ТЕОРИЯ сварочных процессов

Фотонио-лучевые источники

Создание волновой теории света и усовершествования тех­нологии изготовления оптических линз, стекол и зеркал позволи­ли создать целый ряд разнообразных оптических приборов. Была установлена принципиальная возможность фокусирования свето­вого потока на относительно небольших поверхностях и создания удельных плотностей энергии, достаточных для разогрева и плав­

ления различных материалов. В качестве источника светового излучения использовали Солнце.

Устройства для технологического использования солнечной энергии в земных условиях имеют до сих пор сугубо эксперимен­тальный характер, так как они требуют непрерывного слежения за перемещающимся относительно Земли Солнцем и зависят от состояния атмосферы. Вместе с тем возможности использования «даровой» солнечной энергии, падающей на земную поверхность (в среднем около 400 Вт/м2), стимулируют развитие различных способов ее преобразования в другие виды энергии (прежде все­го тепловую и электрическую).

Создание лазеров позволило широко применять их в различ­ных исследованиях, для передачи информации и связи, измере­ния расстояний с большой точностью. Особое место занимает «лазерная Технология» как группа процессов, использующих мощное излучение лазера для нагрева, плавления, испарения, сварки и резки материалов. Это направление начало развиваться с 60-х годов и в настоящее время лазер рассматривают как один из наиболее перспективных лучевых источников энергии.

В некоторых областях технологического применения с лазе­ром конкурируют электронный луч и полихроматические источ­ники света, что связано прежде всего с более простым в изготов­лении и эксплуатации оборудованием для осуществления про­цессов, в которых используются эти источники.

ПОЛИХРОМАТИЧЕСКИЙ СВЕТ

Обычное световое излучение часто называют полихромати­ческим светом, так как это электромагнитное излучение состоит из целого ряда волн различной длины, лежащих в диапазоне видимой части спектра. Этот диапазон условно делится на раз­личные области, границы которых приведены в табл. 3.1.

Полихроматическое излучение обычно возникает в результате нагрева тел, когда возбуждаются составляющие их атомы и

Таблица 3.1. Длины волн оптического диапазона

Область оптического спектра

Длина волны, мкм.

Инфракрасная

750...0,76

Видимая:

красная

0,76...0,62

оранжевая

0,62...0,59

желтая

0,59...0,56

зеленая

0,56—0,50

голубая

0,50-0,48

синяя

0,48...0,45

фиолетовая

0,45...0,40

Ультрафиолетовая

0,40...0.005

электроны при переходе с дальних орбит на ближние излучают электромагнитные колебания в области оптического диапазона. Это излучение существует в виде отдельных квантов, причем энергия кванта равна

p = hv, (3.12)

где h — постоянная Планка; v — частота излучения.

В обычных условиях атомы вещества излучают одновременно кванты различной энергии, так как переход электронов с одних орбит на другие не носит организованного характера, что и приводит к полихроматичности излучения. В зависимости от тем­пературы тела изменяется его энергетическая светимость (она по закону Стефана—Больцмана пропорциональна четвертой сте­пени абсолютной температуры тела /? = оГ4) и по мере увели­чения температуры спектральный максимум излучения сдвигает­ся в сторону более коротковолновой части спектра.

Поскольку применение энергии света для тех или иных тех­нологических процессов связано с фокусировкой луча, поли - хроматичность играет в данном случае отрицательную роль. Полихроматический свет при прохождении через линзу фокуси­руется в виде пятна довольно значительных размеров, так как волны разной длины по-разному преломляются при прохождении через стекло. Это явление носит название хроматической абер­рации и значительно ограничивает возможности обычных поли­хроматических источников.

По законам дифракции наименьший размер сфокусирован­ного пятна равен длине волны X и для оптического диапазона составляет размер порядка 1 мкм. Полихроматичность увеличи­вает размер до сотен и тысяч микрометров, в результате чего максимальная концентрация энергии в пятне нагрева в данном случае не превышает 10 Вт/мм2, что соизмеримо с нагревом пламенем горелки и на 4...5 порядков меньше, чем для моно­хроматического луча лазера. Кроме того, фокусировка ухудшает­ся в связи с тем, что применяющиеся фокусирующие линзы и фокусирующие зеркала со сферическими поверхностями имеют отклонения от требуемой для точной фокусировки геометрии поверхности. Ухудшает фокусировку и то, что светящееся тело обычно имеет конечные размеры и проецируется в виде опре­деленной геометрической фигуры.

