Setelah membaca artikel ini, Anda akan belajar tentang struktur laser Nd:YAG dengan bantuan diagram yang sesuai.
A Nd: Laser YAG terdiri dari resonator, cermin pemantul dan transmisi dan unit catu daya, seperti yang ditunjukkan secara skematis pada Gambar 14.26.
Resonator atau rongga optik laser Nd:YAG terdiri dari lampu datar, batang laser, reflektor dan cermin. Batang laser adalah Yttrium aluminium garnet (YAG) yang terdiri dari kristal isometrik Y 3 A 15 O 12 yang ditanamkan dengan ion neodymium (Nd) 1 % yang didistribusikan dengan hati-hati. Kristal ini dikembangkan oleh Geusic et al pada tahun 1962. Konduktivitas termalnya 10 kali lipat dari kaca. Osilasi berkelanjutan dimungkinkan dengan YAG.
Nd 3+ membentuk media berosilasi untuk memberikan aksi laser empat tingkat yang khas dalam laser solid-state. Empat tingkat energi yang ditunjuk E 0 sampai E 3 dan transisi laser ion Nd 3+ ditunjukkan pada Gambar 14.27. Sekalipun konsentrasi ion Nd 3+ dalam kristal meningkat, spektrum sinar yang berosilasi tidak menjadi luas, karena valensi dan jari-jari ion Nd 3+ tidak jauh berbeda dengan Y 3+ .
Di antara laser solid-state, Nd:YAG sekarang paling populer untuk digunakan dalam pengelasan. Laser ruby sebelumnya lebih populer tetapi sekarang laser Nd:YAG digunakan lebih luas di industri karena karakteristik termal yang baik dari kristal YAG. Gambar 14.28 menunjukkan secara skematis fitur penting dari unit las laser Nd:YAG.
Catu daya unit laser Nd: YAG menghasilkan pulsa arus dengan amplitudo dan durasi yang diinginkan dan mengumpankannya ke lampu busur listrik atau lampu flash spiral. Yang pertama digunakan untuk gelombang kontinyu berosilasi (CW) dan yang terakhir untuk cahaya gelombang berdenyut (PW). Batang YAG dan lampu eksitasi dipasang di rongga cermin pemantul. Bentuk rongganya adalah silinder elips atau ellipsoid ganda; beberapa rongga khas yang digunakan dalam praktek ditunjukkan, pada Gambar. 14.29.
Cahaya maksimum dipompa ke batang laser dengan bantuan rakitan reflektor sehingga menarik ion Nd untuk menghasilkan sinar laser dengan emisi spontan dan terstimulasi. Eksitasi pulsa dari batang laser menghasilkan pembangkitan pulsa sinar laser yang pada dasarnya memiliki durasi pulsa yang sama dengan pulsa arus dari catu daya. Meskipun laser continuous wave Nd:YAG juga telah dikembangkan tetapi saat ini tidak banyak digunakan untuk pengelasan.
Kemampuan untuk mengontrol parameter pulsa saat ini memungkinkan kontrol kedalaman, profil, dan tampilan penetrasi las. Durasi pulsa tipikal untuk laser las Nd: YAG berkisar dari 0,5 hingga 20 m detik dan tingkat pengulangan dari 5 hingga 500 hertz.
Diameter Titik Sinar Laser dan Nomor f :
Diameter sinar keluaran laser meningkat dengan peringkat daya laser, misalnya laser 1,5, 10 dan 25 kw memiliki diameter sinar masing-masing dalam urutan 10, 25, 40, dan 70 mm. Densitas daya rata-rata melintasi diameter berkisar antara 6 sampai 13 W/mm 2 ; konsentrasi daya aktual yang didistribusikan menurut mode pancaran (lihat Gambar 14.17 A). Untuk pengelasan lubang kunci dengan kerapatan daya sinar laser dari urutan 10 3 sampai 10 5 W/mm 2 diperlukan yang memerlukan pemfokusan sinar laser ke titik yang sangat kecil dengan diameter hanya sebagian kecil dari mm.
