Реферат сварка световым лучом

Обновлено: 05.07.2024

К одному из современных методов изменения формы и размеров заготовок относится светолучевая обработка.

Вынужденное излучение происходит при столкновении кванта с электроном, находящимся на верхнем энергетическом уровне и отдающим квант энергии при переходе на нижний уровень. Усиление света получается за счет того, что первый квант, т. е. квант-возбудитель, после столкновения с атомом не исчезает, а сохраняется и дальше летит вместе с вновь рожденным квантом. Затем каждый из этих двух квантов сталкивается с одним атомом, а потом с восьмью, шестнадцатью и т. д., пока не кончится их путь в активном веществе. Так что чем длиннее будет этот путь, тем более мощную лавину квантов, т. е. более мощный луч света, вызывает первый квант. А так как первоначальный импульс света заключает в себе не 1 квант, а множество, то и лавина квантов становится мощной. Поэтому в твердотельных лазерах активное вещество используется в виде узких длинных призм, цилиндров, т. е. в виде стержней, длина которых примерно в 10 раз больше толщины.

В генераторе имеется система зеркал. Зеркала представляют собой не что иное, как торцы стержня, покрытые серебром. Торцы шлифуются строго параллельно друг другу и перпендикулярно оси цилиндра. Причем один покрывается серебром плотно, так, чтобы свет полностью отражался от него, а другой серебрится тонким слоем с таким расчетом, чтобы он отражал 90 % квантов, а 10 % пропускал.

Зеркала необходимы для того, чтобы делать луч лазера направленным, а главным образом для многократного усиления первичной лавины квантов, летящих вдоль оси стержня активного вещества. Первичная лавина, пролетевшая стержень до конца, еще очень слаба для того, чтобы стать мощным потоком света. И ее отбрасывает назад зеркало на торце стержня. Зеркало со стопроцентным отражением света. Лавина квантов мчится обратно гигантскими скачками, набираясь новых сил. Нарастание мощности выходного пучка света происходит так быстро, что практически незаметно.

Лазерный луч можно сфокусировать и так, что он будет вызывать интенсивный нагрев. Например, с помощью линзы с фокусным расстоянием 1 см луч можно сфокусировать в пятно, называемое фокальным, так как оно находится в фокусе диаметром 0,01 см, т. е. площадью в 0,0001 см 2 . Хотя вспышка лазера и кратковременна, ее достаточно для расплавления и испарения освещенной части любого материала, будь то металл, камень или керамика.

Во время мощных вспышек, а тем более во время непрерывной работы лазера, стержень активного вещества сильно нагревается и его приходится охлаждать. Для этого стержень заключают в кожух, через который циркулирует охлаждающая среда. Рубиновый лазер обычно охлаждается жидким азотом, температура которого равна —196 °С.

1 — зарядное устройство; 2 — ёмкостный накопитель; 3 — система

управления; 4 — блок поджига; 5 — лазерная головка; 6 — система

охлаждения; 7 — система стабилизации энергии излучения; 8 — датчик

энергии излучения; 9 — оптическая система; 10 — сфокусированный

луч лазера; 11 — обрабатываемая заготовка; 12 — координатный стол;

13 — система программного управления
Рисунок 1 - Типовая структурная схема лазерной установки с

2 Обработка материалов лазерным лучом

Направим на поверхность какого-то материала, например металла, луч мощного лазера. Вообразим, что интенсивность излучения постепенно растет (за счет увеличения мощности лазера или за счет фокусирования излучения). Когда интенсивность излучения достигнет необходимого значения, начнется плавление металла. Вблизи поверхности, непосредственно под световым пятном, возникает область жидкого (расплавленного) металла. Поверхность, отграничивающая эту область от твердого металла (ее называют поверхностью расплава), постепенно перемещается в глубину материала по мере поглощения им

1.1 Общие сведения
При облучении поверхности тела светом энергия квантов (порций) света поглощается этой поверхностью. Образуется теплота, температура поверхности повышается. Если световую энергию сконцентрировать на малом участке поверхности, можно получить высокую температуру. На этом основана сварка световым лучом оптического квантового генератора - лазера.

Термин "лазер" происходит от первых букв английской фразы: "Light amplification by the stimulated emission of radiation", что означает в переводе: "Усиление света посредством индуцирования эмиссии излучения". Академик Н.Г. Басов, удостоенный в 1964 г. совместно с академиком А.М. Прохоровым и американским ученым Ч. Таунсом Нобелевской премии за теоретическое обоснование и разработку лазеров, так характеризует лазер: "Это устройство, в котором энергия, например тепловая, химическая, электрическая, преобразуется в энергию электромагнитного поля - лазерный луч. [2] При таком преобразовании часть энергии неизбежно теряется, но важно то, что полученная в результате лазерная энергия обладает несравненно более высоким качеством. Качество лазерной энергии определяется ее высокой концентрацией и возможностью передачи на значительное расстояние".

