ТЕОРИЯ сварочных процессов

Полихроматический свет

Обычное световое излучение часто называют полихромати­ческим светом, так как оно состоит из целого ряда электромагнит­ных волн различной длины, лежащих в видимой области оптиче­ского диапазона спектра электромагнитного излучения. 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 элек­троны. При переходе с дальних орбит на ближние они излучают электромагнитные колебания. Это излучение существует в виде отдельных квантов; энергия кванта

e = Av, (3.10)

-34

где И = 6,625 • 10 Дж - с - постоянная Планка; v - частота коле­баний, является одной из основных характеристик кванта света - фотона.

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: R = аГ4) и по мере увеличения темпе­ратуры спектральный максимум излучения сдвигается в сторону уменьшения длины волны.

Поскольку применение энергии света для тех или иных техно­логических процессов связано с фокусировкой луча, полихрома - тичность играет в данном случае отрицательную роль. Полихро­матический свет при прохождении через линзу фокусируется в виде пятна довольно значительных размеров, так как волны раз­личной 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 цятна равен длине волны X и для оптического диапазона состав­ляет * 1 мкм. Полихроматичность увеличивает этот размер до сотен и тысяч микрометров, в результате чего максимальная плот­ность мощности в пятне нагрева в данном случае не превышает 3 кВт/см2, что соизмеримо с нагревом пламенем горелки и на

4- 6 порядков меньше, чем для монохроматического луча лазера. Кроме того, фокусировка ухудшается в связи с тем, что геометри­ческие параметры применяемых фокусирующих линз и зеркал со сферическими поверхностями имеют отклонения от значений, требуемых для точной фокусировки. 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 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 выполняют в корпусах из плавленого термостойкого кварца - поэтому иногда их называют кварцевыми. Они предназначены для технологических целей, име­ют мощность до нескольких десятков кВт. 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.

На практике в качестве источника энергии для светолучевой сварки и пайки используют сфокусированный полихроматический свет дуговых ксеноновых ламп. В качестве источника излучения используют дуговые ксеноновые лампы сверхвысокого давления (Рп = 3,5...9,5 МПа) мощностью 3...10 кВт. Такого типа лампы имеют компактную светящуюся дугу с высокой яркостью (600... 1000 Мкд/м ) и дают непрерывный спектр излучения,

близкий к солнечному, с диапазо­ном длин волн Х= 0,2...2,4 мкм, занимающий в оптическом диапа­зоне ультрафиолетовую, видимую и инфракрасную области в процент­ном соотношении 9:35:56. Модуль лучистого нагрева (рис. 3.3) пред­ставляет собой эллипсоидный от­ражатель 2, в одном из фокусов которого располагается источник излучения 1. Отражатели, выпол­ненные, как правило, из алюминие­вых сплавов, позволяют получать

на обрабатываемой поверхности

2

плотность мощности до 3 кВт/см

при площади пятна нагрева в

2

„ „ ^ „ фокусе 5... 10 мм с мощностью

Рис. 3.3. Схема светолучевои. _ _

сварки лучистого нагрева до 2 кВт. Таким

оптическим источником теплоты вполне можно сваривать детали толщиной до 2 мм для большин­ства металлических материалов.

Если процесс идет в вакууме или другой газовой защитной среде, световое излучение вводят в камеру через специальный (обычно кварцевый) иллюминатор. Основными достоинствами такого вида нагрева считаются отсутствие силового контакта с из­делием и возможность плавного регулирования температуры.