаж, хийн нөлөөллийг үр дүнтэй байлгахын тулд 0.5–1.5 мм зазгаар үлдэнэ
• Хийн линзийн загвар : Ердийн саваанаас 62%-иар урсгалын турбулентийг бууруулдаг
• Тэнхлэгийн дагуух эгнэлт : Цацраг ба хийн урсгалын хооронд <0.05 мм нарийвчлалын эгнэлт шаардлагатай

Оновчтой савааны загвар нь давсны урсгалыг сайжруулснаар таслах хурдыг 18%-иар нэмэгдүүлж, хийн хэрэглээг 22%-иар бууруулдаг. Интеграцид хийгдсэн пьезо цахилгааны сенсор нь 50 мс-д хугарлыг илрүүлж, холбоотой дутагдалд ойролцоогоор 93% -ийг саатуулдаг.

Цацрагийг фокуслах, нарийвчлалын хяналт, чанарын баталгаажуулалт

Коллиматор болон фокуслах линз ашиглан лазерын цацрагийг фокуслох

Төвдөх линзүүд нь тархсан гэрлийн цацрагуудыг зорилтод хүрэхээс өмнө илүү параллель байдлаар эгнүүлэх замаар ажилладаг. Өндөр нарийвчлалтай нэгдсэн кварцийн оптик систем энэ зохицуулсан цацрагийг 0.1-0.3 мм-ийн жижиг цэгт фокус болгоно. InTechOpen-ийн судалгаанууд BPP (цацрагийн параметрийн үржвэр) шиг цацрагийн чанарын хэмжигдэхүүнүүдийн хувьд 2 мм·мрад-аас доош байвал таслагын нарийвчлалд ихээхэн нөлөө үзүүлдэг гэж зааж өгсөн. Үр дүнд нь улайхгүй гангийн таслалт нь уламжлалт CO₂ лазерийн системүүдэд боломжтой байдагтай харьцуулахад ойролцоогоор 30%-иар нарийн байж болно. Энэ нь нэг миллиметр бүр чухал байдаг үйлдвэрлэлд маш том ач холбогдолтой.

Савхны эгнэлт ба фокусын цэгийн тохируулга

Савааны үзүүр болон фокусын хавтгай хоорондын ±0.05 мм-ийн зайг хадгалах нь цацрагийн огтлолын хаалтгүй үр дүнтэй хайлж гаргах боломжийг бүрдүүлдэг. Хязгаарлалтын өндрийн сенсорууд хайчлах үед бодит цагт автоматаар тохируулгыг хийх боломжийг олгодог. 2023 оны нугаллын туршлагын дагуу хайчлах үедээ 0.1 мм-ээс давсан хазайлт нь хөнгөн цагаан боловсруулах үед дэвсгэр үүсэх магадлалыг 60%-иар нэмэгдүүлдэг.

CNC системийн тусламжтайгаар бодит цагт хяналт тавих ба уялдаатай удирдлага

Орчин үеийн CNC системүүд ажиллаж байх үедээ секунд тутамд ойролцоогоор 1000 мэдээллийн цэгийг цуглуулдаг. Эдгээр хэмжилтүүд нь хийн зан төлөв, дулаан линзэнд нөлөөлөх арга замаас эхлээд машин яг одоо хаана байгааг хүртэл бүх зүйлсийг хамардаг. Энэ бүх мэдээлэлд үндэслэн систем миллисекундын дотор лазерын чадлыг 1-20 киловатт, хурдыг минутанд 0.1 метрээс 40 метр хүртэлх хязгаарт тохируулж чаддаг. Үр дүн нь? Нийлмэл хэлбэр, нарийн загварууд дээр ажиллах үед ч гэсэн хэмжээний алдаа нь +/- 0.1 мм-д хүрэхгүй байх нь тогтмол нарийвчлалыг хангана. Хувьсах давтамжийн пульсын модульлолтыг жишээ болгоё. 5 мм зеб олсоны хавтанг таслахад энэ арга нь уламжлалт арга байдлаас харьцуулахад дулааны нөлөөллийн бүсийг бараг хагасаар багасгадаг бөгөөд нарийн ажилд шийдвэрчигч өөрчлөлтийг авч ирдэг.

Урьдчилан тооцоолсон параметрийн тохируулга болон чанарын шалгалтанд хиймэл оюун ухааны интеграци

10,000-аас илүү огтлолын загвар дээр сургагдсан машин зурах загварууд одоогоор шинэ материалын хувьд төгс тохиргоог 92% нарийвчлалтай урьдчилан таамаглаж чаддаг болсон. Өндөр нарийвчлалтай хараа систем (5-μm нарийвчлал) спектрийн шинжилгээтэй хослуулснаар гар аргаар шалгахтай харьцуулахад микро дутагдал 50%-иар хурдан илрүүлэх боломжийг олгодог бөгөөд автомашин үйлдвэрлэлд хаягдалын түвшинг 18%-иар бууруулдаг (2024 оны Нарийн Машинлагжуулалтын Тайлан).