Ukuran titik fokus ditentukan oleh diameter sinar laser, panjang fokus dari optik pemfokusan yang digunakan, mode sinar dan sudut divergensi sinar (Sudut divergensi adalah sudut di mana sinar laser yang hampir paralel merambat saat meninggalkan laser).
Laser las Nd:YAG umumnya memiliki sudut divergensi sinar yang lebih besar daripada laser CO 2 dan oleh karena itu tidak dapat difokuskan ke ukuran titik yang sangat kecil tanpa menggunakan kolimator yang ditempatkan sebelum lensa pemfokusan (yaitu teleskop terbalik).
Perkiraan ukuran titik fokus untuk laser ini biasanya diperkirakan dari rumus berikut:
Diameter titik terfokus = 2θF … (14.1)
di mana,
θ = sudut divergensi (radian) sinar laser saat meninggalkan laser atau kolimator,
F = panjang fokus (mm) lensa pemfokusan yang digunakan.
Meskipun diameter titik fokus adalah parameter penting tetapi dari sudut pandang praktis, angka pemfokusan lebih berguna untuk menetapkan kondisi pengelasan yang toleran di mana angka f didefinisikan sebagai rasio panjang fokus optik pemfokusan (F) terhadap diameter sinar laser ( D), yaitu,
Fokus f angka = F/D … (14.7)
Diameter sinar datang, Gambar 14.30, ditentukan untuk laser Nd:YAG dengan mengambil cetakan foto.
Kecuali kecepatan pengelasan adalah yang terpenting, yang terbaik adalah memilih ukuran titik fokus untuk pengelasan berdasarkan f nomor 4 untuk laser Nd: YAG dan 7,5 untuk laser CO 2 .
Ukuran Titik Terfokus, Kedalaman Fokus, dan Posisi Fokus:
Untuk mencapai kerapatan daya yang diperlukan untuk pengelasan lubang kunci (10 3 hingga 10 5 W/mm 2 ) pemilihan dan pemeliharaan ukuran titik fokus adalah hal yang paling penting. Ini memerlukan pemilihan optik pemfokusan yang tepat yang menentukan ukuran titik fokus.
Ketika cahaya dipusatkan, sinar-sinar tersebut menyatu ke diameter pinggang yang sangat kecil, d, dan panjang, L, Gambar 14.30, sebelum menyimpang lagi. Diameter dan panjang pinggang minimum yang tepat yang dicapai bergantung pada jenis optik; panjang fokusnya, F; diameter berkas, D, datang pada optik, apakah berkas datang konvergen atau menyimpang; nomor TEM balok; panjang gelombang cahaya dan kekuatan laser.
Gas Pelindung :
Gas pelindung digunakan dalam pengelasan laser untuk melindungi logam cair dari oksidasi dan untuk melindungi transmisi sinar laser karena fokus pada pekerjaan yang memastikan penetrasi yang baik dengan meminimalkan ekspansi dan hamburan sinar yang mungkin disebabkan oleh uap dan gas sekitar lubang kunci las.
Gas pelindung yang umum digunakan untuk pengelasan laser adalah argon, CO 2 , helium dan OFN (nitrogen bebas oksigen). Namun, cukup sering, las titik tunggal yang memuaskan dapat dibuat dengan laser Nd:YAG tanpa gas pelindung sama sekali karena las meleleh dalam waktu yang terlalu singkat untuk menyebabkan kerusakan akibat oksidasi.
Namun saat membuat sambungan sambungan atau las butt dengan titik tumpang tindih Ar atau OFN biasanya digunakan untuk laser dengan daya hingga 300 W. Di atas level daya ini pelindung gas menjadi lebih kritis dan dapat memengaruhi kedalaman dan penampilan penetrasi.
Untuk laser Nd:YAG yang beroperasi pada kisaran daya 1 kW masalah kontrol penetrasi diatasi dengan penggunaan Ar + 20% CO 2 atau Ar + (1-2)% O 2 sebagai gas pelindung, betapapun sedikit oksidasi dari logam las dapat disebabkan oleh mereka. Helium juga dapat digunakan dengan laser Nd:YAG tetapi dilaporkan menyebabkan lebih banyak porositas las dibandingkan dengan penggunaan OFN.