Д ля сварки металлов широкое применение нашли следующие типы технологических лазеров: импульсные, в качестве активных сред которых используются стекло или алюмоиттриевый гранат (ЛИГ) с неодимом; непрерывные твердотельные ЛИГ-лазеры и газовые СО2-лазеры, активной средой которых служит молекуляр ньгй углекислый газ в смеси с азотом и гелием. [Куликов А.В., Попов И.А. ст.10]

При промышленном использовании лазеры дополнительно со держат различные функциональные устройства, которые вместе с лазером составляют технологическую установку. Независимо от типа лазера сварочные установки чаще всего состоят из ряда аналогичных блоков (рис. 1). Лазер 1 генерирует излучение 2, которое формируется оптической системой З в пучок с определенными пространственными характеристиками и направляется на сваривае мый объект 4. С помощью микроскопа 5 возможны визуальный контроль положения объекта сварки, наблюдение за ходом процесса сварки и оценка его результатов. Для наблюдения

можно также использовать специальный экран или телемонитор. Механизм 6 обеспечивает фиксацию сва риваемого объекта на ра бочей позиции, его перемещение и замену. Установка может быть снабжена программным устройством 7, управляющим механизмом лазера. Датчик 8 предназначен для контроля параметров излучения, а датчик 9— параметров технологического процесса (температуры зоны сварки, яркости свечения плазменно го факела, энергии отраженного излучения и т. п.).

Сигналы с датчиков 8 и 9 поступают в элементы управления лазером непосредственно или через программное устройство, передавая информацию, необходимую для автоматического управле ния процессом сварки. Некоторые процессы сварки требуют подачи в рабочую зону той или иной технологической среды, а также отсоса из рабочей зоны продуктов сгорания материалов. Для этих целей служат соответствующие устройства 10 и 11. Для повышения КПД процесса сварки металлов установка может быть снаб жена устройством 12 введения дополнительной энергии (генератор ультразвука, устройство возврата отраженного излучения и т.п)

Кроме перечисленных узлов установка может содержать устрой ство сканирования лазерного пучка или его точного наведения на объект сварки (на схеме не показано).

С труктурная схема твердотельного лазера для сварки (рис. 2) содержит блок питания 1, обеспечивающий импульсный или непрерывный режим горения лампы накачки 2, которая вместе с осве тителем З, активным элементом 4 и оптическим резонатором 5 составляет излучатель 6. Система управления 7 осуществляет контроль и регулирование параметров режима работы блока питания.

рис. 2, Структурная схема твер дотельного лазера для сварки

Система охлаждения 8 служит для отвода теплоты от элементов излучателя.

С труктурная схема СО2-лазера (рис. З) содержит рабочую меру 1 с активной газовой средой. Камера и оптический резонатор 2 составляют излучатель З. Импульсный или непрерывный газовый разряд, ведущий к возбуждению активной среды, создается источником питания 4, содержащим, как правило, элементы управления параметров излучения, Рабочая камера обычно охлаждается с помощью устройства охлаждения 5. Лазеры с прокачкой газовой среды имеют также систему прокачки газа и форвакуумный насос для откачки рабочей камеры. [ Малащенко А.А., Мезенов А.В.ст.5]

Технология лазерной сварки

Когерентностью: В основе этого показателя лежит взаимосвязь фаз теплового поля луча лазера в разных зонах;
Монохроматичностью : Данное свойство характеризуется небольшой шириной спектральных линий, которые излучаются источником;
Направленностью: При проведении сварочного процесса не происходит рассеивание луча при его движении от источника к свариваемому изделию.

Элементы, которые подготовлены для соединения, плотно соединяются друг с другом вдоль линии будущего соединения.
Далее на область стыка наводится лазерный луч.
Включается генератор. Во время этого начинается равномерное разогревание, плавление и испарение частиц на кромках.
В связи с тем, что сечение лазерного луча имеет небольшие размеры, расплавленный металл заполняет все микронеровности и дефекты изделий, которые попадают в зону действия лазерного луча.

В связи с тем, что лазерный луч перемещается по соединяемым поверхностям с высокой скоростью, в ходе сварочного процесса не возникает окисления металла. При помощи луча можно делать два вида шва - сплошной и прерывистый. При помощи первого варианта сваривают трубы из нержавеющей стали, где необходима высокая герметичность. Второй вид используется при сваривании небольших конструкций, которые имеют поверхностные повреждения. [Куликов А.В., Попов И.А. ст.11]

1.2 Условия и способы лазерной сварки

Лазерная сварка нержавеющей стали, сплавов и материалов должна проводиться в соответствии с определенными особенностями. Чтобы получить повышенную мощность луча требуется его точная фокусировка. В момент, когда показатели интенсивности пучка становятся выше максимального значения, он пропускается через центральную область переднего зеркала и далее через систему направляющих призм к рабочей области.

Лазерная сварка нержавейки и других металлов может осуществляться при разном нахождении свариваемых изделий. Глубина проплавления металлической структуры может регулироваться в широком диапазоне - от поверхностного до сквозного. Рабочий процесс может проводиться непрерывным лучом или прерывистыми импульсами.

1.3 Виды лазеров

Лазерная сварка алюминиевых сплавов, меди, нержавейки и других металлов, материалов может осуществляться разными лазерами. Устройства бывают твердотельного и газового вида. Каждый тип выбирается в соответствии с целью применения оборудования. Но при этом не стоит забывать про важные характеристики каждого вида.

