ТЕОРИЯ сварочных процессов

Основные характеристики лазеров

Любой лазер независимо от конструктивного выполнения и схемы других конкретных особенностей имеет следующие основ­ные элементы:

1) рабочее тело - активную среду, состоящую из ансамбля ато­мов или молекул, для которых может быть создана инверсия населенностей, т. е. распределение частиц по энергиям, несвойст­венное их термодинамическому равновесию;

2) устройство, обеспечивающее какое-либо физическое воз­действие на активную среду, позволяющее осуществить инверсию населенностей, или, как принято говорить, накачку, которая может быть основана на различных физических явлениях;

3) оптический резонатор, который служит для осуществления взаимодействия излучения с активной средой и в котором проис­ходит отбор энергии от ансамбля генерирующих излучение час­тиц;

4) устройство, обеспечивающее вывод лазерной энергии из ре­зонатора и осуществляющее ее локализацию и доставку к месту назначения;

5) различные специальные системы, связанные с конкретным применением лазера.

По агрегатному состоянию активной среды лазеры делят на твердотельные, газовые, жидкостные и полупроводниковые. По накачке энергией активной среды лазеры делят на ряд разновидно­стей, использующих различные виды энергии. Различают сле­дующие виды накачки:

- оптическая (ламповая, диодная) накачка в результате облу­чения активной среды мощным световым пучком;

- электрическая накачка, осуществляемая при прохождении через активную среду электрического тока;

- химическая накачка, когда инверсия возникает вследствие химической реакции, в которой принимает участие активная среда.

В зависимости от режима работы различают лазеры, работаю­щие в непрерывном и импульсно-периодическом режимах.

Для лазерной сварки, наплавки и резки наиболее широкое применение находят два типа технологических лазеров: твердо­тельные и газовые.

В твердотельных лазерах рабочим ансамблем частиц являются примесные атомы, введенные в сравнительно небольших количе­ствах в основную матрицу твердого тела, которая может быть как кристаллической, так и аморфной. Например, рубин представ­ляет собой корунд AI2O3, в кристаллической решетке которого часть атомов алюминия замещена атомами хрома, или стекло, Лляющееся аморфным телом, с примесью неодима. Неодим мо­жет быть также введен в кристаллический алюмоиттриевый гра­нат (УзАІ50і2:Ш3*). Эти кристаллы обозначают Nd:YAG или

Nd:AHr.

Схема твердотельного лазера приведена на рис. 3.6, а. Стер­жень 7, изготовленный из рабочего вещества, помещается между Двумя зеркалами. Зеркало 2 полностью отражает все падающие на него лучи, а зеркало 3 полупрозрачно. Для накачки энергии ис­пользуется газоразрядная лампа-вспышка 4, которая для большей эффективности облучения кристалла помещается вместе с ним

2 1 внутрь отражающего кожуха 5,

выполненного в виде эллиптиче­ского цилиндра (рис. 3.6, б). При размещении лампы и кристалла в фокусах эллипса создаются наи­лучшие условия равномерного освещения кристалла. Питание лампы обычно осуществляется от специальной высоковольтной ба­тареи конденсаторов 6.

Наибольшее распространение среди технологических твердо­тельных лазеров получили лазеры на кристаллах Nd:YAG с вы­ходной мощностью излучения, достигающей в режиме непре­рывной генерации 0,5...3 кВт и выше. Электрооптический КПД твердотельных лазеров с использованием ламповой накачки активных элементов составляет 1...3 %. Эти лазеры генерируют излучение длиной волны 1,06 мкм, что дает возможность применять для его фокусировки линзы из простого стекла.

Весьма перспективны так называемые твердотельные лазеры с диодной накачкой. Конструкция такого лазера является более компактной и надежной в эксплуатации, обеспечивает высокий ресурс работы и более высокий электрооптический КПД (до 6 % и выше). По сравнению с обычной ламповой накачкой диодная обеспечивает более полный контроль процесса накачки.

Оптическое возбуждение осуществляется диодными лазер­ными модулями 4, расположенными вокруг стержня из кристаллов Nd:YAG (рис. 3.7). Резонатор помещен соосно со стержнем лазера 1 и состоит из зеркала с высоким отражением 6 и зеркалом 3 для вывода лазерного луча с частичным отражением. Если активные элементы с диодной накачкой располагать последовательно по од­ной оси, то можно достичь мощности излучения до 1...4 кВт в непрерывном режиме. Лазерный луч выводят по одному или нескольким волоконным световодам.

