Мини енциклопедија: Принцип и примена процеса ласерског заваривања
Нивои енергије
Материја је састављена од атома, а атоми се састоје од језгра и електрона. Електрони круже око језгра. Енергија електрона у атому није произвољна.
Квантна механика, која описује микроскопски свет, говори нам да електрони заузимају фиксне енергетске нивое. Различити енергетски нивои одговарају различитим енергијама електрона: орбите даље од језгра имају већу енергију.
Поред тога, свака орбита може да садржи максималан број електрона. На пример, најнижа орбита (најближа језгру) може да садржи до 2 електрона, док више орбите могу да садрже до 8 електрона, и тако даље.
Транзиција
Електрони могу да прелазе са једног енергетског нивоа на други апсорбујући или ослобађајући енергију.
На пример, када електрон апсорбује фотон, може прећи са нижег енергетског нивоа на виши. Слично томе, електрон на вишем енергетском нивоу може пасти на нижи ниво емитовањем фотона.
У овим процесима, енергија апсорбованог или емитованог фотона увек је једнака енергетској разлици између два нивоа. Пошто енергија фотона одређује таласну дужину светлости, апсорбована или емитована светлост има фиксну боју.
Принцип генерације ласера
Стимулисана апсорпција
Стимулисана апсорпција се јавља када атоми у нискоенергетском стању апсорбују спољашње зрачење и прелазе у високоенергетско стање. Електрони могу да прелазе са ниских на високе енергетске нивое апсорбујући фотоне.
Стимулисана емисија
Стимулисана емисија значи да електрони на високом енергетском нивоу, под „стимулацијом“ или „индукцијом“ фотона, прелазе на ниски енергетски ниво и емитују фотон исте фреквенције као и упадни фотон.
Кључна карактеристика стимулисане емисије је да је генерисани фотон идентичан оригиналном: исте фреквенције, истог смера и потпуно неразлучив. На овај начин, један фотон постаје два идентична фотона кроз један процес стимулисане емисије. То значи да се светлост појачава или увећава — основни принцип генерисања ласера.
Спонтана емисија
Спонтана емисија се јавља када електрони на високом енергетском нивоу падну на нижи ниво без спољашњег утицаја, емитујући светлост (електромагнетно зрачење) током прелаза. Енергија фотона је E=E2−E1, енергетска разлика између два нивоа.
Услови за генерисање ласера
Ласерско појачање средње
Ласерска генерација захтева одговарајући медијум за појачање, који може бити гас, течност, чврста материја или полупроводник. Кључ је у постизању инверзије насељености у медијуму, што је неопходан услов за ласерски излаз. Метастабилни нивои енергије су веома корисни за инверзију насељености.
Извор пумпе
Да би се постигла инверзија популације, атомски систем мора бити побуђен да би се повећао број честица на горњем енергетском нивоу.
Уобичајене методе укључују:
- Електрично пумпање: гасно пражњење помоћу електрона високе кинетичке енергије
- Оптичко пумпање: зрачење импулсним изворима светлости
- Термичко пумпање, хемијско пумпање итд.
Ове методе се заједнички називају пумпањем. Континуирано пумпање је потребно да би се одржало више честица на горњем нивоу него на доњем нивоу за стабилан ласерски излаз.
Резонатор
Са одговарајућим медијумом за појачање и извором пумпања, може се постићи инверзија насељености, али је интензитет стимулисане емисије преслаб за практичну употребу. Потребно је даље појачавање, које се обезбеђује оптичким резонатором.
Оптички резонатор се састоји од два високо рефлектујућа огледала постављена паралелно на оба краја ласера:
- Једно огледало за потпуну рефлексију
- Једно огледало за делимично рефлексију и делимично пренос
Огледало потпуног рефлекса рефлектује сву упадну светлост назад дуж њене првобитне путање. Огледало делимичног рефлекса рефлектује фотоне испод одређеног енергетског прага назад у медијум, док фотони изнад прага емитују као појачана ласерска светлост.
Светлост осцилује напред-назад у резонатору, покрећући ланчану реакцију стимулисане емисије, која се појачава попут лавине и производи ласерски излаз високог интензитета.
Шта је пумпна лампа?
Ксенонска лампа је лампа са инертним гасом, обично правог облика цеви. Генерално се састоји од електрода, кварцне цеви и ксенона (Xe) напуњеног гасом.
Електроде су направљене од метала са високом тачком топљења, високом ефикасношћу емисије електрона и ниским распршивањем. Цев лампе је направљена од кварцног стакла високе чврстоће, отпорног на високе температуре, високе пропустљивости, испуњеног ксенонским гасом.
Шта је Nd:YAG ласерски штап?
Nd:YAG (итријум алуминијум гранат допиран неодимијумом) је најчешће коришћени чврсти ласерски материјал.
YAG је кубни кристал са високом тврдоћом, одличним оптичким квалитетом и високом топлотном проводљивошћу. Тровалентни неодимијумски јони замењују неке тровалентне итријумске јоне у кристалној решетки, па отуда и назив неодимијумом допирани итријум-алуминијумски гранат.
Карактеристике ласера
Добра кохерентност
Светлост из обичних извора је хаотична по правцу, фази и времену и не може се фокусирати у једну тачку чак ни помоћу сочива.