Твердотельный

Лазерная сварка меди, алюминия, нержавейки, серебра, пластмассы и даже стекла осуществляется твердотельным лазером. Для нее необходим главный компонент - рубиновый стержень, также он может быть выполнен из стекла с неодимом. Обычно этот элемент находится внутри осветительной камеры.

В момент, когда в камеру с определенной частотой подается свет с большой мощностью, в кристалле в этот момент возникает возбуждение атомов. Все это приводит к излучению света, которое имеет волны с одинаковой длиной. Торцевые части стержневого элемента состоят их отражающих зеркал. Одно из них является частично прозрачным. Через него выходит энергия в виде лазерного излучения.

Газовый

Прокачивание газа из баллонов производится насосом. Для этого применяется газоразрядная труба.
Между электродами возникает разряд электрического тока, который вызывает энергетическое возбуждение газовой смеси.
В торцевых зонах газоразрядной трубы имеются специальные зеркала, через которые пропускаются лучи лазера.
При выполнении лазерной сварки оправ, кузова автомобиля и других изделий электроды соединяются с источником питания.
Процесс охлаждения лазерных устройств проводится водяной системой.

Лазерная сварка серебра, меди, алюминия, титана, нержавейки и других металлов производится в атмосферных условиях. Для нее необходим вакуум, но при этом должна быть защита расплавленного металла от влияния воздуха. Для этого используются газы, обычно аргон. В связи тем, что наблюдается высокая тепловая мощность луча на поверхности свариваемого элемента, происходит усиленное испарение металла. Пары ионизируются, в результате этого возникает рассеивание и экранизация лазерного луча.

Лазерная сварка стекла, пластмасс и изделий из разных металлов, во время которой применяются газовые смеси, характеризуется тем, что в область сваривания помимо защитного газа проникает плазмоподавляющий газ. В качестве него применяется гелий, который намного легче аргона, он не будет рассеивать лазерный луч. Для упрощения процесса многие опытные сварщики часто применяют комбинированные газовые смеси, которые обладают плазмоподавляющими и защитными свойствами. [Малащенко А.А., Мезенов А.В,ст.5,6]

1.4 Особенности сварки тонкостенных изделий

Главное преимущество лазерной сварки состоит в ее многообразии. К каждому виду работ можно подобрать подходящие приборы и устройства. Но все при их выборе стоит опираться на вид и особенности материалов, которые будут свариваться. Обычно для тонкостенных изделий применяются твердотельные лазеры и аппараты на основе газа. Но все первый вариант считается наиболее предпочтительным.

Лазерная сварка малых толщин всегда выполняется при помощи твердотельных лазеров. Она подходит для работы с небольшими изделиями. Зачастую это элементы микроэлектроники, к примеру, тонкие выводы из проволоки с диаметром от 0,01 до 0,1 мм.

Часто твердотельной установкой выполняется точечная лазерная сварка с применением твердотельного лазерного устройства. Но она подходит для изделий из фольгированной структуры с диаметром точки 0,5-0,9 мм. При помощи этого способа производится герметичное катодное соединение на кинескопах современных телевизоров.

Соединение маленьких и тонкостенных изделий проводится на минимальной мощности. Если сваривание выполняется в импульсном режиме, то обязательно нужно будет повысить скважность импульса и сократить его длительность. А вот в непрерывном режиме необходимо повысить скорость лазера. [Малащенко А.А., Мезенов А.В.ст.7]
1.5 Автоматизация лазерной сварки и виды станков

Автоматизация сварочных процессов — важнейший этап сов ременного технического перевооружения сварочного производства. В настоящее время во многих отраслях. промышленности дей ствуют установки, оснащенные различными средствами механи зации и автоматизации, что позволяет многие операции сварочного процесса производить в полуавтоматическом или автоматическом режиме. Выпускаемые промышленностью сварочные лазеры также оснащены различной контрольно-измерительной аппаратурой, а некоторые образцы оборудования содержат и микропроцессорные системы, что в целом значительно облегчает условия работы оператора, способствует повышению качества п производительно сти сварки.

Однако современный подход комплексной автоматизации производственных процессов, базирующийся, как известно на создании гибкого автоматического производства (ГАП), требует соответствующего рассмотрения и вопросов автоматизации сварки. [ Малащенко А.А., Мезенов А.В.с.38]

Модели станков для лазерной сварки

Квант-15 лазерная сварка. Прибор является самым дорогостоящим и многофункциональным. Его применяют в шовной и точечной сварочной технологии, для соединения различных металлов и сплавов с глубиной проплавления до 2-3 мм. Также используется при разрезании инструментальных, конструктивных, высоколегированных сплавов.
ЛАТ-С. Эта установка применяется для проведения лазерной сварки и наплавки металлов. Имеет высокую мощность и производительность. Оборудование может быть укомплектовано координатными столами, именно за счет этого можно производить обработку сложных изделий.
МУЛ-1. Это малогабаритное оборудование, которое применяется для лазерной сварки и наплавки металлов. При помощи него может производиться пайка изделий из серебра и золота. Применение лазерной сварки в ювелирном деле позволяет легкое сваривание с соблюдением высокой точности. Допускается даже соединение оправ пластиковых очков.