Вместе с тем простота использования света для нагрева определяет некоторые рациональные области его применения. Это прежде всего различные «солнечные» печи и нагреватели, где при помощи специальных рефлекторов возможны нагрев и плавление различных материалов. Однако промышленного рас­пространения эти установки не получили.

Более целесообразным в промышленности считается исполь­зование не солнечной энергии, а специальных высокоинтенсив­ных источников полихроматического света типа ламп накалива­ния или дуговых (газоразрядных) ламп. Эти лампы создаются специально для технологических целей, имеют мощность до не­скольких десятков киловатт и выполняются в корпусах из плав­леного термостойкого кварца, из-за чего иногда их называют «кварцевыми».

Кварцевые лампы без всяких дополнительных систем фоку­сировки позволяют нагревать обрабатываемые детали до тем­ператур 600... 1200 К, а с системами фокусировки — до 1800... 2000 К, что вполне достаточно для плавления ряда материалов.

Нагрев полихроматическим светом применяют в промышлен­ности в различных печах для сушки, нагрева и термообработки изделий, пайки, а иногда и сварки легкоплавких материалов. Если процесс идет в вакууме или другой газовой защитной среде, свет вводят в камеру через специальный (обычно квар­цевый) иллюминатор. Основными достоинствами такого вида на­грева считаются отсутствие силового контакта с изделием и воз­можность плавного регулирования температуры.

КОГЕРЕНТНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ И ЕГО ОСНОВНЫЕ

СВОЙСТВА

Обычный полихроматический свет, излучаемый нагретыми те­лами, состоит из набора большого числа гармонических колеба­ний, имеющих различные частоты, фазы которых хаотично из­меняются во времени. Как электромагнитные колебания, он по­добен «шуму» в отличие от радиоволн, генерируемых радио­станциями.

При распространении любой электромагнитной волны (в том числе и света) в пространстве создается чередующееся электри­ческое поле напряженностью Е и магнитное поле напряжен­ностью Н, изменяющееся в пространстве и во времени по закону:

Е = £osin[ 2n{vt—x/k) - f <р];

Н = #0cos[2n(v/—х/%) ф]. (3.13)

Величины Е0 и Но называются амплитудами волн; v — ее частотой; к — c/v — длина волны (где с — скорость света). Если частота v и длина волны к постоянны и не зависят от времени t, волна монохроматична. Реальные колебания и волны не яв­ляются идеально монохроматическими.

Немонохроматическое колебание можно представить в виде суммы (конечного или бесконечного числа) идеальных монохро­матических колебаний, и чем выше монохроматичность, тем в меньшем интервале частот группируются частоты его монохро­матических составляющих.

Если амплитуда, частота, фаза, направление распростране­ния и-поляризация электромагнитной волны постоянны или из­меняются, но не хаотически, а упорядоченно, по определенному закону, то такая волна когерентна. Строго монохроматичная волна всегда когерентна, а взаимная когерентность двух не­монохроматических волн означает, что они обладают одинако­вым набором частот и разность их фаз ф постоянна во времени.

До появления лазеров можно было генерировать когерентные радиоволны, но нельзя было генерировать когерентный свет, и только после создания лазера это стало возможным.

Получение когерентных электромагнитных колебаний оптиче­ского диапазона благодаря их высокой частоте позволяет пере­давать по оптическому каналу связи гораздо больше информа­ции, чем по радиоканалу. Чем короче длина волны, тем меньшую расходимость можно получить при формировании из этих волн параллельных пучков энергии, а это обстоятельство весьма важно при локации и определении расстояний до предметов.

Для технологических применений энергии света необходима его фокусировка на минимально возможной площади, что в случае полихроматического излучения неосуществимо. При моно­хроматическом излучении теоретически диаметр сфокусированно­го луча лежит в пределах 1,0...0,4 мкм, но отсутствие идеальной монохроматичности и когерентности луча может несколько уве­личить этот диаметр. Монохроматический свет достаточной ин­тенсивности получить при помощи обычных источников не пред­ставляется возможным.

