Anvendelse og udbredelse

Transkript

1 Anvendelse og udbredelse Laserskæringen har overtaget en stor del arbejde fra bl.a. de traditionelle stanse-, lokke-, flamme- og plasmaskæremaskiner. Laserskæring er karakteristisk ved: - materialet påvirkes lokalt og koncentreret. - smalle snitfuger og minimal påvirkning af materialet. - høj præcision uden at emnet deformeres. Bearbejdning med laser kan udføres i mange forskellige materialer f.eks. ulegeret stål, rustfast stål, aluminium, akryl, plast, gummi, læder og træ.

2 Lys Lys er en energi der passerer gennem luften i usynlige og forskellige bølgelængder. Lange bølger ser vi som rødt lys. Korte bølger ser vi som blåt lys. Sollys ser vi som hvidt lys, blanding af mange kulører af varierende lysbølger. Et lysglimt er en elektromagnetisk bølge, frembragt ved at en elektron springer fra en ydre skal til en mindre skal under udsendelse af en LYSFOTON (f.eks. i CO2 - gassens atom). Lys afgivet fra et atom genererer en kædereaktion, hvorved andre atomer afgiver energi i form af lys.

3 Laser lys Laser lys (Light Amplified by Stimulated Emitted radiation)har ensartet bølgelængde, derfor har det enkelte lasermedium egen farve(monokromatisk). Lysbølgerne vandrer og svinger i takt i absolutte rette stråler (kohærent). Det er det, der gør laserlys så voldsomt stærkt En lasers totale energi kan koncentreres på et areal så lille som en milliontedel af en kvadratmillimeter. En laserstråle vil spredes over et areal, der er mindre end en kvadratkilometer, hvis strålen sendes til månen. Kravene til de fysiske tilstande for at frembringe en laserstråle er så specielle, at laserstråling kun kan skabes af mennesker. Laserstråling kan ikke genfindes i naturen, hvilke er ret enestående med tanke på, at alle kernereaktioner er velkendt fra stjernernes indre.

4 Laserens historie I 1900-tallet opstillede Einstein en teori om, at atomer kunne bestråles med lys, og derved bringes til at lyse. Niels Bohr s teorier om atomets opbygning fremmede ideerne til laserens udvikling. Laseren kunne være opfundet i 1930erne, men der var megen mistro. 2. verdenskrig satte skub i forskningen og udviklingen af radar fremsatte Townes og Schaulow teorien for selve laserens virkemåde blev den første faststof laser konstrueret af T. H. Mainmann, en kunstig rubin sammensat af aluminium, ilt og krom blev den første helium/neon-gasstoflaser fremstillet af A. Javav. Siden 1960 og op til nu er der blevet fremstillet mange forskellige typer af lasere, en udvikling der stadigvæk pågår.

5 Laserprincippet Et atom vil under normale omstændigheder være på laveste energiniveau. Kun når atomet bliver ramt af en lysfoton(a), vil den gå til et højere energiniveau. Atomets elektroner vil søge tilbage til gundtilstand, og derved udsende en ny lysfoton(b). Lysfoton(A) kan nu bevæge sig med lysfoton(b) og derved skabe flere lysfotoner. En kædereaktion opstår i resonatoren. Ved hjælp af spejle i begge ender af resonatoren af forskellig reflekterende virkning, kan der frembringes en kraftig laserstråle 10-14mm, der via en linse i maskinens skærehoved fokuseres ned til anvendelig diameter.

6 Laserprincippet Resonatoren CO2 Laser Opbygningen af en CO2 laser, består af en resonator samt to hulspejle, et gascirkulationssystem samt et antal spejle til at føre laserstrålen frem til skærehovedet og linsen. Laseraktivt stof (CO2) pumpes ind i resonatoren samt kvælstof og helium. Strøm tilsluttes(volt) hvorved reaktionen starter og laserlys opstår. Gassen omdanner elektrisk energi

7 Laserprincippet Resonatoren FAF Laser Fast Axial Flow resonatoren er opbygget således, at gassen strømmer gennem resonatoren med høj hastighed. Dermed kan den nødvendige køling og regenerering foretages uden for reononatoren. Den øvrige opbygning minder om C02 laserens.

8 Laserprincippet Resonatoren YAG Laser Nd-YAG-Laser resonatoren består af en faststof stang, der belyses med kraftig blitzlampe. Kraftig blitz påvirkning giver mere effekt. I begge ender af faststof stangen er der monteret spejle. Ligeledes er selve den indvendige side af resonatorkappen, der indkapsler faststofstangen, reflekterende. Det aktive lasermedie der føder laserstrålen er Neodymium, som er indlagt i en stav af krystallinsk grundmateriale, Yttrium-aluminium-garnet, heraf forkortelsen YAG.

