УП ФОИЭС (841336), страница 27
Текст из файла (страница 27)
3.9. 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 секционированнымкатодом 1.В качестве рабочего газа используют смесь CO2+N2+Не в соотношении 1:6:13при статическом давлении в разрядной камере 5…8 кПа. Расход газовой смеси черезразрядную камеру составляет 2…3 м 3 /ч, для чего используется мощная насоснаясистема.В лазере этого типа можно получить съем мощности до 16 Вт с 1 см3 газа приКПД до 17%. Электроразрядные лазеры с поперечной прокачкой газа работают в непрерывном режиме генерации и могут развивать мощность излучения до 50 кВт.113Рис.
3.9. Схеме конвективного СО2 лазеРис. 3.10. Схема полупроводниковора с поперечной прокачкойго лазераПолупроводниковый лазер генерирует когерентное излучение в результатепроцессов, происходящих в p-n переходе на полупроводниковом материале. Нарис. 3.10 показана схема полупроводникового лазера на арсениде галлия GaAs.Кристалл имеет размеры около 0,5…1,0 мм2. Его верхняя его часть 2 представляетсобой полупроводник р-типа, нижняя 1— полупроводник n-типа, между ними имеется p-n переход 4 толщиной около 0,1 мкм.
Излучающий слой имеет несколькобольшую толщину (1…2 мкм), вследствие проникновения электронов и дырок вглубь кристалла. Выводы 3, 5 служат для подачи питающего напряжения, один изних может выполнять функцию теплоотвода.При подаче напряжения на выводы p-n переход генерирует излучение, длинаволны которого для арсенида галлия составляет λ1 =0,82 мкм и λ 2 =0,9 мкм (инфракрасная область).
Для других материалов длина волны излучения может лежать вшироком 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 импульсно-периодическомрежиме составляет 100 Вт, в непрерывном режиме — 10 Вт.
Некоторые полупроводниковых лазеров могут работать при нормальных температурах.Небольшие геометрические размеры и простота конструкции полупроводниковых лазеров позволяют собирать решетки или линейки из большого числаотдельных лазеров. Такие решетки могут иметь мощность непрерывного излучения10…100 Вт. Полупроводниковые (диодные) лазеры в основном применяют для оптической накачки твердотельных технологических лазеров.В начале ХХI века были разработаны оптоволоконные лазеры высокой (1…20кВт) мощности с длиной волны излучения 1,06 мкм. Благодаря малым размерам, высокому (более 15 %) полному КПД, надежности, длительной работе без профилактических ремонтов и другим преимуществам они могут использоваться в тех случаях,когда кроме высокой мощности и гибкости передачи излучения, требуется мобильность самого лазерного источника.Основными преимуществами оптоволоконных лазеров по сравнению с диодными являются: излучение с одной длиной волны и отдельное расположение диодовнакачки.
Последнее важно с позиции надежности, поскольку охлаждение отдельныхдиодов намного эффективнее, чем торцов диодов, набранных в линейки.1143.2.4. Взаимодействие лазерного излучения с веществомПадающий на поверхность вещества световой пучок частично поглощается, ачастично отражается. Из оптики известно, что доля энергии отраженного излучениязависит от длины световой волны и состояния поверхности вещества. В табл.
3.2приведены значения коэффициентов отражения световых волн для чистых не окисленных полированных поверхностей металлов (при полном отражении этот коэффициент равен единице).Таблица 3.2. Коэффициенты отражения волн, генерируемыхразличными лазерам от металлических поверхностейДлинаРабочее тело ОКГволны,AuAgСuMoAlCrFeNiмкмАргон0,4880,4150,9520,437 0,455 0,597Рубин0,6943 0,9300,9610,831 0,498 —0,56 0,58 0,676Неодимовое стекло 1,060,9810,9640,901 0,582 0,733 0,57 0,65 0,741Углекислый газ10,60,9750,9890,984 0,945 0,970 0,93 0,92 0,941Приведенные в табл.
3.2 данные свидетельствуют о том, что значительная долясветового потока отражается от поверхности.Для реальных поверхностей, покрытых оксидами и имеющих меньшую частотуобработки, значение коэффициента отражения уменьшается. С ростом температурывещества на его поверхности стимулируется образование оксидов и других соединений, которые также увеличивают поглощение. Подача в зону обработки кислородаили 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, водорастворимые полимерные покрытия), но в этом случае возможно взаимодействиенанесенного вещества с основным материалом, что не всегда допустимо.Поглощенное веществом лазерное излучение передает свою энергию его электронам вещества, в связи с чем глубина проникновения световой энергии в веществосоответствует средней длине свободного пробега электрона, составляющей длябольшинства распространенных веществ.