WELD-WF. Портативное устройство, подходящее для сваривания труднодоступных мест. В его устройство входит манипулятор, который соединяется с волокном. Мощность составляет 1,5 кВт;

На производствах часто проводятся тесты по лазерной сварке, которые позволяют предотвратить возможные дефекты швов. Но все же даже правильная подготовка не всегда защищает от деформаций, непроваров и других неприятных ситуаций.

Непроваривание шва.
Образование пор и трещин.
Наплывы, кратеры, сварные раковины.
Посторонние включения.
Прожоги.

Лазерная сварочная технология - востребованный метод соединения разных металлов, а также изделий из стекла, пластика и драгметаллов, который позволяет получить качественное и прочное соединение. Но все же перед тем как к нему приступать, необходимо тщательно рассмотреть важные особенности, принципы технологии, от которых зависит итоговый результат. Кроме этого, чтобы процесс был проведен правильно, обязательно нужно иметь опыт и навыки. [Лазерная сварка: сущность и принцип технологии]

Содержание

Вложенные файлы: 1 файл

Лазерное сваривание.doc

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ

по дисциплине "СТ в П"

Выполнила: ст. гр. П-52д.

Газы и газовые смеси для лазеров……………………………………….……….8

Лазерная сварка - это исторически одно из самых первых применений лазеров в производстве. После появления импульсных твердотельных лазеров они почти сразу стали использоваться для микросварки в микроэлектронике. Затем, с появлением мощных СО2-лазеров, была созданы различные технологии лазерной стыковой сварки. Исследованием этих технологий интенсивно занимались и в бывшем СССР, пионером здесь была исследовательская группа Феликса Косырева (Институт Атомной физики им.И.В.Курчатова), очень плодотворно работал межотраслевой коллектив, созданный для внедрения лазерной сварки в атомном машиностроении строении (Ижорский завод и НИИЭФА им.Ефремова).

Одна из серьезных трудностей при планировании использования лазерной сварки в производстве связана с отсутствием в СНГ производства современных мощных СО2-лазеров. Лазеры, которые разрабатывались для этой цели в 80 годы (НИИЭФА - ТЛ "Славянка" - 16 кВт, НИЦТЛ РАН, г.Шатура - ТЛ-5, ТЛ-10) уже морально устарели, а импортное оборудование очень дорого для использования на внутреннем рынке. Но эта проблема будет решена в ближайшие годы. Например, с 2002 года ТулаМашЗавод выпускает сварочные модификации YAG лазеров MLTI-500 и MLTI-1200, в планах есть и модель мощностью 2 кВт. Это уже нормальный производственный инструмент для лазерной сварки металлов толщиной несколько миллиметров.

Лазерная сварка с использованием CO2 и Nd:YAG лазеров получает все более широкое распространение в промышленности. Мощные CO2 лазеры (2-12 кВт) используются для сварки кузовов автомобилей, компонентов трансмиссий и специальных листовых заготовок.

Лазерная сварка - это процесс соединения материалов (прежде всего металлов) при котором происходит расплавлением кромок с помощью концентрированного лазерного луча и образования общей ванны расплавленного металла с последующим затвердеванием.

Лазерная сварка - процесс бесконтактный, потому более чистый, чем другие виды сварки. Сварочный шов не загрязнен материалами электродов, флюса и т.д.

Лазерная сварка происходит при высокой концентрации энергии, поэтому производительность сварки намного превышает производительность традиционных видов сварки.

Поводки и термодеформации при лазерной сварке значительно меньше, чем при традиционных видах сварки.

При облучении поверхности тела светом энергия квантов света поглащается этой поверхностью. Если световую энергию сконцентрировать на малом участке поверхности, можно получить высокую температуру. На этом основана сварка световым лучом оптического квантового генератора - лазера. Термин лазер происходит от первых букв английской фразы: "Light amplification by the stimulated emission of radiation", что означает в переводе: "Усиление света посредством индуцирования эмиссии излучения". Академик Н. Г. Басов, удостоенный в 1964 г. совместно с академиком А. М. Прохоровым и американским ученым Ч. Таунсом Нобелевской премии за теоретическое обоснование и разработку лазеров.

Основные элементы лазера - генератор накачки и активная среда. По активным средам различают твердотельные, газовые и полупроводниковые лазеры. Лазерную сварку производят на воздухе или в среде защитных газов. Вакуум, как при электронно-лучевой сварке, здесь не нужен, поэтому лазерным лучом можно сваривать крупногобаритные конструкции. Лазерный луч легко управляется и регулируется, с помощью зеркальных оптических систем легко транспортируется и направляется в труднодоступные для других способов места. В отличие от электронного луча и электрической дуги на него не влияют магнитные поля, что обеспечивает стабильное формирование шва. Из-за высокой концентрации энергии в процессе лазерной сварки объём сварочной ванны небольшой, малая ширина зоны термического влияния, высокие скорости нагрева и охлаждения. Это обеспечивает высокую технологическую прочность сварных соединений, небольшие деформации сварных конструкций.