По мере осознания необходимости получения мощных источ­ников когерентного света физики исследовали различные спо­собы их генерации и аналогично генерации радиоволн пытались применить для этой цели электронные потоки и объемные резо­наторы. Однако размеры резонатора должны быть соизмеримы с длиной волны, что в данном случае трудно осуществимо. Традиционное для радиотехники генерирование колебаний при помощи электронных потоков в данном случае оказалось неосу­ществимым и получение когерентных электромагнитных коле­баний в оптическом диапазоне было осуществлено средствами квантовой электроники.

Квантовая электроника оперирует отдельными молекулами и атомами, используя для генерации коле­баний их резонансные свойства.

Атомы, молекулы и кристаллы пред­ставляют собой сложные микросистемы, состоящие из ядер и электронов. Энергия относительного движения частиц, состав­ляющих атом или молекулу, в соответствии с современными физическими воззрения­ми может принимать только строго опре­деленные значения. Эти значения энер­гии £0, £1, £2, ..., Em, £л НаЗЫВЭЮТ урОВНЯМИ

энергии (рис. 3.3).

Система энергетических уровней сос­тавляет энергетический спектр атома; «нижний» уровень с минимальной энер­гией называется основным, а осталь-

Рис. 3.3. Энергетические уровни атома

ные — возбужденными. Энергетический спектр атома зависит от его структуры, а число электронов, обладающих данной энергией, называется населенностью уровня.

Если атому, находящемуся на основном уровне є0, сообщить энергию, он может перейти на один из возбужденных уровней. Наоборот, возбужденный атом может самопроизвольно (спон­танно) перейти на один из нижележащих уровней, испустив при этом определенную порцию энергии в виде кванта света (фотона). Если излучение происходит при переходе атома с уров­ня энергии гт на уровень е„, то частота испускаемого (или поглощаемого) кванта света

Утп = (1/Л)(єт — Б„). (3.14)

Именно такие спонтанные процессы излучения и происходят в нагретых телах. Нагрев переводит часть атомов в возбужденное состояние и при переходе в нижние состояния они излучают свет. Это излучение атомов происходит независимо друг от друга. Кванты света хаотически испускаются атомами в виде так назы­ваемых волновых цугов, которые не согласованы друг с другом во времени и имеют различную фазу. Поэтому спонтанное излу­чение некогерентно.

Кроме спонтанного излучения возбужденного атома сущест­вует индуцированное (вынужденное) излучение, когда атомы начинают излучать энергию под действием внешнего электро­магнитного поля. Явление вынужденного излучения дает возмож­ность управлять излучением атомов с помощью электромагнит­ных колебаний и таким путем усиливать или генерировать ко­герентное световое излучение.

Чтобы это осуществить практически, необходимо выполнение ' следующих условий:

1. Необходим резонанс — совпадение частоты падающего света с одной из частот vm„ энергетического спектра атома. При этом переход атома с уровня ет на уровень е„ будет со­ответствовать переходу между аналогичными уровнями других таких же атомов, в результате чего будет осуществлена гене­рация когерентного излучения.

2. Наряду с вынужденным излучением света атомами, нахо­дящимися на верхнем уровне е„, происходит резонансное погло­щение энергии атомами, находящимися на нижнем уровне вп. При этом атом поглощает световой квант и переходит на уровень бт, что препятствует генерации света. Для генерации когерент­ного света необходимо, чтобы число атомов на верхнем уровне ет было больше числа атомов на нижнем уровне еп, между кото­рыми происходит переход. В естественных условиях на более высоком уровне при любой температуре всегда меньше частиц, чем на более низком. Для возбуждения когерентного излучения чадо принять специальные меры, чтобы из двух выбранных уров­ней верхний был «заселен» больше, чем нижний. Такое состояние вещества в физике называется «активным» или состоянием

П Кристалл htMvwm№ ° инверсной (обращенной) засе-

11 1 - [ g—«■ ленностью. Н. I. Басов и А. М.

1111111

Сдєтодая энергия накачки

Рис. З 4. Схема генерации излуче ния в твердотельном лазере

J і I I I [ , ' U —*■ Прохоров предложили метод трех

уровней, в котором для получения инверсии заселенности уровней используется некоторое вспомога­тельное излучение (подкачка).