Материалын нийцэл ба үйлдвэрлэлийн хэрэглээ

Шилэн лазераар огтлоход тохиромжтой метал: Хэрх мөнгө, Алюмин, Зэс

Ойролцоогоор 1 микрометр давтамжийн ширхэг лазер нержисэн ган, хөнгөн цагаан, зэвэрдэггүй хайлаас зэрэг гялалзсан металлууд дээр маш сайн ажилладаг. 2024 онд хийсэн саяхны туршилтуудад эдгээр лазерын систем нь зузаан нь 3 см болох нержисэн ган хавтанг ч хатахын төвөггүй огтолж чаддаг бөгөөд хэмжээний нарийвчлалыг миллиметрийн зууны нэг хэсэгт хадгалж чаддаг болсон. Ийм нарийвчлал нь барилга, тээврийн хэрэгслүүдэд шаардлагатай бүтцийн хэсгүүдийг үйлдвэрлэхэд маш тохиромжтой болгож өгдөг. Машинуудын бие дахин хэрэглэдэг хөнгөн цагаан хайлшийг огтлоход ширхэг лазер нь уламжлалт CO2 лазераас 20-25 хувиар илүү хурдан ажилладаг. Энэ хурдны давуу тал нь цонхины металл хавтангийн хувьд дулааны визийн асуудлыг бууруулахад тусалдаг бөгөөд автомашин үйлдвэрлэлтэд чанарыг хадгалахад чухал ач холбогдолтой.

Тохиолдол: Авто үйлдвэрлэл дэх өндөр нарийвчлалтай огтлолт

Автомашин үйлдвэрлэгчид хөндийн хэсгийг 0.05 мм нарийвчлалтайгаар үйлдвэрлэхийн тулд шилэн кабельтэй лазерийн төхөөрөмжийг ашигладаг. 2023 оны тайлан энэ технологи нь өндөр бат бөх чанарын гангаар хийсэн хаалганы хүрээний хэлбэрийг боловсруулах үед материаллаг хаягдалд 18%-иар бууруулдаг болохыг онцолсон. Түүнчлэн, дугуйн тойргийн огтлолтын үед хийгдэх цахилгаан хангамжийн тохируулга нь тормозны деталийг үйлдвэрлэхэд анхны үе шатанд 98% амжилтанд хүрдэг.

Ирээдүйн чиг хандлага: Агаарын болон эмнэлгийн тоног төхөөрөмжийн үйлдвэрлэлд хэрэглэх

Шилэн лазерыг дагуулд ашигладаг хөнгөн цагаан хавтсанд боловсруулахад нисэх онгоцны салбарт өсөлт илэрч байна. Харин эмнэлгийн тоног төхөөрөмжийн үйлдвэрлэлд ижил лазер нь титаны орлуулга материалыг 50 микрон орчим нарийвчлалтайгаар хайчилж чаддаг. Олон инженер одоо шингэн зэвэрдэггүй гангаар хийсэн хагалгааны багажинд жижиг элементүүдийг үүсгэхдээ шилэн лазерийг ашигладаг. Тэдгээрийн гадаргуугийн төгсгөлийн чанар нь ихэвчлэн дараа нь ямар нэгэн нунтагжуулах алхам хийх шаардлагагүйгээр 0.8 микроны доорх нарийн төвөгтэй байдаг. Эдгээр давуу талуудыг харгалзан үзвэл шилэн лазерын хайчлалт нь хүний бие махбодид сайн ажилладаг хувьсалын цэвэр энерги технологи болон эмнэлгийн тоног төхөөрөмжийг хөгжүүлэхэд маш чухал болсон нь юу ч гайхмаар биш юм.

Түгээмэл асуулт

CO2 лазерийн уламжлалт лазерийг ашиглахад шилэн лазерын гол давуу тал юу вэ?

Шилэн лазерын гол давуу тал нь CO2 лазерын системээс ойролцоогоор 30% илүү энергийн үр ашгийг хангасан байдагт оршино. Мөн тэд бага хэмжээний суурилуулалтыг боломж болгодог бөгөөд нарийвчлалтай хайчлах боломжийг олгодог.

Шилэн лазер хэрхэн нарийн огтлолт хийдэг вэ?

Шилэн лазерууд стимулт цацрал, фокусжүүлэх линз, лазерын чадлыг, хурдыг болон хийн даралтыг удирдах CNC системийн тусламжтайгаар нарийн огтлолт хийдэг. Энэ нарийвчлал нь өндөр интенсивт ч бас хадгалагддаг.

Шилэн лазер ашиглан огтлохад тохиромжтой металлүүд аль нь вэ?

Шилэн лазер нержисан ган, хөнгөн цагаан, зэвэрхий шиг гялалзсан металлууд дээр сайн ажилладаг тул автомашин, нисэх онгоц зэрэг салбарт бүтцийн хэсгүүдийг үйлдвэрлэхэд илүү тохиромжтой.

Туслах хий лазерийн огтлолтыг хэрхэн сайжруулах вэ?

Хүчилтөрөгч, азот, шахсан агаар зэрэг туслах хий нь хайласан материалыг зайлуулах, дулааны нөлөөллийн бүсийг хөргөх, исэлдэлтийг удирдахад тусалдаг бөгөөд иймд огтлолтын чанар, хурдныг сайжруулдаг.