Laju aliran gas yang diperlukan terutama bergantung pada daya laser. Misalnya gas (tingkat rendah 10 hingga 20 lit/mnt. akan cukup untuk laser hingga kapasitas 3 kW. Saat menggunakan perangkat pelindung koaksial atau tabung samping yang diposisikan dengan benar. Pada daya dari 3 hingga 5 kW, laju 15- 30 lit/min, dan untuk yang antara 5 dan 10 kW tingkat 25 sampai 40 lit/min disarankan.
Perangkat Pelindung Gas:
Untuk pengelasan laser Nd: YAG, perangkat pelindung tabung samping sederhana, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 14.31, umumnya digunakan, terutama di mana lasan titik presisi diperlukan. Hal ini karena side tube memberikan akses visual yang baik ke area target untuk spot weld.
Saat membuat sambungan sambungan dan las butt, pelindung rok annular koaksial dengan sinar laser, ditunjukkan pada Gambar 14.32 memberikan perlindungan las yang andal. Perangkat pelindung nozzle co-aksial, ditunjukkan pada Gambar. 14.33, namun lebih praktis di mana senjata laser dimanipulasi oleh robot. Ini juga menyediakan kaca penutup optik dengan beberapa perlindungan dari kemungkinan percikan las karena gaya aliran gas koaksial sebagian akan menentang setiap partikel yang berjalan di jalur balok.
Menetapkan Kondisi untuk Laser Nd:YAG:
Pengelasan lubang kunci biasanya tidak dimungkinkan dengan laser Nd:YAG dengan daya keluaran di bawah 500 W. Pada daya rata-rata rendah (400W) dan waktu pulsa terkait 4-8 m detik, kedalaman penetrasi biasanya terbatas pada ukuran diameter titik yang adalah urutan 0,5-1 mm.
Laser Nd:YAG daya tinggi (> 800 W) dengan waktu pulsa katakanlah 2 m see dan frekuensi pengulangan pulsa tinggi 500 Hz dapat menghasilkan las tipe lubang kunci dengan rasio aspek lebar kedalaman lo yang tinggi. Namun, pada tingkat kekuatan ini las yang lebih dalam, dengan rasio aspek yang dikurangi, akan dicapai pada panjang pulsa yang lebih panjang dan tingkat pengulangan di atas 25 Hz. Ada kecenderungan pembentukan bentuk las yang terjadi sebagai lebar pulsa dan tingkat pengulangan disesuaikan dalam kaitannya dengan daya laser, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 14.34.
Dilaporkan bahwa las menerus sedalam 0,5 mm dapat dicapai pada kecepatan las lebih dari 3 m/menit. pada tingkat pengulangan pulsa 500 Hz saat menggunakan daya rata-rata 1 KW. Untuk membuat lasan yang dalam dan sempit pada kecepatan tinggi, diperlukan lebar pulsa yang pendek. Namun, kehati-hatian harus diberikan saat menggunakan pulsa pendek (< 1 m see) dan daya tinggi (katakanlah 1 kW) karena pemotongan las dapat terjadi melalui penguapan berlebihan dan pelepasan material.
Konfigurasi Bersama :
Selain sambungan yang ditunjukkan pada Gambar 14.21, pengelasan laser Nd: YAG dapat diterapkan pada sebagian besar konfigurasi sambungan dasar pada pelat dan pipa, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 14.35 sedangkan Gambar 14.36 menunjukkan sambungan lembaran logam dasar yang dapat dilaser. lasan.
Gambar 14.36 Konfigurasi sambungan lembaran logam dasar yang dapat dilas laser
Beberapa konfigurasi sambungan tipikal yang membantu sinar laser ke akses sambungan dan lokasi bagian ditunjukkan pada Gambar 14.37; ini praktis untuk direkayasa dengan ketebalan 3 mm atau lebih. Sambungan semacam itu cocok untuk peralatan presisi dan fabrikasi alat mesin dan jika diterapkan dengan hati-hati, bersama dengan distorsi rendah yang ditawarkan oleh pengelasan laser, dapat menjaga kelonggaran pemesinan pasca-pengelasan seminimal mungkin.