3. В процессе генерации часть излучаемой световой энергии должна все время оставаться внутри рабочего вещества, вызывая вынужденное излучение все новыми порциями атомов, т. е. осуществляя обратную связь. Это обычно выполняется при помощи зеркал по схеме, изображенной на рис. 3.4. Зеркало 1 при этом отражает всю падающую на него энергию, а зеркало 2 полупрозрачно. Часть энергии оно пропус­кает из рабочего пространства наружу (полезная энергия), а отраженная энергия служит для вовлечения в генерацию новых порций рабочего вещества.

4. Усиление, обеспечиваемое рабочим веществом, должно превышать некоторое пороговое значение, зависящее от коэф­фициента отражения полупрозрачного зеркала. Чем меньше этот коэффициент, тем больше должно быть пороговое усиление, обеспечиваемое рабочим веществом, иначе генерируемое рабочим веществом излучение затухнет.

Выполнение этих условий позволяет создавать систему, спо­собную генерировать когерентное световое излучение. Такая система получила название «оптический квантовый генератор» (ОКГ) или лазер.

ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЛАЗЕРОв

Любой лазер независимо от конструктивного выполнения и схемы других конкретных особенностей состоит из следующих основных элементов:

1. Рабочее тело (вещество), состоящее из ансамбля атомов или молекул, для которых может быть создана инверсия насе­ленности.

2. Система, позволяющая осуществлять инверсию необходи­мого значения. Эта система обычно называется «системой на­качки» и может быть основана на различных физических явле­ниях.

3. Оптический резонатор, который служит для осуществления взаимодействия излучения с рабочим веществом и в котором происходит отбор энергии от ансамбля генерирующих излучение частиц.

4. Устройство для вывода энергии из резонатора.

5. Системы управления концентрацией энергии и пространст­венной ориентацией генерированного излучения.

6. Различные специальные системы, связанные с конкретным применением лазера.

В зависимости от типа применяемого рабочего вещества ла­зеры делят на твердотельные, газовые, жидкостные и полупро­водниковые.

По способу накачки энергией рабочего вещества лазеры делят на ряд разновидностей, использующих следующие виды энергии:

1. Оптическая накачка энергией в результате облучения ве­щества мощным световым потоком.

2. Электрическая накачка, осуществляемая при прохождении через вещество электрического тока.

3. Химическая накачка, когда инверсия возникает вследствие химической реакции, в которой принимает участие рабочее ве­щество.

В зависимости от режима работы лазеров они делятся на устройства, работающие в непрерывном и импульсно-периодиче­ском режимах.

В твердотельных лазерах в качестве рабочего вещества ис­пользуют твердые тела (синтетический рубин, иттриево-алюми - ниевый гранат, неодимовое стекло).

Схема твердотельного лазера приведена на рис. 3.5. Стержень S, 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 4, которая для большей эф­фективности облучения кристалла помещается вместе с ним внутрь отражающего кожуха 5, выполненного в виде эллиптиче­ского цилиндра. При размещении лампы и кристалла в фокусах эллипса создаются наилучшие условия равномерного освещения

SHAPE * MERGEFORMAT

Фотонио-лучевые источники

Фотонио-лучевые источники

2

■5

кристалла. Питание лампы обычно осуществляется от спе­циальной высоковольтной ба­тареи конденсаторов 6.

Фотонио-лучевые источники

1

Рис. 3.5. Схема твердотельного ла­зера

В газовых лазерах в качест­ве рабочего тела используют газообразные вещества, при­чем накачка энергии в этих веществах, как правило, осу-

Фотонио-лучевые источники

Рис. 3.6. Схема газового (гелий - неонового) лазера

ществляется вследствие эффектов, связанных с прохождением электрического тока через газ.

В качестве активных газов 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 атомных, ионных и молекулярных переходах.

К первой группе относится гелий-неоновый лазер, схема которого приведена на рис. 3.6. Генерация когерентного излу­чения может проходить в видимой (>.i = 0,633 мкм) и в инфра­красной области (Я2 = 1,15 мкм, Я3=3,39 мкм). Газоразрядная трубка 1 этого лазера заполняется гелием и неоном при парци­альных давлениях соответственно 133 и 13 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, но из-за простоты устройства, надежности и ста­бильности излучения он получил широкое распространение.