Скорость лазерной сварки непрерывным излучением в несколько раз превышает скорости традиционных способов сварки плавлением. Например, стальной лист толщиной 20 мм электрической дугой сваривают со скоростью 15 м/ч за 5. 8 проходов, ширина шва получается 20 мм. Непрерывным лазерным лучом этот лист сваривается со скоростью 100 м/ч за 1 проход, получают ширину шва 5 мм. Однако лазерная сварка импульсным излучением по скорости сопоставима с традиционными способами сварки. Лазерную сварку можно производить со сквозным и частичным проплавлением. Сварные швы одинаково хорошо формируются в любом пространственном положении. При толщине свариваемых кромок менее 0,1 мм и при сварке больших толщин с глубоким проплавлением по-разному происходит формирование шва и различны подходы к выбору параметров режима сварки. При сварке как непрерывным, так и импульсным излучением малых толщин используют более мягкие режимы, обеспечивающие лишь расплавление металла в стыке деталей без перегрева его до температуры интенсивного испарения. Сварку сталей и других малоактивных металлов можно в этом случае выполнять без дополнительной защиты зоны нагрева, что существенно упрощает технологию, тогда как сварку с глубоким проплавлением ведут с защитой шва газом, состав которого подбирают в зависимости от свариваемого материала.

Широкое применение лазерной сварки сдерживается экономическими соображениями. Стоимость технологических лазеров пока ещё высока, что требует тщательного выбора области применения лазерной сварки. Однако, если применение традиционных способов не дает желаемых результатов либо технически неосуществимо, можно рекомендовать лазерную сварку. К таким случаям относится необходимость получения прецизионной конструкции, форма и размеры которой не должны меняться в результате сварки. Лазерная сварка целесообразна, когода она позволяет значительно упростить технологию изготовления сварных изделий, выполняя сварку как заключительную операцию, без последующей правки или механической обработки. Экономически эффективна лазерная сварка, когда необходимо существенно повысить производительность, поскольку скорость ее может быть в енсколько раз больше, чем у традиционных способов.

Как уже говорилось лазерная сварка – это принцип использования светового луча, который генерирует оптический квантовый генератор. В чем его суть? За счет поступления электрической, химической или другой энергии атомы активного вещества переходят в возбужденное состояние. Через некоторое время возбужденный атом сам начинает излучать полученную энергию в виде фотона и затем возвращается в свое исходное состояние.

Из всех генераторов излучения (лазеров) для сварки наиболее подходят их газовые и твердотельные модификации. На рисунке дана принципиальная схема твердотельной лазерной сварочной установки.

Компоновка лазерной установки

Сама установка состоит из рабочего тела 3, генератора накачки 1, обеспечивающего световую энергию для возбуждения атомов активного вещества-излучателя. Полученное излучение фокусируется и направляется с помощью оптической системы 2 на свариваемое изделие 4.

Такая установка может осуществлять сварку через прозрачные оболочки.

Ниже перечислены основные преимущества лазерной сварки перед другими методами:

Существенно меньший объем ванны расплава и резкое уменьшение ЗТВ (зоны термического влияния) ведет к образованию высококачественных сварных соединений для большинства распространенных конструктивных материалов.
Возможность качественной сварки разнородных металлов, например, нержавеющих сталей с медью без применения промежуточных материалов или сварных проходов.
Высокая линейная скорость процесса.
В большинстве случаев удается обходиться без применения присадочных материалов.
Возможность сварки в труднодоступных местах.
Возможность сварки в любых пространственных положениях.
Хорошая управляемость и контролируемость процесса сварки.

Лазерная сварка высокой мощности характеризуется образованием каверн. Энергия лазера плавит и испаряет металл. Давление паров выталкивает расплавленный металл, таким образом возникает полость – каверна. Каверна способствует передаче энергии лазера в металл и направляет лазерный пучок вглубь металла. Таким образом, сварка с образованием каверн позволяет получать очень узкие и очень глубокие швы, поэтому ее также называют сваркой с глубоким проплавлением.

При сварке можно использовать корреляцию между внешним видом сварных точек и их качеством:

Создание и развитие квантовой электроники связано с работами лауреатов Ленинской и Нобелевской премий академиков Н. Г. Басова, А. М. Прохорова и ряда других советских и зарубежных ученых.

Квантовые генераторы оптического диапазона позволяют получать интенсивные и остронаправленные пучки света и концентрировать энергию на очень малые площадки, равные тысячным долям миллиметра. Созданное на этом принципе технологическое оборудование позволяет обрабатывать различные материалы, производить сварку и т. п.

В основу принципа действия квантового генератора и усилителя положено индуцированное излучение, связанное с поглощением электромагнитных волн или фотонов атомными системами. При поглощении фотона его энергия передается атому, который переходит в возбужденное квантовое состояние [1, с. 132–143].

В результате падающая волна усиливается волной, излучаемой возбужденным атомом. В этом процессе важно, чтобы испускаемая волна в точности совпадала бы по фазе с той, под действием которой она возникла. Это явление используется в квантовых усилителях. Квантовые генераторы преобразуют электрическую, световую, тепловую или химическую энергию в монохроматическое когерентное излучение электромагнитных волн: ультрафиолетового, видимого и инфракрасного диапазона.

