ТСП 11. I источники энергии для сварки глава физические основы и классификация сварочных процессов

• Название: I источники энергии для сварки глава физические основы и классификация сварочных процессов
• Анкор: ТСП 11.doc
• Дата: 16.12.2017
• Размер: 4.1 Mb.
• Имя файла: ТСП 11.doc
• Тип: Документы; #11651
• страница: 11 из 12

3.1.4. Применение электронно-лучевых процессов для сварки
Электронно-лучевая сварка является одним из самых распро­страненных технологических применений электронного пучка. Поскольку сварка - процесс, связанный с локальным плавлением и последующей кристаллизацией расплавленного металла, ширина зоны расплавленного металла имеет при сварке важное значение. Кристаллизация металла в сварочной ванне в значительной мере определяет свойства металла шва, и изменение ширины зоны проплавления при сварке становится важным фактором воздействия на свойства сварного соединения. Кроме того, от объема расплав­ленного металла зависят деформации и напряжения, возникающие после сварки в сварных конструкциях, что также требует регули­рования объема сварочной ванны.

Сварка электронным пучком позволяет, применяя фокусировку, изменять ширину сварочной ванны. Как следует из рис. 3.2, а, б ,при относительно небольших плотностях мощности электронного пучка (10² ...10³ Вт/см² ) форма зоны проплавления имеет такой же характер, как для традиционных процессов газовой и дуговой свар­ки. По мере увеличения плотности мощности электронного пучка (10⁵…10⁶ Вт/см²) наряду с процессами плавления начинается ин­тенсивное испарение металла с поверхности сварочной ванны. Это приводит к деформации жидкого металла под действием реактивных сил давления паров, к углублению сварочной ванны и получению швов с глубоким проплавлением при соотношении глубины шва к его ширине до 10:1 и более (рис. 3.2, в). По чисто внешним признакам такое проплавление часто называют кинжальным; швы с кинжальным проплавлением дают ряд преимуществ по сравнению со сварными швами традиционной формы (по­лусферической). Кинжальное противление дает возможность за один проход сварить без разделки кромок детали толщиной до 50... 100 мм, в то время как при дуговой сварке для этой цели необ­ходима разделка кромок и несколько десятков проходов. Глубокое проплавление позволяет получать сварные соединения принципи­ально новой формы, не доступные для других способов сварки плавлением.

Возможность получения при электронно-лучевой сварке ванны расплавленного металла малого объема позволяет резко снизить сварочные деформации и сваривать конструкции из уже оконча­тельно обработанных деталей и узлов с минимальной последую­щей размерной обработкой или вовсе без нее. При этом возможна также сварка изделий в термообработанном состоянии (например, после закалки), так как зона разупрочнения получается достаточно малой, что не сказывается на общей работоспособности изделия в целом. По такому принципу сваривают блоки шестерен коробок передач автомобилей и станков, шевронные шестерни силовых передач - это значительно снижает трудоемкость их изготовления. При электронно-лучевой сварке можно получать швы малых размеров, и эти «прецизионные» швы широко используются в кон­струкциях различных радиоэлектронных схем и устройств, где сварку часто приходится вести с применением микроскопа.

Наконец, вакуум как защитная среда при сварке для целого ря­да химически активных и тугоплавких металлов (вольфрам, мо­либден, тантал, цирконий, титан и др.) и сплавов обеспечивает значительно более высокие показатели свойств сварного шва, чем сварка в инертных газах (Аr и Не). Поэтому целый ряд сварных конструкций из этих материалов изготовляют исключительно при помощи электронно-лучевой сварки.
3.2. Фотонно-лучевые источники
Практическое применение волновой теории света и усовер­шенствование технологии изготовления оптических линз, стекол и зеркал позволили создать целый ряд разнообразных оптических приборов. Была установлена принципиальная возможность фоку­сировки светового пучка на относительно небольших поверхно­стях и концентрации энергии, достаточной для разогрева и плав­ления различных материалов. В качестве источника светового из­лучения использовали Солнце.

Устройства для технологического применения солнечной энер­гии в земных условиях имеют до сих пор сугубо эксперимен­тальный характер, так как они требуют непрерывного слежения за перемещающимся относительно Земли Солнцем и зависят от со­стояния атмосферы. Вместе с тем возможность использования да­ровой солнечной энергии, плотность мощности которой составляет в среднем около 400 Вт/м² , стимулирует развитие различных способов ее преобразования в другие виды энергии (прежде всего в тепловую и электрическую).

Создание лазеров позволило широко применять их в различ­ных исследованиях для передачи информации, для связи и измере­ния расстояний с большой точностью. Особое место занимает «ла­зерная технология» как группа процессов, использующих мощное излучение лазера для нагрева, плавления, испарения, сварки и рез­ки материалов. Это направление начало развиваться с 60-х годов XX в., и в настоящее время лазер рассматривают как один из наи­более перспективных лучевых источников энергии.