В ионных газовых лазерах используются переходы между энергетическими уровнями ионов благородных газов (ксенон, аргон, неон, криптон), 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 десятков паскалей. Мощность лазеров этой группы выше, чем лазеров на атомных переходах.

Газовый лазер на аргоне генерирует излучение с длинами волн Яі = 0,4880 мкм и Яг =0,5145 мкм в видимой сине-зеленой части спектра с мощностью излучения до 150...500 Вт в непре­рывном режиме.

Наибольшую мощность и к. п.д. имеют газовые лазеры, гене­рирующие колебания на молекулярных переходах. Типичный представитель этой группы — лазер на углекислом газе. Моле­кула СОг возбуждается электронными ударами в газовом раз­ряде, причем для увеличения мощности к СОг добавляют моле­кулярный азот N2. Выходная мощность возрастает благодаря резонансной передаче энергии от возбужденных молекул N2 мо­лекулам СОг. Отношение парциальных давлений СОг и N2 обыч­но выбирается в пределах 1:1...1:5 при суммарном рабочем дав­лении в несколько сотен паскалей.

Мощность лазера на углекислом газе еще больше повышает­ся при добавлении к смеси гелия, поэтому в настоящее время газовые лазеры на углекислом газе используют смесь С02 +

N2 + Не. Лазеры на углекислом газе имеют весьма высокий к. п.д. (теоретически — до 40%, практически — 8...30%).

Электрический разряд в лазере на СОг возбуждается в ох­лаждаемой газоразрядной трубке, выполняемой обычно из стек­лянной трубы диаметром до 60 мм. Увеличение диаметра трубы

г

Фотонио-лучевые источники

/

V

J

5

Рис. 3.8. Схема полупроводни­кового лазера

Рис. 3.7. Схема газового лазера на угле­кислом газе с поперечной прокачкой

з

свыше 80...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. Для этой цели используются кристаллы КВг, NaCl или Ge. Для лазера данной схемы с продольной прокачкой с 1 м длины резонатора можно снимать мощность не более 50 Вт, из-за чего приходится значительно увеличивать длину трубы резонатора.

Наиболее эффективны лазеры на углекислом газе с попереч­ной относительно линии электрического тока продувкой газа. Схема такого лазера мощностью до 10 кВт приведена на рис. 3.7. Эта разновидность газового лазера использует интен­сивную прокачку газа через резонатор 3 с охлаждением его в теплообменнике 4. Электрический разряд возбуждается между анодной плитой 2 и секционированным катодом 1.

В качестве рабочего газа используют смесь СОг + N2 - f - - f-He в соотношении 1:20:20 при статическом давлении в разряд­ной камере 5...8 кПа. Расход газовой смеси через разрядную камеру составляет 2...3 м3/ч, для чего используется мощная насосная система.

В лазере этого типа можно получить съем мощности до 16 Вт с 1 см3 газа при к. п.д. до 17%. Электроразрядные ла­зеры с поперечной прокачкой газа работают в непрерывном режиме генерации и развивают мощность до 50 кВт.

Полупроводниковый лазер генерирует когерентное излучение в результате процессов, происходящих в р-п-переходе на полу­проводниковом материале. На рис. 3.8 показана схема полу­проводникового лазера на арсениде галлия. Кристалл имеет раз­меры около 0,5...1,0 мм2. Верхняя его часть 2 представляет собой полупроводник p-типа, нижняя 1 — «-типа, между ними имеется р-«-переход 4 толщиной около 0,1 мкм.

Излучающий слой имеет несколько большую толщину (1... 2 мкм) вследствие проникновения электронов и дырок в глубь
кристалла. Выводы 3, 5 служат для подачи питающего напря­жения, один из них может выполнять функции теплоотводов.

При подаче напряжения на выводы р-п-переход генерирует излучение, длина волны которого для арсенида галлия составля­ет А.1 = 0,82 мкм и к2 = 0,9 мкм (инфракрасная область). Для других материалов длина волны излучения может лежать в ши­роком диапазоне — от ультрафиолетовой до инфракрасной об­ласти.

