Mini-leksikon: Prinsipp for lasersveising og prosessanvendelser
Energinivåer
Materie er bygd opp av atomer, og atomer består av en kjerne og elektroner. Elektroner går i bane rundt kjernen. Energien til elektronene i et atom er ikke vilkårlig.
Kvantemekanikk, som beskriver den mikroskopiske verden, forteller oss at elektroner har faste energinivåer. Ulike energinivåer korresponderer med forskjellige elektronenergier: baner lenger fra kjernen har høyere energi.
I tillegg kan hver bane holde et maksimalt antall elektroner. For eksempel kan den laveste banen (nærmest kjernen) holde opptil 2 elektroner, mens høyere baner kan holde opptil 8 elektroner, og så videre.
Overgang
Elektroner kan bevege seg fra ett energinivå til et annet ved å absorbere eller frigjøre energi.
For eksempel, når et elektron absorberer et foton, kan det hoppe fra et lavere energinivå til et høyere. På samme måte kan et elektron med et høyere energinivå falle til et lavere nivå ved å sende ut et foton.
I disse prosessene er energien til det absorberte eller emitterte fotonet alltid lik energiforskjellen mellom de to nivåene. Siden fotonenergien bestemmer lysets bølgelengde, har det absorberte eller emitterte lyset en fast farge.
Prinsippet for lasergenerering
Stimulert absorpsjon
Stimulert absorpsjon skjer når atomer i en lavenergitilstand absorberer ekstern stråling og går over til en høyenergitilstand. Elektroner kan hoppe fra lave til høye energinivåer ved å absorbere fotoner.
Stimulert emisjon
Stimulert emisjon betyr at elektroner på et høyt energinivå, under «stimulering» eller «induksjon» av et foton, går over til et lavt energinivå og sender ut et foton med samme frekvens som det innfallende fotonet.
Hovedtrekket ved stimulert emisjon er at det genererte fotonet er identisk med det opprinnelige: samme frekvens, samme retning og fullstendig umulig å skille fra hverandre. På denne måten blir ett foton til to identiske fotoner gjennom én stimulert emisjonsprosess. Dette betyr at lys forsterkes eller forsterkes – det grunnleggende prinsippet for lasergenerering.
Spontan emisjon
Spontan emisjon oppstår når elektroner med et høyt energinivå faller til et lavere nivå uten ytre påvirkning, og sender ut lys (elektromagnetisk stråling) under overgangen. Fotonenergien er E=E2−E1, energiforskjellen mellom de to nivåene.
Betingelser for lasergenerering
Laserforsterkning medium
Lasergenerering krever et passende forsterkningsmedium, som kan være gass, væske, fast stoff eller halvleder. Nøkkelen er å oppnå populasjonsinversjon i mediet, en nødvendig betingelse for laserutgang. Metastabile energinivåer er svært gunstige for populasjonsinversjon.
Pumpekilde
For å oppnå populasjonsinversjon må atomsystemet eksiteres for å øke antallet partikler på det øvre energinivået.
Vanlige metoder inkluderer:
- Elektrisk pumping: gassutladning ved bruk av elektroner med høy kinetisk energi
- Optisk pumping: bestråling med pulserende lyskilder
- Termisk pumping, kjemisk pumping, etc.
Disse metodene kalles samlet sett pumping. Kontinuerlig pumping er nødvendig for å opprettholde flere partikler på det øvre nivået enn på det nedre nivået for å få stabil laserutgang.
Resonator
Med et passende forsterkningsmedium og pumpekilde kan populasjonsinversjon oppnås, men den stimulerte emisjonsintensiteten er for svak til praktisk bruk. Ytterligere forsterkning er nødvendig, og denne forsterkningen leveres av en optisk resonator.
En optisk resonator består av to svært reflekterende speil plassert parallelt i begge ender av laseren:
- Ett speil med total refleksjon
- Ett delvis refleksjons- og delvis transmisjonsspeil
Totalrefleksjonsspeilet reflekterer alt innfallende lys tilbake langs sin opprinnelige bane. Delrefleksjonsspeilet reflekterer fotoner under en viss energiterskel tilbake inn i mediet, mens fotoner over terskelen sendes ut som forsterket laserlys.
Lys oscillerer frem og tilbake i resonatoren, noe som utløser en kjedereaksjon av stimulert emisjon, som forsterkes som et snøskred for å produsere høyintensitetslaserutgang.
Hva er en pumpelampe?
En xenonlampe er en inertgassutladningslampe, vanligvis formet som et rett rør. Den består vanligvis av elektroder, et kvartsrør og fylt xenongass (Xe).
Elektrodene er laget av metall med høyt smeltepunkt, høy elektronutslippseffektivitet og lav sputtering. Lamprøret er laget av kvartsglass med høy styrke, høy temperaturbestandighet og høy transmittans, fylt med xenongass.
Hva er en Nd:YAG-laserstang?
Nd:YAG (neodymdopet yttriumaluminiumgranat) er det mest brukte faste lasermaterialet.
YAG er en kubisk krystall med høy hardhet, utmerket optisk kvalitet og høy varmeledningsevne. Trivalente neodymioner erstatter noen trivalente yttriumioner i krystallgitteret, derav navnet neodymdopet yttriumaluminiumgranat.
Kjennetegn ved laser
God sammenheng
Lys fra vanlige kilder er kaotisk i retning, fase og timing, og kan ikke fokuseres til et enkelt punkt selv med en linse.
Laserlys er svært koherent: det har en ren frekvens, forplanter seg i samme retning i perfekt fase, og kan fokuseres til et lite punkt med svært konsentrert energi.