Дальнейшая передача энергии из этой зоны вглубь осуществляется вследствие теплопроводности. В отличие от электронноголуча энергия светового излучения при взаимодействии с веществом в основном превращается в теплоту, а доля возникающего при этом излучения типа рентгеновскогопренебрежимо мала.Лазерное излучение относительно небольшой интенсивности может осуществить на поверхности лишь весьма ограниченные изменения поверхности вещества:экспозицию специальных светочувствительных материалов или «выцветание» некоторых красок.По мере увеличения плотности мощности лазерного излучения до 104 Вт/см2(что достаточно просто и оперативно осуществляется путем его фокусировки) возможны нагрев и плавление поверхности слоев материала.
Последующее увеличение115плотности мощности приводит к увеличению глубины проплавления, одновременноначинает все больше проявляться эффект испарения веществ.При увеличении плотности мощности лазерного излучения до значений 105…106Вт/см2 доля испаренного вещества начинает резко увеличиваться, образуются отдельные капли и частички вещества, которые под действием паров выбрасываютсяиз зоны обработки. Повышение плотности мощности излучения до максимально достижимого уровня (примерно 108 Вт/см2 для лучших систем фокусировки луча) приводит к интенсивному испарению вещества с минимальным количеством жидкой фазыи выносом его в виде паров из зоны обработки.
Для некоторых веществ возможносублимационное испарение, т. е. переход из твердого состояния сразу в парообразование. Схема изменения характера взаимодействия светового потока с веществом взависимости от концентрации энергии приведена на рис. 3.11.При достаточно высокой плотности мощности излучения в фокальном пятнелуча лазера может возникнуть так называемый оптический разряд. Это явлениеобычно происходит в газах при нормальном давлении и внешне напоминает высокочастотный электрический разряд.Физическая основа образования оптического разряда — возникновение в фокальном пятне термической плазмы вследствие нагрева газа. Неравномерность распределения по объему плазмы электрически заряженных частиц приводит к резкойнеравномерности распределения электрического потенциала в этом объеме и, какследствие, — электрическому пробою. Пробой имеет характер миниатюрного взрываи сопровождается яркой вспышкой.Рис.
3.11. Схема взаимодействия лазерного излучения свеществом: I – нагрев; II – плавление; III – испарениеПоскольку на образование оптического разряда расходуется большое количество энергии излучения лазера и в ряде случаев ее образование приводит к нестабильности технологического процесса, в частности, сварки; поэтому явление возникновения оптического разряда стараются предотвратить. Для его устранения чащевсего прибегают к обдуву лазерного луча в фокальном пятне потоком газа, перпендикулярным направлению луча.К технологических преимуществ мощного когерентного лазерного излученияследует отнести следующее:1) возможность передачи энергии в виде светового луча на расстояние (в томчисле и через прозрачную разделительную перегородку или по специальному оптическому волноводу);2) отсутствие непосредственного силового и электрического контакта источникаэнергии с изделием в месте обработки;3) возможность плавного регулирования энергии в пятне нагрева путем изменения фокусировки луча;1164) высокую плотность мощности 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 оптическипрозрачной для излучения среде.Исследование перечисленных особенностей лазерного излучения привело квозникновению 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 малоразмерныешвы с минимальным разогревом окружающего зону сварки материала.
Сварка можетвестись как отдельными точками, так и герметичными швами при последовательномналожении точек с их перекрытием.Мощные газовые лазеры позволяют проплавлять за один проход, как и приэлектронно-лучевой сварке, значительные толщины. Экспериментально установлено,что для стали глубина проплавления металла в диапазоне до 5 мм требует 1 кВтмощности излучения на 1 мм толщины металла. Однако, как следует из рис. 3.12, придальнейшем увеличении мощности лазерного луча глубина проплавления увеличивается меньшими темпами и для сварки толщин более 20 мм требуются уже весьмамощные лазеры, потребляющие с учетом КПД из сети сотни киловатт электрическоймощности.
Электронно-лучевая сварка пока позволяет сваривать за один проходзначительно большей толщины (до 100 мм) при меньшей потребляемой от сети мощности.Так же как и электронно-лучеваясварка, сварка лазером дает узкий шов«кинжального» типа с малыми деформациями свариваемых деталей, что позволяет применять этот способ для соединения окончательно обрабатываемыхузлов и деталей.3.12. Проплавление стали при сваркеСО2–лазеромПрогресс в создании мощных потоков энергии когерентного лазерного излучения идет по пути наращивания мощности излучения с соответствующим увеличениемпотребляемой электрической мощности.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