Для улучшения условий работы полупроводникового лазера и обеспечения непрерывного режима генерации кристалл необ­ходимо охлаждать до низких температур. Мощность лазера на арсениде галлия при температуре жидкого азота в импульсно­периодическом режиме составляет 100 Вт, в непрерывном ре­жиме — 10 Вт. Лучшие образцы полупроводниковых лазеров мо­гут работать при нормальных температурах.

Малые геометрические размеры и простота конструкции полу­проводниковых лазеров позволяют собирать решетки или линей­ки из большого числа отдельных лазеров. Такие решетки могут иметь мощность непрерывного излучения в несколько десятков ватт.

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ КОГЕРЕНТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

С ВЕЩЕСТВОМ

Падающий на поверхность вещества поток лучистой свето­вой энергии частично поглощается, а частично отражается. Из оптики известно, что доля отраженной энергии зависит от длины волны излучения и состояния поверхности вещества. В табл. 3.2 приведены значения коэффициентов отражения (при полном отражении этот коэффициент равен 1) для чистых неокисленных полированных поверхностей металлов.

Приведенные в табл. 3.2 данные свидетельствуют о том, что значительная доля светового потока отражается от поверхности и к. п.д. передачи энергии потоком света значительно меньше, чем для электронного луча.

Для реальных поверхностей, покрытых окислами и имеющих меньшую частоту обработки, значение коэффициента отражения уменьшается. С ростом температуры вещества на его поверх-

Таблица 3.2. Коэффициенты отражения волн различных лазеров для металлических поверхностей

Рабочее тело ОКГ

Длина

волны,

мкм

Аи

Ag

Си

Мо

А1

Сг

Fe

Ni

Apt он

0,488

0,415

0,952

0,437

0,455

0,597

Рубин

0,6943

0,930

0,961

0,831

0,498

0,56

0,58

0,676

Неодимовое стекло

1,06

0,981

0,964

0,901

0,582

0,733

0,57

0,65

0,741

Углекислый газ

10,6

0,975

0,989

0,984

0,945

0,970

0,93

0,92

0,941

ности стимулируется образование оксидов и других соединений, которые также увеличивают поглощение. Подача в зону обра­ботки кислорода или других газов интенсифицирует этот про­цесс. В результате можно добиться того, что 20...40% энергии светового потока будет усвоено веществом.

Еще большего поглощения энергии можно добиться при на­несении на поверхность веществ с малыми коэффициентами отражения (газовая сажа, краска), но в этом случае возможно взаимодействие нанесенного вещества с основным материалом, что не всегда допустимо.

Поглощенное веществом излучение передает свою энергию его электронам, в связи с чем глубина проникновения свето­вой энергии в вещество соответствует средней длине их пробега, что для большинства распространенных веществ составляет

5.. .50 нм. Дальнейшая передача энергии из этой зоны вглубь осуществляется вследствие теплопроводности. В отличие от элек­тронного луча энергия светового излучения при взаимодействии с веществом в основном превращается в теплоту, а доля воз­никающего при этом излучения типа рентгеновского пренебре­жимо мала.

Световой поток относительно небольшой интенсивности мо­жет осуществить на поверхности лишь весьма ограниченные изменения: экспозицию специальных светочувствительных мате­риалов или «выцветание» некоторых красок.

По мере увеличения плотности энергии потока, что достаточ­но просто и оперативно осуществляется путем его фокусировки, возможен нагрев и плавление поверхности слоев материала. Последующее увеличение концентрации энергии приводит к уве­личению глубины проплавления, одновременно начинает все больше проявляться эффект испарения веществ.

При дальнейшем увеличении концентрации энергии доля ис­паренного вещества начинает резко увеличиваться, образуются отдельные капли и частички вещества, которые под действием паров выбрасываются из зоны обработки.

Повышение концентрации энергии до максимального дости­жимого уровня (примерно Ю10 Вт/мм2 для лучших систем фокусирования луча) приводит к интенсивному испарению ве­щества с минимальным количеством жидкой фазы и выносом его в виде паров из зоны обработки. Для некоторых веществ

■w*

Е Ш

Рис. 3.9. Схема взаимодействия лазерного излучения с веще­ством:

/ — нагрев; // — плавление; III — испарение

возможно сублимационное испарение, т. е. переход из твердого состояния сразу в парообразование. Схема изменения характера взаимодействия светового потока с веществом в зависимости от концентрации энергии приведена на рис. 3.9.

