Artikel ini menyediakan diagram skematik laser Karbon Dioksida (CO 2 ).
Laser industri yang paling berguna untuk pengelasan dan pemotongan adalah laser CO 2 di mana media penguatnya adalah campuran karbon dioksida, nitrogen, dan helium dalam rasio tipikal 1: 1: 10 pada tekanan 20-10 torr dengan tegangan listrik. debit 10-30.000 volt.
CO 2 dapat memiliki tabung gas tertutup atau gas yang mengalir di dalam tabung. Prinsip gas yang mengalir meningkatkan output daya sekitar 3 kali lipat dari jenis tabung tersegel dari bahan laser. Laser CO 2 dapat beroperasi baik dalam mode gelombang berdenyut atau kontinyu dan telah dikembangkan untuk menghasilkan output yang bervariasi dari beberapa ratus watt hingga lebih dari 20 KW. Sinar laser yang dihasilkan berada di wilayah spektrum infra merah jauh pada panjang gelombang sekitar 10,6 µm (106000 Å).
Aliran gas dalam laser CO 2 mungkin sepanjang sumbu sinar laser atau melintang padanya pada tekanan operasi 80 torr atau kurang meskipun sinar laser CO 2 berdenyut telah diproduksi pada tekanan atmosfer. Dengan kedua jenis aliran gas, cermin pemantul total digunakan di salah satu ujungnya dan transmisi sebagian , untuk panjang gelombang 10,6 µm, di ujung lainnya untuk bertindak sebagai jendela keluaran. Bahan semi-konduktor berlapis seperti seng selenida (ZnSe) digunakan sebagai jendela keluaran untuk laser CO 2 dengan keluaran hingga beberapa kilowatt. Bahan tersebut, bagaimanapun, terbakar pada tingkat daya yang lebih tinggi dan dengan demikian cermin logam annular digunakan untuk memfasilitasi transmisi.
Diagram skematik laser CO 2 150 watt ditunjukkan pada Gambar 14.22.
Gas pra-campuran dimasukkan terus menerus ke dalam tabung yang membentuk rongga laser. Tabung pelepasan didinginkan dengan air dan potensial dc sekitar 10 KV dipertahankan di antara elektroda. Di setiap ujung tabung pelepasan terdapat cermin yang dapat disesuaikan yang dipasang melalui bagian bawah yang fleksibel ke tabung. Satu cermin yang terdiri dari emas yang diendapkan pada pyrex atau stainless steel dipantulkan secara total pada 10-6 µm sedangkan cermin yang membentuk jendela keluaran memiliki lapisan dielektrik yang diendapkan pada substrat germanium.
Untuk laser CO 2 daya tinggi, tabung pelepasan terdiri dari sejumlah tabung yang ditempatkan dalam konfigurasi paralel dengan pengaturan untuk pelipatan optik cahaya melalui pantulan bolak-balik. Laser aliran aksial lambat dapat menghasilkan output maksimum sekitar 500 watt karena 75 – 90% energi pelepasan dihamburkan dalam gas yang mengakibatkan panas berlebih dan dekomposisi dengan konsekuensi penurunan output.
Untuk keluaran yang lebih tinggi, gas digerakkan melalui tabung laser dengan kecepatan tinggi oleh peniup; ini mengurangi kehilangan panas ke dinding hingga jumlah yang dapat diabaikan. Sementara laser aliran aksial lambat akan menghasilkan sekitar 50 – 70 watt per meter rongga laser, laser aliran aksial cepat dapat menghasilkan hingga 600 watt per meter.
Operasi Laser Gas:
Dalam laser karbon dioksida, molekul CO 2 dieksitasi secara vibrasi oleh pelepasan listrik melintasi rongga laser. Eksitasi vibrasi langsung dari CO 2 dengan lucutan listrik tidak efisien. Namun, N 2 menerima energi secara efektif dari pelepasan dan tingkat energi vibrasi molekul N 2 dan beberapa molekul CO 2 tersebut sangat dekat. Itu sebabnya N 2 ditambahkan ke CO 2 dan dengan demikian CO 2 dieksitasi oleh pertukaran energi resonansi dengan N 2 . Proses dua langkah ini jauh lebih cepat dan efisien daripada proses eksitasi langsung CO 2 .
Transisi dari keadaan energi getaran atas ke tingkat menengah disertai dengan emisi foton dengan panjang gelombang karakteristik 10-6 µm di zona inframerah spektrum radiasi. Molekul CO2 pada tingkat energi menengah harus kembali ke tingkat dasar untuk menyelesaikan proses.
Hal ini dicapai secara cepat dengan menambahkan helium ke dalam campuran CO 2 – N 2 ; karena tumbukan antara molekul CO 2 dan He menghasilkan transfer sisa energi eksitasi ke helium. Energi ini kemudian dihilangkan sebagai limbah panas. Proses emisi laser dengan jatuhnya CO 2 dan N 2 melalui tingkat energi yang berbeda ditunjukkan pada Gambar 14.23.
