Неровный В.М. Теория сварочных процессов (841334), страница 28
Текст из файла (страница 28)
Этот диапазон условно делится на различные области, границы которых приведены в табл. 3.1. 147 Таблица ЗЛ. Длины волн оптического диапазона спектра электромагнитного излучения 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 (3.10) — 34 где Ь = 6,625. 10 Дж. с — постоянная Планка; ч — частота колебаний, является одной из основных характеристик кванта света— фотона. В обычных условиях атомы везцества излучают одновременно кванты различной энергии, так как переход электронов с одних орбит на другие не носит организованного характера, что н приводит к полихроматичности излучения. В зависимости от температуры тела изменяется его энергетическая светимость (она по закону Стефана — Больцмана пропорциональна четвертой степени абсолютной температуры тела: А = аТ ) и по мере увеличения темпе- 4 ратуры спектральный. максимум излучения сдвигается в сторону уменьшения длины волны. Поскольку применение энергии света для тех илн иных технологических процессов связано с фокусировкой луча, полихроматичность играет в данном случае отрицательную роль.
Полнхроматический свет при прохождении через линзу фокусируется в виде пятна довольно значительных размеров, так как волны раз- 148 дичной длины по-разному преломляются при прохождении через „ло, Это явление носит название хроматической аберрации и значительно ограничивает возможности обычных полихроматическззх источников. По законам дифракции наименьший размер сфокусированного пятна равен длине волны Х и для оптического диапазона состав,ет =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 2 3 кВт/см, что соизмеримо с нагревом пламенем горелки и на 4-45 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 опредезяяет 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 этн 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 вз 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 (Ре = 3,5...9,5 МПа) мощностью 3...10 кВт. Такого типа лампы имеют компактную светящуюся дугу с высокой яркостью 2 (600...1000 Мхам ) и дают непрерывный спектр излучения, !49 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 9:35:5б.
Модуль лучистого нагрева (рис. 3.3) представляет собой эллипсоидный отражатель 2, в одном из фокусов которого располагается источник излучения Е Отражатели, выполненные, как правило, из алюминиевых сплавов, позволяют получать на обрабатываемой поверхности 2 плотность мощности до 3 кВт/см при плошади пятна нагрева в 2 фокусе 5...10 мм с мощностью Рис. ЗЗ. Схема светолучевой 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. 3.2.2. Когерентное излучение и его основные свойства (3.1 1) Обычный полихроматический свет, излучаемый нагретыми телами, можно представить в виде набора большого числа гармонических электромагнитных волн с различными частотами и хаотично изменяющимися во времени фазами.
При распространении гармонической электромагнитной волны в пространстве создаются чередующиеся электрическое поле напряженностью Е и магнитное поле напряженностью Н, изменяющиеся в пространстве и во времени по гармоническому закону: Е = Ео з1п[2п(и — х! Х) + <р]; Н = Но сов(2п(и( — х!).)-~ (р]. Здесь Ео и Но — амплитуды колебаний напряженностей Е и Н; х— частота колебаний; Х = с(ч — длина волны; с — скорость света в кууме, Если частота колебаний и (и длина волны Х) не зависит от времени б то волна называется монохроматической. Реальные ,тектромагнитные волны не являются монохроматическими. яемонохроматическую волну можно представить в виде суммы конечного (или бесконечного) числа монохроматических волн, и чем уже диапазон, в котором группируются частоты монохроматических составляющих немонохроматической волны, тем ближе она по свойствам к монохроматической волне, Аргумент синуса (косинуса) в выражениях (3.! 1), называемый фазой колебаний гармонической волны, определяет состояние колебательного процесса в момент времени 1 в точке пространствах при распространении электромагнитной волны с начальной фазой !к Согласованное протекание во времени нескольких колебательшах или волновых процессов называется когерентностью.
Если разность фаз колебаний двух электромагнитных волн постоянна или изменяется не хаотически, а упорядоченно, по определенному закону, то такие волны когерентны. Монохроматические волны всегда когерентны, а взаимная когерентность двух немонохроматических волн означает, что они обладают одинаковым набором частот и разность их начальных фаз постоянна во времени. Генерация когерентных радиоволн была осуществлена еще до появления лазеров, но генерировать когерентный свет стало возможным только после создания лазерных источников оптического излучения. Получение когерентных электромагнитных волн 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 расстояния до предметов. Получить при помощи обычных источников монохроматический свет достаточной интенсивности не представляется возможным. С целью создания мощных источников когерентного света физики исследовали различные способы его 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 дан- 150 151 ном случае оказалось не осуществимым, и получение когерентных электромагнитных волн в оптическом диапазоне было реализовано средствами квантовой электроники (ее прикладного раздела — лазерной техники). Квантовая электроника оперирует отдельными молекулами н атомами, используя для генерации колебаний их резонансные свойства. Атомы, молекулы и кристаллы представляют собой сложные микросистемы, состоящие из ядер е„и электронов. Энергия относительного дане жения частиц, составляющих атом нлн молекулу, в соответствии с современными физическими воззрениями может принимать только строго определенные значения энергии ео, е1, ез, ..., е, я„, которые называют уровнями энергии (рис.
3.4). Система энергетических уровней составляет энергетический спектр атома; нижний уровень с минимальной энергией во называется осРис. 3.4. Эиергетичес- новным, а остальные — возбужденными. кие уровни атома Энергетический спектр атома зависит от его структуры, а число электронов, обладающих данной энергией, называется заселенностью (населенностью) соответствующего энергетического уровня. Если атому, находящемуся на основном уровне ео, сообщить энергию, он может перейти на один из возбужденных уровней. Наоборот, возбужденный атом может самопроизвольно (спонтанно) перейти на один из нижерасположенных уровней, испустив при этом определенную порцию энергии в виде кванта света (фотона). Если излучение происходит при переходе атома с уровня энергии ен на уровень е„„ то частота испускаемого (или поглощаемого) фотона Ч вЂ” н е — а нв (3.12) Именно такие спонтанные процессы излучения и происходят в нагретых телах.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