В газовых лазерах в качестве активной среды используют газо­образные вещества, причем накачка энергии в этих веществах, как правило, осуществляется вследствие эффектов, связанных с про­хождением электрического тока через газ (газоразрядная накачка).

В качестве активной среды в этих лазерах используют аргон, неон, криптон, ксенон, смеси гелия и неона, углекислый газ с приме­сью азота и гелия. Газовые лазе­ры подразделяют на три большие группы: лазеры на нейтральных атомах, ионные и молекулярные лазеры. К первой группе отно­сится гелий-неоновый лазер, схема которого приведена на рис. 3.8.

Генерация когерентного излучения может проходить в види­мой 0,633 мкм) и в инфракрасной областях (Я,2= 1,15 мкм,

Я»з= 3,39 мкм). Газоразрядная трубка 1 этого лазера заполняется гелием и неоном при парциальных давлениях соответственно 130 и 10 Па. В трубке от высоковольтного источника питания 2 созда­ется электрический разряд 3, который возбуждает атомы гелия и неона в результате электронных ударов. Излучение выходит из полупрозрачного зеркала 4. Гелий-неоновый лазер имеет сравни­тельно небольшую мощность (до 80 мВт), но благодаря простоте Устройства, надежности и стабильности излучения он получил широкое распространение для передачи и обработки информации, в контрольно-измерительной и юстировочной технике.

В ионных газовых лазерах используются переходы между энергетическими уровнями ионов инертных газов (ксенона, арго­на, неона, криптона), а также фосфора, серы и хрома. Типичный представитель этой группы - аргоновый лазер, который по конст­рукции похож на гелий-неоновый лазер. Газоразрядная трубка на­полнена аргоном при давлении порядка 10... 100 Па. Мощность лазеров этой группы выше, чем лазеров на атомных переходах.

Газовый лазер на аргоне генерирует излучение с длинами волн X] = 0,4880 мкм и Х2 = 0,5145 мкм в видимой (сине-зеленой) об­ласти спектра с мощностью излучения до 15...50 Вт в непре­рывном режиме. Основные области применения Аг-лазера - меди­цина, микротехнология, фотохимия и диагностика методом спек­трального анализа.

Наибольшие мощность и КПД имеют газоразрядные молеку­лярные лазеры. Лазер на колебательно-вращательных переходах

молекулы СО2 является одним из наиболее распространенных типов современных технологических лазеров. Это связано с его высокой эффективностью, простотой реализации и возможностью достижения больших значений: мощности излучения 5...20 кВт в непрерывном режиме и энергии в одиночном импульсе от 10 до 100 кДж - в импульсном.

Молекула СО2 возбуждается электронными ударами в газовом разряде, причем для увеличения мощности к СО2 добавляют моле­кулярный азот N2. Основным каналом заселения верхнего уровня СО2 является резонансная передача колебательной энергии от N2. Отношение парциальных давлений СО2 и N2 обычно выбирают от 1:1 до 1:5 при суммарном рабочем давлении - 100 Па.

Существенное влияние на энергетические характеристики лазе­ра на CO2-N2 оказывает введение в разрядную камеру гелия, обла­дающего теплопроводностью, в несколько раз превышающей теп­лопроводность СО2 и N2. При введении гелия снижается темпе­ратура газовой смеси, что способствует увеличению инверсной населенности, а значит, и выходной мощности лазера. Поэтому тех - *

нологические газовые лазеры на углекислом газе используют смесь

СО2 + N2 + Не. Лазеры на углекислом газе имеют весьма высокий КПД (теоретически до 40 %, практически 12.. .30 %).

Электрический разряд в лазере на СО2 возбуждается в охлаж­даемой газоразрядной трубке, выполняемой обычно из стеклянной

трубы диаметром до 60 мм. (Увеличение диаметра свыше 100 мм не дает эффекта, так как при большом диаметре ухудшается теплопе­редача из внутренней области трубки к ее периферийной части.) Излучение с длиной волны 10,6 мкм выводится через окно из мате­риала, пропускающего инфракрасные лучи, в качестве которого ис­пользуются кристаллы КВг, NaCl, ZnSe, GaAs или Ge. Для лазера данной схемы с продольной прокачкой с 1 м длины резонатора можно получать мощность не более 50 Вт; приходится значительно увеличивать длину трубы резонатора. В зависимости от способа охлаждения рабочей смеси все газоразрядные лазеры разделяют на лазеры с диффузионным и конвективным охлаждением.