Performa Peralatan:
Ada kemungkinan bahwa rongga laser dengan kesalahan media optik atau penguat dapat menghasilkan daya laser yang diperlukan tetapi dengan struktur mode sinar yang terdistorsi atau berbeda, sehingga memengaruhi ukuran titik fokus dan akibatnya kerapatan daya pengelasan. Penuaan lampu flash Nd: YAG dapat menimbulkan masalah seperti itu.
Analisis sinar laser digunakan untuk memeriksa bentuk penampang sinar laser dan struktur modenya. Perangkat semacam itu dapat digunakan untuk memeriksa karakteristik sinar selama operasi pengelasan dan dengan demikian memberikan metode jaminan kualitas sehubungan dengan sinar laser. Beberapa penganalisis hanya menampilkan gambar dua dimensi dari profil balok, namun penganalisa yang lebih baru memiliki kemampuan untuk menampilkan, dengan bantuan grafik komputer, gambar isometrik tiga dimensi, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 14.38.
Manipulasi Sinar Laser:
Laser Nd:YAG sangat serbaguna dalam hal manipulasi sinar dan juga ketika satu laser diperlukan untuk bekerja di beberapa stasiun kerja. Hal ini disebabkan fakta bahwa panjang gelombang pendek 1,06 mm dari laser Nd:YAG dapat ditransmisikan melalui serat optik dengan kehilangan daya yang sangat kecil. Kemampuan ini berarti sinar laser dapat berjalan langsung dari unit laser melalui kabel fleksibel ke senjata laser yang dipasang pada pergelangan tangan artikulasi lengan robot, Gambar 14.39, tanpa kehilangan daya yang signifikan.
Ini membuat laser Nd:YAG cocok untuk otomatisasi produksi. Selain itu, laser dapat diposisikan agak jauh dari jalur produksi dan sinar laser disalurkan ke sana. Satu laser dapat mengoperasikan beberapa stasiun kerja untuk mengalihkan sinar laser dari stasiun ke stasiun, sementara pengelasan di satu stasiun, sebagian bongkar muat mobil berlangsung di stasiun lain. Di sisi lain, beberapa stasiun yang sangat berbeda dapat membagi waktu satu laser.
Sinar multi-mode dari laser Nd: YAG dapat dipisah, Gambar 14.40 (a), dengan memasukkan cermin lipat sinar yang terhuyung-huyung ke dalam dan melintasi jalur sinar. Dengan demikian sistem pemisahan balok, bersama dengan sistem pengiriman balok serat optik, dapat membuat beberapa las secara bersamaan di satu atau lebih stasiun kerja. Sebagai alternatif, balok dapat dialihkan secara berurutan, 14,40 (b), ke titik yang berbeda, seringkali hingga 30 m jauhnya.
Ada sistem pengelasan mikro-spot industri di mana sinar dialihkan di antara delapan stasiun kerja hingga 40 kali per detik. Saat sinar laser Nd:YAG dibelah, bentuk ganjil dari setiap penampang dihomogenkan menjadi bentuk yang dapat difokuskan dengan mentransmisikannya melalui serat optik.
Sistem pengiriman berkas serat optik sejauh ini adalah yang paling sederhana dan serbaguna. Bahan serat optik adalah SiO 2 (kuarsa) dan umumnya berdiameter kurang dari 1 mm.
Untuk efisiensi transmisi pancaran maksimum, ujung serat harus sangat halus dan persegi sempurna serta konsentris dengan sumbu optik lensa yang ditempatkan di setiap ujung serat. Selain itu posisi fokus sinar masuk harus tepat dalam kaitannya dengan ujung serat.