В некоторых областях технологического применения с лазером конкурируют электронный луч и полихроматические источники света, что связано прежде всего с более простым в изготовлении и эксплуатации оборудованием для осуществления процессов, в ко­торых используются эти источники.
3.2.1. 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




(3.10)

где h = 6,625 • 10^-34 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 = σT ) 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, полихроматичность играет в данном случае отрицательную роль. Полихро­матический свет при прохождении через линзу фокусируется в виде пятна довольно значительных размеров, так как волны раз личной 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 пятна 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 ρ_л = 3,5...9,5 МПа) мощностью 3...10 кВт. Такого типа лампы имеют компактную светящуюся дугу с высокой яркостью 600... 1000 Мкд/м² ) и дают непрерывный спектр излучения, близкий к солнечному, с диапазо­ном длин волн λ = 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 плотность мощности до 3 кВт/см² при площади пятна нагрева в 2 фокусе 5... 10 мм² с мощностью 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
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:


Здесь E₀ и H₀ - амплитуды колебаний напряженностей E и H; v -частота колебаний; λ = c/v - длина волны; с - скорость света в вакууме. Если частота колебаний v (и длина волны λ) не зависит от времени t, то волна называется монохроматической. Реальные электромагнитные волны не являются монохроматическими.

Немонохроматическую 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 (3.11), называемый фазой колебаний гармонической волны, определяет состояние ко­лебательного процесса в момент времени t в точке пространства х при распространении электромагнитной волны с начальной фазой φ. Согласованное протекание во времени нескольких колебатель­ных 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 данном 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 и атомами, используя для генерации колебаний их резонансные свойства. Атомы, молекулы и кристаллы представляют собой сложные микросистемы, состоящие из ядер и электронов. Энергия относительного дви­жения частиц, составляющих атом или мо­лекулу, в соответствии с современными фи­зическими воззрениями может принимать только строго определенные значения энер­гии ε₀, ε₁, ε₂,..., ε_m, ε_n, которые называют уровнями энергии (рис. 3.4). Система энер­гетических уровней составляет энергетиче­ский спектр атома; нижний уровень с ми­нимальной энергией ε₀ называется ос­новным, а остальные - возбужденными. 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 ε₀, 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 ε_n на уровень ε_m, то частота испускаемого (или погло­щаемого) фотона



(3.12)

Именно такие спонтанные процессы излучения и происходят в нагретых телах. Нагрев переводит часть атомов в возбужденное состояние, и при переходе в нижние состояния они излучают кванты света. Излучение разных атомов происходит независимо друг от друга и носит статистический характер. Фотоны хаотически испускаются атомами в виде так называемых волновых цугов, которые не согласованы друг с другом во времени, имеют различ­ную фазу и случайный характер направления распространения. Поэтому спонтанное излучение некогерентно и ненаправленно.

Кроме спонтанного излучения возбужденного атома сущест­вует вынужденное излучение, когда атомы начинают излучать энергию под действием внешнего электромагнитного поля. Явле­ние вынужденного излучения дает возможность управлять излуче­нием атомов с помощью электромагнитного поля и таким путем усиливать или генерировать когерентное световое излучение.

Чтобы это осуществить практически, нужно выполнить сле­дующие условия.

1.Необходимо обеспечить резонанс - совпадение частоты па­дающего света с одной из частот v_mnэнергетического спектра атома. При этом переход атома с уровня ε_n на уровень ε_m будет соответствовать переходу между аналогичными уровнями других таких же атомов, в результате чего будет осуществлена генерация когерентного излучения.

2.Наряду с вынужденным излучением света атомами, находящимися на верхнем уровне ε_n, происходит резонансное погло­щение энергии атомами, находящимися на нижнем уровне г_т. При этом атом поглощает световой квант и переходит на уровень ε_m, что препятствует генерации света. Для генерации когерент­ного света необходимо, чтобы число атомов на верхнем уровне ε_n было больше числа атомов на нижнем уровне ε_m (ε_n, ε_m - уровни, между которыми происходит переход). В естественных условиях на более высоком уровне при любой температуре всегда меньше частиц, чем на более низком. Для возбуждения когерентного излу­чения надо принять специальные меры, чтобы из двух выбранных уровней верхний был «заселен» больше, чем нижний. Такое со­стояние вещества в физике называется активным или состоянием с инверсной (обращенной) населенностью. Н.Г. Басов и A.M. Про­хоров предложили метод трех уровней, в котором для получения инверсии заселенности уровней используется некоторое вспомога­тельное излучение (накачка).

3. В процессе генерации излучения часть излучаемой световой энергии должна все время оставаться внутри рабочего вещества, вызывая вынужденное излучение все новых порций атомов, т. е. осуществляя обратную связь. Это обычно выполняется при помощи зеркал по схеме, изображенной на рис. 3.5. Зеркало 1 отражает всю падающую на него энергию, а зеркало 2 является полупрозрач­ным. Часть энергии оно пропускает из рабочего пространства на­ружу (полезная энергия), а отраженная энергия служит для вовле­чения в генерацию новых порций рабочего вещества.