Излучателем – активным элементом могут быть твердые тела: стекло с неодимом, рубин, гранат с эрбием и др. Квантовые генераторы на алюмонатриевом гранате с неодимом позволяют получать мощность до 1 кВт в непрерывном режиме и до 50 МВт в импульсном режиме.

В качестве излучателя используют также различные жидкости: растворы окиси неодима, красители и др. Жидкостные квантовые генераторы на неорганических жидкостях по своим характеристикам ближе всего стоят к твердотельным импульсным генераторам, но превосходят их по энергии в импульсе вследствие больших объемов активных элементов.

Излучателями могут также быть газы и газовые смеси; водород, азот, аргон, углекислый газ и др. У таких генераторов – самый широкий спектральный диапазон излучения и наибольшая мощность в непрерывном излучении при достаточно высоком к. п. д. (15–20%).

В качестве излучателей используют также полупроводниковые монокристаллы: арсениды галия и индия, сплавы кадмия с селеном и серой и др. Генераторы с полупроводниковым излучателем обладают малой массой, экономичны и имеют самый высокий к. п. д. (до 70%).

Излучатель возбуждается и генерирует свет под действием энергии системы накачки: твердотельные и жидкие активные элементы возбуждаются светом импульсных ламп; газовые смеси в основном накачиваются энергией газового разряда; полупроводниковые излучатели используют энергию электрического тока, протекающего через область р—п перехода. Разработаны системы, которые позволяют использовать для накачки газовых лазеров теплоту и энергию химических реакций. В зависимости от энергетических параметров системы накачки лазер работает в импульсном или непрерывном режимах.

В квантовых технологических генераторах обычно в качестве основного энергетического элемента используют рубин. Рубин – это окись алюминия, в которой небольшое число атомов алюминия замещено атомами хрома. Обычно в квантовых генераторах используют бледно-розовый рубин, содержащий 0,05% Сr. Розовый кристалл рубина обрабатывают в виде стерженька, длина и диаметр которого определяют мощность излучения. Его торцы полируют до получения оптически плоской поверхности, затем их подвергают серебрению для получения отражающих поверхностей. Выходной конец кристалла полупрозрачный. Рубиновый стерженек помещают вблизи электронной лампы вспышки, служащей источником широкополосного света для оптической накачки. Энергетическая схема квантового генератора на рубине представлена на рис. 14.1.

В квантовом генераторе на кристалле рубина атомы хрома, находящиеся в основном состоянии I, поглощают фотоны (волнистые стрелки) и переходят на один из вышерасположенных уровней II. Часть энергии они передают кристаллической решетке, вызывая повышение температуры, и переходят при этом в метастабильный уровень III. Затем под действием индуцирующих фотонов, испускаемых другими атомами хрома, они излучают фотоны характеристической длины волны, возвращаясь опять в исходное состояние IV (I).

Лазер на кристалле рубина питается от импульсной лампы. При освещении рубинового стерженька импульсной лампой большинство атомов хрома переводится в возбужденное состояние. При спонтанном испускании возбужденным атомом фотона параллельно оси кристалла фотон побуждает другой возбужденный атом испустить второй фотон (индуцированный). Этот процесс продолжается лавинообразно, поскольку фотоны, отражаясь от торцов кристалла, летают по кристаллу в осевом направлении. Интенсивность пучка растет в результате многократного отражения от обоих торцов стержня. В том случае, если интенсивность света от импульсной лампы превысит некоторый критический уровень, начинает появляться эффект квантового усиления и тогда с полупрозрачного торца рубина в течение тысячных долей секунды выбрасывается интенсивный поток фотонов с длиной волны 6943 Å. Выходной пучок является узконаправленным, мощным, монохроматическим и когерентным.

Излучение узконаправленно вследствие того, что испускаются волны лишь тысячекратно отраженные и не испытавшие сколько-нибудь существенного отклонения от оси прибора. Это излучение мощное, так как индуцированное излучение возбужденных атомов происходит гораздо раньше, чем спонтанное.

Высокая степень монохроматичности излучения обусловлена тем, что индуцированное излучение представляет собой резонансный процесс и в силу этого более привязано к центру полосы частот, чем излучение, спонтанно испускаемое атомом. Эти предпочтительные частоты возбуждают, в свою очередь, излучение на той же частоте, так что волна в квантовом генераторе содержит чрезвычайно узкий интервал частот или длин волн. Обычный белый световой луч, состоящий из электромагнитных волн различной длины, фокусируется линзой в значительном объеме, вследствие дисперсии света различной степени преломления стеклом линзы световых волн различной длины. Дисперсия света приводит к тому, что узкий пучок белого света, проходя линзы, уширяется, образуя спектр (рис. 14.2, а).

Монохроматический световой луч лазера состоит из электромагнитных волн одной длины и поэтому такой луч фокусируется в очень малом объеме, практически в точке (рис. 14.2, б). Плотность энергии светового луча в фокусе линзы

где ρ – плотность энергии; Е — энергия луча; V — объем фокуса.