Utmerket retningsevne
Laser har langt bedre retningsvirkning enn noen annen lyskilde, og oppfører seg nesten som en parallell stråle. Selv når den er rettet mot månen (omtrent 384 000 km unna), er punktdiameteren bare omtrent 2 km.
God monokromatisitet
Laserlys fra stimulert emisjon har et ekstremt smalt frekvensområde. Enkelt sagt har laser utmerket monokromatisitet – «fargen» er ekstremt ren. Monokromatisitet er avgjørende for laserbehandlingsapplikasjoner.
Høy lysstyrke
Lasersveising bruker den utmerkede retningsbestemmelsen og høye effekttettheten til laserstråler. Laseren fokuseres på et lite område via et optisk system, og danner en svært konsentrert varmekilde på svært kort tid, smelter materialet og danner stabile sveisepunkter og sømmer.
Fordeler med lasersveising
Sammenlignet med andre sveisemetoder tilbyr lasersveising:
- Høy energikonsentrasjon, høy sveiseeffektivitet, høy presisjon og stort forhold mellom dybde og bredde på sveisene.
- Lav varmetilførsel, liten varmepåvirket sone, minimal restspenning og deformasjon.
- Berøringsfri sveising, fleksibel fiberoptisk overføring, god tilgjengelighet og høy automatisering.
- Fleksibelt skjøtdesign, sparer råvarer.
- Nøyaktig kontrollerbar energi, stabile sveiseresultater og utmerket sveiseutseende.
Lasersveiseprosesser for metallmaterialer
Rustfritt stål
- Gode resultater kan oppnås med vanlige firkantbølgepulser.
- Design skjøter for å holde sveisepunkter unna ikke-metalliske materialer.
- Reserver tilstrekkelig sveiseområde og arbeidsstykketykkelse for styrke og utseende.
- Sørg for at arbeidsstykket er rent og at miljøet er tørt under sveising.
Aluminiumslegeringer
- Høy refleksjonsevne krever høy lasertoppeffekt.
- Utsatt for sprekker under pulspunktsveising, noe som reduserer styrken.
- Materialsammensetningen kan forårsake sprut; bruk råvarer av høy kvalitet.
- Bedre resultater med stor punktstørrelse og lang pulsbredde.
Kobber og kobberlegeringer
- Høyere reflektivitet enn aluminium; krever enda høyere lasertoppeffekt.
- Laserhodet skal vippes i en vinkel.
- Kobberlegeringer (messing, kobbernikkel, etc.) er vanskeligere å sveise på grunn av legeringselementer; nøye parametervalg er nødvendig.
Vanlige feil i lasersveising og løsninger
Feil parametere eller feil bruk forårsaker ofte sveisefeil, inkludert:
- Overflatesprut
- Intern sveiseporøsitet
- Sveisesprekker
- Sveisedeformasjon
Sveisesprut
Sprut skyldes hovedsakelig for høy lasereffekttetthet: arbeidsstykket absorberer for mye energi på kort tid, noe som fører til kraftig materialfordampning og voldsom smeltebadreaksjon.
Sprut skader utseende, monteringsnøyaktighet og sveisestyrke.
Årsaker
- For høy lasertoppeffekt.
- Upassende sveisebølgeform, spesielt for materialer med høy reflektivitet.
- Materialsegregering som fører til lokalt høyt energiabsorpsjon.
- Forurensning eller ikke-metalliske urenheter på arbeidsstykkets overflate.
- Stoffer med lavt smeltepunkt mellom eller under arbeidsstykker, som genererer gass under sveising.
- Lukkede hule konstruksjoner som forårsaker gassutvidelse og sprut.
Løsninger
- Optimaliser parametere: reduser toppeffekten eller bruk spike-kurveformer.
- Bruk kvalifiserte råvarer av høy kvalitet.
- Forsterk rengjøringen før sveising for å fjerne olje og urenheter.
- Optimaliser design av sveisestruktur.
Intern porøsitet
Porøsitet er den vanligste feilen i lasersveising. Den raske termiske syklusen og den korte levetiden til smeltebadet hindrer gass i å slippe ut og danne porer.
Vanlige typer: hydrogenporer, karbonmonoksidporer og nøkkelhullskollapsporer.
Sveisesprekker
Sprekker reduserer sveisestyrken og levetiden betraktelig. Rask oppvarming og avkjøling ved lasersveising øker risikoen for sprekkdannelser.
De fleste lasersveisesprekker er varme sprekker, vanlige i aluminiumslegeringer og høykarbon-/høylegerte stål.
Forebygging
- For sprø materialer, legg til forvarmings- og langsom avkjølingsbølgeformer for å redusere sprekkdannelse.
- Optimaliser skjøtdesignet for å redusere sveisespenningen.
- Velg materialer med lavere sprekkdannelsestendens under tilsvarende ytelse.
Sveisedeformasjon
Deformasjon oppstår ofte i tynne plater, arbeidsstykker med store arealer eller flerpunktssveising, noe som påvirker montering og ytelse. Det er forårsaket av ujevn varmetilførsel og inkonsekvent termisk utvidelse/kontraksjon.
Løsninger
- Optimaliser parametere for å redusere varmetilførsel: øk toppeffekten samtidig som pulsbredden reduseres.
- Senk sveisehastigheten og pulsfrekvensen for å redusere varme per tidsenhet.
- Optimaliser sveisesekvensen for å sikre jevn oppvarming.
Publisert: 25. feb. 2026