При достаточно высокой концентрации энергии в фокальном пятне луча лазера может возникнуть «лазерная искра». Это явление обычно происходит в газах при нормальном давлении и внешне напоминает высокочастотный электрический разряд, из-за чего оно и получило свое название.

Физическая основа образования лазерной искры — возникно­вение в фокальном пятне вследствие нагрева газа термической плазмы, температура которой может достигать 106 К. Неравно­мерность распределения по объему плазмы электрически заря­женных частиц приводит к резкой неравномерности распреде­ления электрического потенциала в этом объеме и, как следст­вие, — электрическому пробою. Пробой имеет характер миниа­тюрного взрыва и сопровождается яркой вспышкой. Поскольку на образование лазерной искры расходуется большое количество энергии излучения лазера и в ряде случаев ее образование нарушает ход технологического процесса с применением лазер­ного излучения (например, сварки), этого явления стараются избегать.

Для устранения лазерной искры чаще всего прибегают к обдуву лазерного луча в фокальном пятне потоком газа, перпен­дикулярным направлению луча.

К числу технологических преимуществ мощного когерентного излучения следует отнести:

1. Возможность передачи энергии в виде светового луча на расстояние (в том числе и через прозрачную разделительную перегородку или по специальному оптическому волноводу).

2. Отсутствие непосредственного силового и электрического контакта источника энергии с изделием в месте обработки.

3. Возможность плавного регулирования энергии в пятне на­грева путем изменения фокусировки луча.

4. Высокая концентрация энергии в пятне нагрева благодаря «острой» фокусировке излучения.

5. Возможность достижения высоких температур в зоне воз­действия излучения.

6. Возможность получения как импульсов энергии весьма малой длительности (до 10-9 с), так и непрерывного излучения.

7. Малые зоны обработки, размеры которых не превышают нескольких микрометров.

8. Возможность оперативного перемещения луча системы раз­вертки при неподвижном объекте обработки с высокой точностью и скоростью.

9. Возможность модуляции мощности луча во времени по тре­буемому закону.

10. Возможность осуществления технологического процесса в любой оптически прозрачной для излучения среде.

Исследование перечисленных особенностей лазерного излуче­ния привело к возникновению целого ряда групп технологиче­ских процессов, в основе которых лежат те или иные физические явления и эффекты.

Лазерная сварка как технологический процесс, связанный с локальным плавлением, находит все более широкое применение, конкурируя как с традиционными способами сварки, так и с электронно-лучевой сваркой.

Импульсные твердотельные лазеры применяют для сварки малоразмерных деталей в микроэлектронике, приборостроении, где важно получать малоразмерные швы с минимальным разо­гревом окружающего зону сварки материала. Сварка может вестись как отдельными точками, так и герметичными швами при последовательном наложении точек с их перекрытием.

Мощные газовые лазеры позволяют проплавлять за один про­ход, как и при электронно-лучевой сварке, значительные тол­щины. Экспериментально установлено, что для стали глубина проплавления металла в диапазоне до 5 мм требует 1 кВт мощ­ности излучения на 1 мм толщины металла. Однако, как видно из рис. 3.10, при дальнейшем увеличении мощности светового луча глубина проплавления увеличивается меньшими темпами и для сварки толщин более 20 мм требуются уже весьма мощ­ные лазеры, потребляющие с учетом к. п.д. из сети сотни кило­ватт электрической мощности. Электронно-лучевая сварка пока позволяет сваривать за один проход значительно большие тол­щины (до 200 мм) при меньшей потребляемой от сети мощ­ности.

Так же как и электронно-лучевая сварка, сварка лазером дает узкий шов «кинжального» типа с малыми деформациями свариваемых деталей, что позволяет применять этот способ для соединения окончательно обрабатываемых узлов и деталей.

h, мн

Фотонио-лучевые источники

Рис. 3.10. Проплавление стали при сварке лазером на углекис­лом газе

Сварка лазером неметаллических материалов, в основном стекла и керамики, возможна потому, что излучение лазера на углекислом газе с длиной волны 10,6 мкм достаточно хо­рошо поглощается этими материа­лами и может быть использовано для их нагрева, плавления и после­дующей сварки. По сравнению с га­зопламенным нагревом, обычно ис­пользуемым для сварки и пайки стекла, излучение лазера позволяет увеличить интенсивность нагрева места сварки или пайки (но не более 80...100 К/с из-за возможности тер­мического растрескивания стекла), уменьшить зону нагрева, что дает возможность' создавать миниатюр­ные стеклянные сварные конструк­ции.