Так как объем фокуса для белого луча имеет значительные величины вследствие дисперсии света, то плотность энергии в фокусе такого луча невелика. Для луча лазера объем фокуса очень мал (V ® 0), а плотность энергии в фокусе имеет очень большие значения и может достигать 10 7 –10 8 Вт/см 2 . Продолжительность импульса мала и составляет 10 –9 с.

К. п. д. квантовых генераторов на рубине невелик и составляет 0,1%. Несмотря на низкий к. п. д. оптических квантовых генераторов на рубине генераторы этого типа находят практическое применение при сварке (рис. 14.3, а).

Сварочная установка представляет собой комплекс оптико-механических и электрических элементов, основным элементом которого является оптический квантовый генератор на рубиновом кристалле. Установка состоит из генератора, блока питания, стола с конденсаторами и стереоскопического микроскопа. Генератор предназначен для преобразования энергии, запасенной в блоке конденсаторов в узконаправленный, монохроматический, когерентный световой пучок.

Внутренняя поверхность камеры отполирована и служит отражателем света. В камеру подается сжатый воздух для охлаждения кристалла рубина. Использованный воздух уходит в атмосферу.

Для формирования испускаемого кристаллом рубина излучения и направления его на место сварки служит формирующая оптическая система, состоящая из призмы 3, линзы и сменного объектива 4. Формирующая система снабжена сменными объективами, которые фокусируют параллельный пучок света, испускаемый генератором, в пятно диаметром 0,25–0,05 мм. Для настройки генератора используют оптическое устройство, состоящее из осветителя 8, призмы 7 и конденсорной линзы 6. Луч света от осветителя проходит через рубин и оптическую систему генератора, имитируя прохождение излучения от кристалла (рис. 14.3, б).

Для визуального наблюдения за местом сварки при наведении луча подсветки на место сварки и для осмотра сваренных элементов служит стереоскопический микроскоп 9. Для защиты глаз оператора, работающего на установке, от излучения генератора в момент вспышки – сварки предусмотрен затвор 10, приводимый в движение электромагнитом.

Электрическая схема установки состоит из блока питания импульсной лампы, стола с входящим в него затвором и трансформатором подсветки, генератора. На лампу вспышки подается напряжение, равное 18 кВ. Для изменения времени разряда и, следовательно, времени горения лампы в цепи лампы установлены индуктивности, меняя величину которых можно менять и время длительности импульса.

Резка лазером – наиболее распространенная технологическая операция. Лазером можно разрезать стекла, керамики, алмазы, металлы и др. При резке используют лазеры непрерывного действия, обладающие большими энергиями излучения в инфракрасном диапазоне (длина волны 10,6 мкм). Резку кремниевых и германиевых пластин на отдельные элементы, необходимые полупроводниковой промышленности, осуществляют воздействием сфокусированного луча лазера непрерывного действия. При этом происходит испарение части материала на поверхности пластины и образуется канавка. В дальнейшем необходимо приложить механическое усилие и пластины раскалятся по линиям канавок.

Аналогичны, резке процессы подгонки резисторов и обработки интегральных схем. Лазерный луч испаряет части металлической пленки резистора, при этом электрическая цепь может находиться под напряжением, что обеспечивает непрерывный контроль сопротивления прибора. Обрабатывать можно в атмосфере, вакууме и в различных газах. При этом луч лазера свободно проникает через стекло, кварц, воздух.

Квантовый генератор на рубине установки К-ЗМ имеет к. п. д. порядка 0,1% (рис. 14.4). В связи с этим только 0,001 доля номинальной энергии поджига газоразрядной лампы превращается в энергию луча, генерируемого лазером, которая и подается на свариваемое изделие в виде короткого импульса. Значительная мощность энергии, развиваемая при очень коротких импульсах, обычно приводит к бурному испарению металлов из зоны сварки. Поэтому в квантовых генераторах предусмотрена регулировка длительности импульса, благодаря чему можно получить менее резкий подъем температуры в месте сварки. В принципиальной схеме квантового генератора имеется устройство, позволяющее формировать импульс и изменять его продолжительность путем включения различных комбинаций и емкостей в блоке накопления энергии.

Для сварки необходимо, чтобы импульсы имели максимальную длительность при минимальных интервалах между ними. Однако вследствие низкого к. п. д. квантовых генераторов на рубине большая часть энергии лампы накачки превращается в теплоту, вследствие чего лампы накачки не могут работать при высокой частоте повторения импульсов, а рубиновый стержень перегревается. Для уменьшения перерывов между импульсами необходимо интенсивно отводить значительное количество теплоты, выделяемой при оптической накачке лазера. Частота повторения импульсов и мощность квантового генератора, таким образом, ограничиваются охлаждающими системами, отводящими теплоту, возникающую в квантовых генераторах.

Существующие сварочные оптические квантовые генераторы дают возможность получить частоту повторения импульсов от 1 до 100 в 1 мин. Диаметр площади проплавления, получающейся в результате действия одного импульса луча лазера, составляет десятые доли миллиметра. Поэтому генераторы пока используют лишь для получения точечных соединений.