Ласерска светлост је високо кохерентна: има чисту фреквенцију, шири се у истом смеру у савршеној фази и може се фокусирати на малу тачку са високо концентрованом енергијом.
Одлична усмереност
Ласер има далеко бољу усмереност од било ког другог извора светлости, понашајући се готово као паралелни сноп. Чак и када је усмерен ка Месецу (удаљеном око 384.000 км), пречник тачке је само око 2 км.
Добра монохроматскост
Ласерска светлост из стимулисане емисије има изузетно узак фреквентни опсег. Једноставно речено, ласер има одличну монохроматичност — његова „боја“ је изузетно чиста. Монохроматичност је кључна за примене ласерске обраде.
Висока осветљеност
Ласерско заваривање користи одличну усмереност и високу густину снаге ласерских зрака. Ласер се фокусира у малу површину помоћу оптичког система, формирајући високо концентровани извор топлоте за веома кратко време, топећи материјал и формирајући стабилне тачке завара и шавове.
Предности ласерског заваривања
У поређењу са другим методама заваривања, ласерско заваривање нуди:
- Висока концентрација енергије, висока ефикасност заваривања, висока прецизност и велики однос дубине и ширине завара.
- Низак унос топлоте, мала зона утицаја топлоте, минимални заостали напон и деформација.
- Бесконтактно заваривање, флексибилан пренос оптичких влакана, добра приступачност и висока аутоматизација.
- Флексибилан дизајн спојева, штедећи сировине.
- Прецизно контролисана енергија, стабилни резултати заваривања и одличан изглед завара.
Поступци ласерског заваривања металних материјала
Нерђајући челик
- Добри резултати се могу постићи обичним импулсима правоугаоног таласа.
- Пројектовати спојеве тако да се места завара држе подаље од неметалних материјала.
- Резервишите довољну површину заваривања и дебљину радног предмета ради чврстоће и изгледа.
- Обезбедите чистоћу радног предмета и суву околину током заваривања.
Алуминијумске легуре
- Висока рефлективност захтева високу вршну снагу ласера.
- Склоно пуцању током импулсног тачкастог заваривања, смањујући чврстоћу.
- Састав материјала може изазвати прскање; користите висококвалитетне сировине.
- Бољи резултати са великом величином тачке и дугом ширином импулса.
Бакар и легуре бакра
- Већа рефлективност од алуминијума; захтева још већу вршну снагу ласера.
- Ласерска глава треба да буде нагнута под углом.
- Легуре бакра (месинг, купроникел, итд.) је теже заварити због легирајућих елемената; потребан је пажљив избор параметара.
Уобичајени недостаци у ласерском заваривању и решења
Нетачни параметри или неправилан рад често узрокују недостатке заваривања, укључујући:
- Површинско прскање
- Унутрашња порозност завара
- Пукотине при заваривању
- Деформација заваривања
Прскање завара
Прскање је углавном узроковано претерано високом густином снаге ласера: радни предмет апсорбује превише енергије за кратко време, што доводи до јаког испаравања материјала и бурне реакције у растопљеном базену.
Прскање оштећује изглед, тачност склапања и чврстоћу заваривања.
Узроци
- Прекомерно висока вршна снага ласера.
- Неодговарајући таласни облик заваривања, посебно за материјале са високом рефлективношћу.
- Сегрегација материјала што доводи до локалне високе апсорпције енергије.
- Контаминација или неметалне нечистоће на површини радног предмета.
- Супстанце са ниском тачком топљења између или испод радних предмета, које стварају гас током заваривања.
- Затворене шупље структуре које узрокују ширење гаса и прскање.
Решења
- Оптимизујте параметре: смањите вршну снагу или користите облике таласа са шиљцима.
- Користите квалификоване, висококвалитетне сировине.
- Појачајте чишћење пре заваривања како бисте уклонили уље и нечистоће.
- Оптимизујте дизајн конструкције за заваривање.
Унутрашња порозност
Порозност је најчешћи дефект код ласерског заваривања. Брз термички циклус и кратак век трајања растопљеног резервоара спречавају излазак гаса, што доводи до формирања пора.
Уобичајени типови: поре водоника, поре угљен-моноксида и поре колапса кључаонице.
Пукотине од заваривања
Пукотине значајно смањују чврстоћу завара и век трајања. Брзо загревање и хлађење код ласерског заваривања повећава ризик од пуцања.
Већина пукотина насталих ласерским заваривањем су вруће пукотине, уобичајене код легура алуминијума и високоугљеничних/високолегираних челика.
Превенција
- За крхке материјале, додајте облике таласа претходног загревања и спорог хлађења како бисте смањили пуцање.
- Оптимизујте дизајн споја како бисте смањили напрезање при заваривању.
- Изаберите материјале са мањом склоношћу пуцању уз еквивалентне перформансе.
Деформација заваривања
Деформација се често јавља код танких лимова, радних предмета велике површине или вишетачкастог заваривања, што утиче на склапање и перформансе. Узрокована је неравномерним уносом топлоте и недоследним термичким ширењем/скупљањем.
Решења
- Оптимизујте параметре да бисте смањили унос топлоте: повећајте вршну снагу уз смањење ширине импулса.
- Смањите брзину заваривања и фреквенцију импулса да бисте смањили топлоту по јединици времена.
- Оптимизујте редослед заваривања како бисте осигурали равномерно загревање.
Време објаве: 25. фебруар 2026.