Резка материалов лазерным излучением может быть основана на локальном плавлении материала и его дальнейшем удалении под действием сил тяжести, конвекти ного потока или газовой струи. Если же расплавленный материал перегрет и упругость его паров достаточно высока, образующиеся при этом пары могут быть удалены из зоны резки струей инертного газа, и про­цесс резки может происходить более эффективно.

В случае, если разрезаемый материал содержит связанную или кристаллизационную воду (органические соединения, мине­ралы), локальный интенсивный нагрев лазерным излучением приводит к разрыву молекулярных связей и испарению воды и других жидких компонентов. В результате испарения этих компонентов внутри материала может возникнуть высокое внут­реннее давление, что приводит к образованию микротрещин и выбросу частиц материала. Аналогично протекает процесс резки пористых материалов, содержащих газы, и химических соеди­нений, деструктирующих с образованием газообразных продук­тов. На таком принципе основана резка слоистых пластиков, дерева, содержащих кристаллическую воду веществ.

Эффективность резки может быть значительно повышена в результате введения в зону резки активного газа, например кислорода. Экзотермическая реакция между разрезаемым мате­риалом и кислородом значительно увеличивает выделение энер­гии в месте взаимодействия излучения с материалом. На этом принципе основан процесс газолазерной резки (ГЛР). Кислород в этом процессе осуществляет следующие функции:

1. Обеспечивает в результате реакции окисления выделение основной части энергии, необходимой для резки.

2. Значительно увеличивает поглощательную способность ма­териала вследствие создания на его поверхности оксидов, имею­щих меньший коэффициент отражения по сравнению с основным металлом.

3. Снижает поверхностное натяжение расплавленных метал­лов, имеющих жидкотекучие оксиды.

4. Благодаря газодинамическому давлению способствует уда­лению расплавленных оксидов из зоны реза.

5. Охлаждает кромки разрезанного материала.

При газолазерной резке металлов лазер непрерывного из­лучения на углекислом газе мощностью до 5 кВт позволяет в струе кислорода резать малоуглеродистые стали толщиной до 10 мм, легированные и коррозионно-стойкие стали — до 6 мм, никелевые сплавы — до 5 мм, титан — до 10 мм. Металлы, образующие тугоплавкие оксиды с малой вязкостью, газолазер­ной резкой разделяются плохо, так как удаление оксидов из зоны резки в этом случае зтрудн но. К таким металлам относятся люминий и его сплавы, магний, латунь, хром и целый ряд других металлов, которые выгоднее резать плазменной рез­кой.

ТЕОРИЯ сварочных процессов

Граничные условия

Чтобы решить дифференциальное уравнение теплопроводно­сти, необходимо задать распределение температур в начальный момент времени (начальное условие) и условия взаимодействия тела с окружающей средой на его границах (граничные условия). Начальное условие определяется …

Основные допущения и упрощения, принятые в классической теории распространения теплоты при сварке

На современном уровне развития математики аналитическое решение уравнения теплопроводности в общем виде (5.21) еще не найдено, однако при введении некоторых допущений и упрощений можно получить пригодные для практического использования ча­стные …

Дифференциальное уравнение теплопроводности

Сложный процесс изменения температуры точек тела с коор­динатами jc, у, z во времени t описывается дифференциальным уравнением теплопроводности. Для вывода этого уравнения необ­ходимо рассмотреть баланс теплоты в некотором элементарном объеме …

Как с нами связаться:

Украина:
г.Александрия
тел./факс +38 05235  77193 Бухгалтерия
+38 050 512 11 94 — гл. инженер-менеджер (продажи всего оборудования)

+38 050 457 13 30 — Рашид - продажи новинок
e-mail: msd@msd.com.ua
Схема проезда к производственному офису:
Схема проезда к МСД

Оперативная связь

Укажите свой телефон или адрес эл. почты — наш менеджер перезвонит Вам в удобное для Вас время.