При сварке оптическим лучом можно получить плотности энергии того же порядка, что и при использовании электронного луча. Вследствие отсутствия пространственного заряда упрощается фокусировка оптического луча. Этот способ более универсальный, так как металлы можно сваривать на воздухе, в защитной атмосфере и в вакууме.

Возможность точной дозировки энергии делает этот метод особенно пригодным при сварке микроскопических соединений. Малая длительность термического цикла сварки обеспечивает возможность получения качественного соединения на ряде металлов, особо чувствительных к длительному воздействию теплоты. Открываются и новые возможности, неизвестные при существующих методах сварки, например, возможность сварки через прозрачные оболочки, так как для световых лучей прозрачные среды не служат преградами.

Перспективно для лазерной сварки получение микроскопических соединений. Широкое применение лазерная сварка находит в радиоэлектронике и электронной технике при соединении контактов проводников с пленками на микроскопических платах, твердых схемах и микроэлементах. Лазерным лучом можно сваривать самые различные композиции металлов, используемых в микроэлектронике: золото–кремний, германий – золото, никель–тантал, медь–алюминий и др. Необходимо также отметить интересную область использования лазеров – лечение глазных болезней: приваривание отслоившейся сетчатки, лечение глаукомы и др.

Большой интерес для сварки и пайки вызывает применение сфокусированной лучистой энергии различных источников, излучающих энергию в оптическом диапазоне частот.

Нагрев лучистой энергией имеет некоторые преимущества по сравнению с другими способами, а именно:

– возможность термической обработки материалов независимо от их электрических и магнитных свойств;

– бесконтактного подвода энергии к изделию (причем источник и нагреваемый объект могут быть расположены на значительном расстоянии друг от друга);

– незначительного механического воздействия на зону нагрева;

– передачи энергии через оптически прозрачные оболочки, что позволяет проводить процессы сварки и пайки в контролируемой газовой атмосфере и в вакууме.

В установках для сварки и пайки световым лучом можно использовать такие источники излучения, как солнце, угольная дуга, дуговые газоразрядные лампы и лампы накаливания. Работы, проведенные в МАТИ, показали, что наиболее перспективные и удобные излучатели для технологических целей – дуговые ксеноновые лампы сверхвысокого давления.

Отечественная промышленность серийно выпускает дуговые ксеноновые лампы следующих типов: а) с воздушным охлаждением: ДКСШ-500 мощностью 0,5 кВт; ДКСШ-1000М – 1 кВт; ДКСШ-3000 – 3 кВт; б) с комбинированным водяным и воздушным охлаждением: ДКСР-3000 мощностью 3 кВт; ДКСР-5000 – 5 кВт; ДКСР-10000 – 10 кВт.

Дуговая ксеноновая лампа представляет собой шаровой баллон из оптически прозрачного кварца с помещенными в него двумя вольфрамовыми электродами. Давление ксенона в лампе в нерабочем состоянии достигает 10 атмосфер.

Электропитание ксеноновых ламп осуществляется от источников постоянного тока с напряжением холостого хода не ниже 70 В и падающей характеристикой, например ИПП-500В. Лампы могут работать в непрерывном режиме в течение сотен часов.

Создан ряд специализированных экспериментальных установок для сварки и пайки сфокусированной лучистой энергией ксеноновых ламп мощностью 0,5–10 кВт. В этих установках излучение ксеноновой лампы фокусируется на изделие с помощью эллипсоидного отражателя. С целью увеличения плотности энергии в пятне нагрева используют дополнительную линзовую оптику (рис. 14.5, а и б).

Экспериментально установлено, что оптический источник теплоты является нормально-круговым и по плотности энергии в пятне нагрева занимает промежуточное положение между газовым пламенем и электрической дугой, а по сосредоточенности близок или превосходит поверхностные металлические дуги.

В рабочем пятне установки УСПЭЛ-1-МАТИ с ксеноновой лампой ДКСР-10000 максимальная плотность лучистого потока составляет 2600 Вт/см 2 . Лучистый поток такой плотности достаточен для плавления молибдена. К. п. д. установок зависит от оптической системы и типа лампы и составляет 10–20%.

Ввиду сравнительно низкой эффективной мощности оптический источник теплоты целесообразно использовать для сварки металлов малых толщин. Исследования по сварке коррозионностойких сталей и титановых сплавов показали возможность получения качественных соединений на листовом металле толщиной 0,1–2 мм. При этом обеспечивается вакуумная плотность и прочность не ниже 90% прочности основного материала. Скорость сварки листов толщиной 0,5 мм составляет 10–15 м/ч.

Лучшие перспективы использования оптический источник теплоты имеет применительно к процессам пайки.

Широкие пределы регулирования энергетических параметров позволяют использовать оптический источник для пайки практически любыми из существующих припоев, начиная от оловянно-свинцовых и заканчивая тугоплавкими на основе никеля и титана,

Оптический источник позволяет сваривать также и неметаллические материалы, такие как стекло, керамику, пластмассы.

Успешно осуществлен процесс сварки шлакового стекла, применение которого имеет большое народнохозяйственное значение. Оптический источник теплоты можно использовать также для локальной термообработки сварных соединений.

Читайте также: