Тема 4.1. Принцип лазерной сварки
Схема действия рубинового лазера такова. Искусственный рубиновый кристалл расположен в кварцевой трубке, которая представляет собой спиральную газоразрядную лампу, наполненную газом ксеноном. При замыкании выключателя происходит разряд высоковольтного конденсатора и в кварцевой лампе появляется вспышка света, в результате чего рубиновый кристалл испускает импульс мощного светового луча. Импульсы светового луча фокусируются и направляются в зону сварки. Сварка ведется как бы отдельными точками, перекрывающими друг друга. Схема лазерной сварки представлена на рис. 33.
Рис. 33. Лазерная сварка: / - высоковольтный конденсатор;
2 - повышающий трансформатор; 3 - выпрямитель; 4 - переключатель;
5 - рубиновый кристалл; 6 - импульсная лампа; 7 - луч лазера;
8 - оптическая система; 9 - свариваемое изделие
Квантовые генераторы преобразуют электрическую, световую, тепловую или химическую энергию в монохроматическое когерентное излучение электромагнитных, волн: ультрафиолетового, видимого и инфракрасного диапазона.
Активными элементами излучателя могут быть твёрдые тела: стекло с неодимом, рубин, гранат с эрбием и др. В качестве излучателя используют также различные жидкости: растворы окиси неодима, красители и др. Излучателями могут также быть газы и газовые смеси: водород, азот, аргон, углекислый газ и др.
В качестве излучателей используют также полупроводниковые монокристаллы: арсениды галия и индия, сплавы кадмия с селеном и серой и др.
|
|
|
Рис. 34. Энергетическая схема квантового генератора
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% Сг. Рубиновый стерженек помещают вблизи электронной лампы вспышки, служащей источником широкополосного света для оптической накачки. Энергетическая схема квантового генератора на рубине представлена на рис. 34.
В квантовом генераторе на кристалле рубина атомы хрома, находящиеся в основном состоянии, поглощают фотоны (волнистые стрелки) и переходят на один из выше расположенных уровней. Часть энергии они передают кристаллической решётке, вызывая повышение температуры, и переходят при этом в метастабильный уровень. Затем под действием индуцирующих фотонов, испускаемых другими, атомами хрома, они излучают фотоны характеристической длины волны, возвращаясь опять в исходное состояние.
Лазер на кристалле рубина питается от импульсной лампы. При освещении рубинового стерженька импульсной лампой большинство атомов хрома переводится в возбужденное состояние. 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 А. Выходной пучок является узконаправленным, мощным, монохроматическим и когерентным.
|
|
|
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. 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. 35 а).
Рис.35. Фокусирование линзой
а - белого и б - монохроматического лучей
узкий пучок белого света, проходя линзы, уширяется, образуя спектр (рис. 36 а). Монохроматический световой луч лазера, состоит из электромагнитных волн одной длины и поэтому такой луч фокусируется в очень малом объеме, практически в точке (рис. 36 б). Плотность энергии светового луча в фокусе линзы
|
|
|
Ρ = Е / V,
где ρ - плотность энергии; Е - энергия луча; V — объем фокуса.
Так как объем фокуса 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 обладает очень большими значениями и может достигать 107 - 108 Вт/см4.
Продолжительность импульса мала и составляет 10-9 с. КПД квантовых генераторов на рубине невелик и составляет 0,1%. Несмотря на низкий КПД оптических квантовых генераторов на рубине генераторы этого типа находят практическое применение при сварке (рис. 36. а).
Сварочная установка представляет собой комплекс оптико-механических и электрических элементов. Основной составляющей установки 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.
|
|
|
Главный узел генератора - осветительная камера 1, внутри которой вставлен кристалл рубина 2. В камере параллельно кристаллу установлена импульсная лампа 5, на концы которой подводится высокое напряжение.
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. 36. 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
Рис. 36. Схема сварочного квантового генератора: а « сварка;
б - настройка генератора перед сваркой
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 расколятся по линиям канавок.
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. 37). 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.
Квантовые генераторы вследствие относительно низкой частоты повторения импульсов и относительно небольшой мощности пока не могут соперничать с электроннолучевой сваркой, обеспечивающей швы с глубоким «кинжальным» проплавлением на больших толщинах.
Дата добавления: 2018-04-15; просмотров: 323; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!