Efisiensi transmisi pancaran juga terganggu jika serat dibengkokkan terlalu rapat. Serat SiO 2 berdiameter 0,5 mm memiliki radius tekukan yang diperbolehkan sekitar 100 mm sebelum efisiensi terganggu, sedangkan untuk serat berdiameter 1 mm radius aman setidaknya dua kali lebih besar. Secara umum, total kehilangan daya laser untuk laser Nd:YAG dan sistem serat optik tidak lebih dari 10—15%.
Rakitan serat optik yang digunakan untuk mentransmisikan kekuatan las laser dibuat khusus dan sangat berbeda dari yang digunakan dalam elektronik. Yang digunakan untuk pengelasan dilindungi oleh selubung yang besar dan kuat, yang mencakup tabung baja fleksibel dan selubung nilon, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 14.41. Meskipun langkah-langkah ini cukup melindungi serat optik, fungsi utamanya adalah untuk menahan kerusakan industri yang tidak disengaja yang dapat menyebabkan patah tulang dan membiarkan sinar laser keluar yang dapat menyebabkan konsekuensi berbahaya.
Bahaya Sinar Laser:
Sinar laser yang tidak terfokus yang keluar secara tidak sengaja dari jalur transmisi sinar mampu menempuh jarak beberapa ratus meter di udara sebelum meluas cukup untuk aman. Sebaliknya, jika sinar terfokus jatuh secara tidak sengaja pada kulit, hal itu dapat menyebabkan luka bakar yang sangat dalam atau bahkan lubang luka bakar yang serius. Namun, pancaran fokus meluas jauh lebih cepat di luar titik fokus yang umumnya mencapai diameter aman setelah beberapa meter.
Jarak yang tepat tergantung pada fokus f nomor; semakin rendah angkanya semakin besar laju ekspansi balok. Bahaya juga dapat muncul karena pantulan sinar yang terfokus dari permukaan benda kerja, terutama jika sinar yang datang condong ke benda kerja pada sudut kurang dari 70°.
Karena sinar laser dari laser Nd:YAG atau CO 2 tidak terlihat oleh mata manusia dan bergerak dengan kecepatan sangat tinggi sekitar 300.000 km/detik, maka setiap sinar laser yang dipantulkan yang keluar akan menyerang secara instan siapa pun yang berada di jalurnya sehingga menyebabkan luka bakar kulit yang serius. Sinar laser berkekuatan tinggi yang tidak terfokus dengan diameter beberapa mm jika mengenai tubuh dapat melukai seseorang seumur hidup.
Sinar laser dari laser Nd:YAG dengan panjang gelombang 1,06 pm sangat berbahaya bagi mata, karena lensa di mata dapat memfokuskan panjang gelombang ini ke titik yang sangat kecil di retina dan menyebabkan gangguan mata yang serius. Sayangnya retina tidak mencatat rasa sakit yang disebabkan oleh bintik buta tersebut sehingga kerusakan yang terjadi pada mata mungkin tidak segera disadari. Oleh karena itu, tes mata rutin untuk personel laser harus diwajibkan untuk mendeteksi kerusakan tersebut sedini mungkin.
Terlepas dari kerusakan pada orang tersebut, sinar laser yang keluar dapat memicu kebakaran dan dengan mudah melelehkan pipa dan penutup kabel dan dengan demikian menyebabkan situasi berbahaya yang tidak diinginkan lainnya dengan mempengaruhi operasi yang aman dari pabrik lain. Harus diingat bahwa sinar laser yang tidak fokus dari laser multi-kilowatt, jika diberikan waktu, akan dengan mudah membakar pelat baja dan bahkan batu bata api.
Karena kaca dan akrilik transparan terhadap sinar laser dengan panjang gelombang 1,06 pm dari laser Nd:YAG, maka bahan ini tidak boleh digunakan untuk menyediakan jendela penglihatan kecuali jika dilapisi dengan lapisan film penyerap khusus.
Karena risiko tinggi kerusakan mata serius dari laser Nd: YAG, alih-alih jendela penglihatan, sistem televisi sirkuit tertutup paling cocok untuk melihat operasi pengelasan; dengan kamera dan filter yang tepat, pengamatan jarak dekat dapat dilakukan dengan sangat aman.