9 Laserskæreprocessen Laserstrålen opvarmer emnet. Snitfugen dannes ved et med strålen koaksialt(samme akse) gasflow. Gassens part i skæreprocessen: Beskytter linsen mod sprøjt og dampe. Holder strålepassagen fri. Fjerner det smeltede materiale fra snitfugen. Ved gassens reaktion med damp og smeltemasse øges skærehastigheden i visse materialer (eks. Stål).

10 Lasereffekt og intensitet Laserens kapacitet angives ved effekten, 500watt, 1500watt etc.. Laser effekten = energi pr. sekund. Høj Intensitet = - hurtig opvarmning - høj skærehastighed - god snit kvalitet - mulighed for skæring i større materialetykkelser Høj intensitet kan opnås ved kontinuert og pulserende stråle. Gennemtrængnings evnen bestemmes enten af spidspulseffekt ved pulseret skæring eller middeleffekten ved kontinuert skæring. Høj middeleffekt = Høj skærehastighed

11 Laserstrålens mode Laserstrålens mode = energifordeling gennem strålens tværsnit. Modens påvirkning på skæreprocessen: Påvirker størrelsen af den fokuserende plet. Øget energikoncentration udenfor den fokuserende plet, giver opvarmning af materialet omkring fugen, hvilket påvirker snitkvaliteten. Gauss-mode anvendes fortrinsvis, da den giver en optimal fokusering. Gauss-mode = Transverse Elektromagnetic Mode of the Zero Order.

12 Laserstrålens polarisation Laserstrålens elektromagnetiske svingning er polariseret. Polarisationen påvirker absorptionen af lys i snitfugen. Polarisationen foregår i forskellige retninger under skæring. Den skal være vilkårlig eller cirkulær, når der skæres i mere end en retning, ellers er der risiko for, at snit kvaliteten vil variere i de forskellige retninger.

13 Linsens brændvidde Brændvidde er bestemmende for den fokuserende laserstråles facon. Mindste opnåelige plet størrelse er en funktion af bølgelængde, strålens mode, strålens diameter ved linsen og linsens brændvidde. Fordele ved lille pletdiameter: Laserstråle med kortbølgelængde God mode Stor stråle diameter Kort brændvidde Lille pletstørrelse = kort fokusdybde = Høj hastighed = god snitkvalitet Særdeles velegnet til tyndplade

14 Gas og gastryk Gassens primære mål er at bortblæse opsmeltet og fordampet materiale fra snitfugen. Ligeledes kan den have et eller flere nedenstående formål: Kemisk aktiv, indgår i forbrænding af materiale Kemisk inaktiv, medvirker til beskyttelse af materialet. Bortblæser smeltet materiale fra snitfugen, så grat dannelse på underside undgås. Beskytter dyser og optik mod smeltemateriale og dampe og holder strålebanen fri. Generelt skal gastryk nedsættes i tykke emner. Gastryk kan variere 5 til 20bar afhængig af linse tykkelse.

15 Linsens brændvidde Brændvidde er bestemmende for den fokuserende laserstråles facon. Mindste opnåelige plet størrelse er en funktion af bølgelængde, strålens mode, strålens diameter ved linsen og linsens brændvidde. Fordele ved lille pletdiameter: Laserstråle med kortbølgelængde God mode Stor stråle diameter Kort brændvidde Lille pletstørrelse = kort fokusdybde = Høj hastighed = god snitkvalitet Særdeles velegnet til tyndplade

16 CO2 Laser CO2 laseren er meget udbredt, stor middeleffekt, kan arbejde kontinuert og pulseret, god stråle mode. Kan levere en effekt på 20KW. Normal arbejdsområde dog watt.

17 Fiber Laser Fiberlaser: Effekt ca. 10Kw, blitzlys allerede koblet til en fleksibel optisk fiber(doteret med sjældne jordarter), Høj udgangseffekt, velegnet som 3d laser, Høj optisk kvalitet, Kompakt størrelse fiber kan bøjes rulles for at spare plads.

18 YAG laser Nd-YAG-laser (faststof): Effekt 1200w, arbejdsområde watt, pulseret mode, høj spidspulseffekt, lav middeleffekt, gode resultater ved præcisionsskæring langsommere end CO2