Seperti dalam laser solid-state, laser gas juga dapat bekerja hanya dengan menetapkan kondisi inversi populasi yang dicapai melalui lucutan pijar tegangan tinggi. Tetapi lucutan pijar menghasilkan ketidakstabilan pada tingkat arus di atas 300 mA dan jika lucutan pijar berubah menjadi lucutan busur, kondisi termodinamika terbentuk dan penguat tidak dapat terjadi.
Hal ini dapat dicegah dalam sistem daya tinggi melalui ionisasi tambahan dengan menggunakan tenaga listrik frekuensi radio pada tegangan tinggi. Namun, saat ini laser CO2 berdaya tinggi hanya beroperasi dengan lucutan listrik dc tanpa menggunakan ionisasi tambahan.
2 tereksitasi listrik berdaya tinggi dengan output kontinu hingga 20 KW yang memiliki efisiensi 10-15% didinginkan secara konvektif; aliran cepat gas digunakan untuk menghilangkan panas dari rongga laser. Untuk meminimalkan biaya operasi, penukar panas gas-ke-cair digunakan dan gas laser disirkulasi ulang dalam sistem seperti yang ditunjukkan untuk laser CO2 aliran aksial pada Gambar 14.24. Hanya sejumlah kecil gas yang dikonsumsi karena kebutuhan untuk pemindahan terus-menerus dan penambahan sejumlah kecil campuran gas laser untuk mencegah penumpukan kontaminan yang dihasilkan oleh disosiasi CO 2 dan N 2 dalam pelepasan listrik.
CO 2 dapat beroperasi baik dalam mode gelombang berdenyut (PW) dan gelombang kontinu (CW).
Daya Berdenyut:
Dengan sinar laser berdenyut, penetrasi las ditentukan oleh energi pulsa dan durasi. Penetrasi meningkat dengan peningkatan energi pulsa dan durasi. Durasi pulsa harus cukup lama untuk mengaktifkan konduksi dan peleburan ke kedalaman yang diinginkan. Karena kekuatan sinar dikendalikan oleh energi pulsa dan durasi, kerapatan energi pada permukaan kerja dikendalikan oleh optik pemfokusan.
Penetrasi dalam pengelasan berkas pulsa juga diatur oleh ikatan material yang tepat. Untuk energi pulsa dan durasi tertentu, semakin tinggi difusivitas termal semakin dangkal penetrasi. Sinar laser daya tinggi, yaitu sinar dengan energi pulsa tinggi dan durasi pulsa pendek, ditemukan sesuai untuk bahan tersebut dengan difusivitas termal tinggi dan kebalikannya berlaku untuk bahan difusivitas termal rendah.
Penetrasi maksimum yang dapat dicapai dengan laser solid-state saat ini hanya sekitar 1-5 mm dan dengan demikian proses dapat digunakan secara efektif hanya untuk bahan pengukur cahaya. Hubungan antara variabel proses untuk laser berdenyut kapasitas rendah, bila digunakan untuk pengelasan baja tahan karat, titanium, dan aluminium disajikan dalam bentuk grafik pada Gambar 14.25.
CO 2 yang dapat menghasilkan puncak pulsa 3 KW pada frekuensi hingga 2-5 KHz dari unit daya rata-rata nominal 500 watt.
Daya Kontinu:
Sinar laser daya kontinu diperoleh dari laser gas. Laser dengan daya rendah semacam itu dapat digunakan untuk penetrasi berbasis konduksi tipe konvensional, sedangkan mode penetrasi lubang kunci hanya dapat diperoleh dengan laser daya tinggi – dengan kecepatan pengelasan lebih dari 40 cm/menit. Penetrasi sekitar 20 mm dalam baja paduan dapat diperoleh dengan sinar laser CO2 15 KW yang terus menerus . Bagian yang lebih berat dapat dilas dalam dua lintasan, satu dari setiap sisi.
Dalam laser daya tinggi ada kemungkinan ionisasi uap logam yang dapat menyebabkan pembentukan plasma di atas permukaan benda kerja yang dapat menyerap sinar laser dengan konsekuensi penurunan kedalaman penetrasi. Hal ini biasanya dihindari dengan membuat aliran gas helium di atas noda untuk menyapu ion yang menyebabkan pembentukan plasma.
Laser gas yang digunakan untuk pengelasan saat ini semuanya adalah laser CO 2 panjang gelombang 10,6 gabungan karena telah terbukti paling efisien dan menghasilkan daya tertinggi. Namun laser Nd: YAG dengan karakteristik spesifik tertentu saat ini merupakan laser industri yang paling banyak digunakan untuk pengelasan.