Наиболее эффективны лазеры с конвективным охлаждением, в которых отвод теплоты из зоны разряда осуществляется путем за­мены нагретой порции рабочей газовой смеси новой. В зависимости от взаимной ориентации скорости потока газовой смеси и разряда различают лазеры с продольной и поперечной прокачкой; в послед­нем случае прокачка газовой смеси осуществляется в направлении, перпендикулярном направлению электрического разряда.

Большие мощности излучения получают в технологических быс­тропроточных лазерах с поперечной прокачкой газовой смеси. Схе­ма такого лазера мощностью до 10 кВт приведена на рис. 3.9. В этой разновидности газового лазера используют интенсивную прокачку газа через резонатор 3 с охлаждением его в теплооб­меннике 4. Электрический раз­ряд возбуждается между анодной плитой 2 и секционированным катодом /. В качестве рабочего газа используют смесь СО2 +

+ N2 + Не в соотношении 1:6:13 при статическом давлении в раз­рядной камере 5...8 кПа. Расход газовой смеси через разрядную

з

камеру составляет 2...3 м /ч, для подачи смеси используется мощная насосная система. В лазере этого типа можно получить мощность до 16 Вт с 1 см газа при КПД До 17 %. Электроразрядные лазеры с поперечной прокачкой газа ра­ботают в непрерывном режиме генерации и могут развивать мощ­ность излучения до 50 кВт.

При сварке плавлением (и пайке) сближение атомов твердых тел осуществляется вследствие смачивания поверхностей твердых тел жидким металлом (припоем, расплавом), а активация поверх­ности твердого тела (металла) обеспечивается путем сообщения частицам поверхности тепловой энергии. Жидкий металл может растекаться по всей поверхности твердого тела, и при этом проис­ходят соприкосновение и прилипание (или адгезия) его молекул и поверхностного слоя твердого тела.

При затвердевании расплавленного металла слабые агдезион - ные связи заменяются прочными химическими связями, соответ­ствующими природе соединяемых материалов и типу их кристал­лической решетки. При сварке плавлением вводимая энергия (обычно тепловая) должна обеспечивать расплавление основного и присадочного металлов, оплавление стыка, нагрев кромки и т. д. При этом происходит усиленная диффузия компонентов в рас­плавленном и твердом металле, их взаимное растворение. Эти процессы, а также кристаллизация расплавленного металла сва­рочной ванны (или припоя) обеспечивают объемное строение зоны сварки, что обычно повышает прочность сварного соединения.

Сварка плавлением происходит без приложения осадочного давления, т. е. осуществляется путем спонтанного слияния объе­мов жидкого металла, и обычно не требуется тщательной подго­товки и зачистки соединяемых поверхностей. При сварке плавле­нием обе стадии процесса соединения - физический адгезионный контакт и химическое взаимодействие, сопровождаемое диффузи­ей, - протекают достаточно быстро (см. рис. 1.3, кривая 7). Для однородных металлов это не опасно. Но в случае разнородных ма-4 териалов с ограниченной взаимной растворимостью практически трудно получить соединения без хрупких интерметаллических прослоек в зоне контакта.

При быстром образовании физического контакта твердого тела с расплавом, например при сварке путем расплавления одного из соединяемых металлов, сначала на границе твердой и жидкой фаз будет наблюдаться пик межфазной энергии wT, аналогичный wn (см. рис. 1.2), так как переход атомной системы в новое состояние происходит не мгновенно, а за некоторый конечный промежуток времени. Длительность так называемого периода ретардации (за­держки) пика поверхности раздела может быть приближенно рас­считана как время жизни атома перед потенциальным барьером или определена экспериментально. На основании этих данных можно определить допустимую длительность контакта твердой и жидкой фаз и оптимальную температуру сварки или пайки.

При сварке давлением (в твердой фазе) сближение атомов и ак­тивация поверхностей достигаются в результате совместного уп­ругопластического деформирования соединяемых материалов в зоне контакта, часто одновременно с дополнительным нагревом. Длительность стадий (см. рис. 1.3) образования физического кон­такта (А) и химического взаимодействия (Б) при сварке давлением существенно больше, чем при сварке плавлением, и зависит от ря­да факторов: физико-химических и механических свойств соеди­няемых материалов, состояния их поверхностей, состава внешней среды, температуры нагрева, схемы приложения давления или других средств активации (ультразвука, трения и т. д.).

В последнее время предложены методы приближенного рас­чета параметров режима сварки статическим давлением, которые подтверждаются экспериментально. Длительность процесса обра­зования физического контакта, заключающегося в снятии микро­неровностей, рассчитывают по скорости ползучести. Длительность второй стадии - химического взаимодействия - оценивают по уравнению Больцмана как длительность периода активации. Рас­четы основаны на представлениях о схватывании материалов в результате ползучести на контактных поверхностях и образовании прочных химических связей в местах выхода и перемещения ва­кансий, дислокаций и скоплений. Выход дислокации на контакт­ную поверхность активирует ее путем разрыва насыщенных свя­зей, что приводит к образованию активных центров.

Вместе с тем процесс получения работоспособного соединения в большинстве случаев (особенно при наличии сопутствующего нагрева) не заканчивается схватыванием. Дальнейшее его развитие происходит в результате диффузионных перемещений атомов че­рез границу контакта на стадии объемного взаимодействия, кото­рой и завершается сварка. Ясно, что в случаях, когда сварка давле­нием осуществляется без внешнего нагрева (холодная сварка, сварка взрывом и др.), так называемая третья стадия (стадия объ­емного взаимодействия) не получает существенного развития и соединение завершается на стадии схватывания.

Относительная роль схватывания и объемного взаимодействия в разных методах соединения металлов различна и определяется в основном температурой, временем и давлением в зоне контакта. Например, при диффузионной сварке, как правило, объемное взаимодействие получает заметное развитие и соединение завер­шается образованием общих зерен в зоне контакта.

Полупроводниковый лазер гене­рирует когерентное излучение в ре­зультате процессов, происходящих в /^-«-переходе на полупроводнико­вом материале. На рис. 3.10 показана схема полупроводникового лазера

на арсениде галлия GaAs. Кристалл

2

имеет размеры 0,5...1 мм. Его верхняя часть 2 представляет собой полупроводник р-типа, нижняя часть 1 - полупроводник «-типа, между ними имеется /т—«-переход 4 толщиной около 0,1 мкм. Излу­чающий слой имеет несколько большую толщину (1.. .2 мкм) вслед­ствие проникания электронов и дырок в глубь кристалла. Выводы 3, 5 служат для подачи питающего напряжения, один из них может выполнять функцию теплоотвода.

При подаче напряжения на выводы /т-«-переход генерирует излучение, длины волн которого для арсенида галлия составляют: = 0,82 мкм и - 0,9 мкм (инфракрасная область). Для других материалов длина волны излучения может находиться в широком диапазоне - от ультрафиолетовой до инфракрасной области. Для улучшения условий работы полупроводникового лазера и обеспе­чения непрерывного режима генерации необходимо охлаждать кристалл до низких температур. Мощность лазера на арсениде галлия при температуре жидкого азота в импульсно-периоди­ческом режиме составляет 100 Вт, в непрерывном режиме - 10 Вт. Некоторые полупроводниковые лазеры могут работать при нор­мальных температурах.

Небольшие геометрические размеры и простота конструкции полупроводниковых лазеров позволяют собирать решетки или ли­нейки из большого числа отдельных лазеров. Такие решетки могут иметь мощность непрерывного излучения 10... 100 Вт. Полупро­водниковые (диодные) лазеры в основном применяют для оптиче­ской накачки твердотельных технологических лазеров.

В начале XXI в. были разработаны оптоволоконные лазеры вы­сокой (1...20 кВт) мощности с длиной волны излучения 1,06 мкм. Благодаря малым размерам, высокому (более 15 %) полному КПД, надежности, длительной работе без профилактического ремонта и другим преимуществам они могут быть использованы в тех слу­чаях, когда кроме высокой мощности и гибкости передачи излуче­ния требуется мобильность самого лазерного источника. Основ­
ными преимуществами оптоволоконных лазеров по сравнению с диодными являются излучение с одной длиной волны и отдельное расположение диодов накачки. Последнее важно с позиции на­дежности, поскольку охлаждение отдельных диодов намного эф­фективнее, чем торцов диодов, набранных в линейки.