4. Усиление, обеспечиваемое рабочим веществом, должно превышать некоторое пороговое значение, зависящее от коэффи­циента отражения полупрозрачного зеркала. Чем меньше этот коэффициент, тем больше должно быть пороговое усиление, обес­печиваемое рабочим веществом, иначе генерируемое рабочим ве­ществом излучение затухнет.

Выполнение этих условий позволяет создать систему, способ­ную генерировать когерентное световое излучение. Такая система получила название оптического квантового генератора (ОКГ), или лазера. Таким образом, лазер - это генератор пучка электромаг­нитных волн инфракрасного, видимого и ультрафиолетового диа­пазонов. В отличие от излучения традиционных световых источ­ников лазерное излучение обладает высокой когерентностью, ма­лой угловой расходимостью, высокой монохроматичностью и большой мощностью. Работа этого генератора основана на прин­ципе усиления вынужденного излучения.
3.2.3. Основные характеристики лазеров
Любой лазер независимо от конструктивного выполнения и схемы других конкретных особенностей имеет следующие основ­ные элементы:

1) рабочее тело - активную среду, состоящую из ансамбля ато­мов или молекул, для которых может быть создана инверсия населенностей, т. е. распределение частиц по энергиям, несвойст­внное их термодинамическому равновесию;

2)устройство, обеспечивающее какое-либо физическое воздействие на активную среду, позволяющее осуществить инверсию населенностей, или, как принято говорить, накачку, которая может быть основана на различных физических явлениях;

3. 
   оптический резонатор, который служит для осуществления взаимодействия излучения с активной средой и в котором проис­ходит отбор энергии от ансамбля генерирующих излучение час­тиц;
   
4. 
   устройство, обеспечивающее вывод лазерной энергии из ре­зонатора и осуществляющее ее локализацию и доставку к месту назначения;
   
5. 
   различные специальные системы, связанные с конкретным применением лазера.
   

По агрегатному состоянию активной среды лазеры делят на твердотельные, газовые, жидкостные и полупроводниковые. По накачке энергией активной среды лазеры делят на ряд разновидно­стей, использующих различные виды энергии. Различают сле­дующие виды накачки:

• 
  оптическая (ламповая, диодная) накачка в результате облу­чения активной среды мощным световым пучком;
  
• 
  электрическая накачка, осуществляемая при прохождении через активную среду электрического тока;
  
• 
  химическая накачка, когда инверсия возникает вследствие химической реакции, в которой принимает участие активная среда.
  

В зависимости от режима работы различают лазеры, работаю­щие в непрерывном и импульсно-периодическом режимах.

Для лазерной сварки, наплавки и резки наиболее широкое применение находят два типа технологических лазеров: твердо­тельные и газовые.

В твердотельных лазерах рабочим ансамблем частиц являются примесные атомы, введенные в сравнительно небольших количе­ствах в основную матрицу твердого тела, которая может быть как кристаллической, так и аморфной. Например, рубин представ­ляет собой корунд Al₂O₃, в кристаллической решетке которого часть атомов алюминия замещена атомами хрома, или стекло, являющееся аморфным телом, с примесью неодима. Неодим мо­жет быть также введен в кристаллический алюмоиттриевый гра­нат (Y₃Al₅O₁₂:Nd³⁺ ). Эти кристаллы обозначают Nd:YAG или Nd:АИГ.

Схема твердотельного лазера приведена на рис. 3.6, а. Стер­жень 1, изготовленный из рабочего вещества, помещается между двумя зеркалами. Зеркало 2 полностью отражает все падающие на него лучи, а зеркало 3 полупрозрачно. Для накачки энергии ис­пользуется газоразрядная лампа-вспышка 4, которая для большей эффективности облучения кристалла помещается вместе с ним внутрь отражающего кожуха 5, выполненного в виде эллиптиче­ского цилиндра (рис. 3.6, б). При размещении лампы и кристалла в фокусах эллипса создаются наи­лучшие условия равномерного освещения кристалла. Питание лампы обычно осуществляется от специальной высоковольтной ба­тареи конденсаторов 6.

Наибольшее распространение среди технологических твердо­тельных лазеров получили лазеры на кристаллах Nd:YAG с вы­ходной мощностью излучения, достигающей в режиме непре­рывной генерации 0,5...3 кВт и выше. Электрооптический КПД твердотельных лазеров с использованием ламповой накачки активных элементов составляет 1...3 %. Эти лазеры генерируют излучение длиной волны 1,06 мкм, что дает возможность применять для его фокусировки линзы из простого стекла.

Весьма перспективны так называемые твердотельные лазеры с диодной накачкой. Конструкция такого лазера является более компактной и надежной в эксплуатации, обеспечивает высокий ресурс работы и более высокий электрооптический КПД (до 6 % и выше). По сравнению с обычной ламповой накачкой диодная обеспечивает более полный контроль процесса накачки.

Оптическое возбуждение осуществляется диодными лазер­ными модулями 4, расположенными вокруг стержня из кристаллов Nd:YAG (рис. 3.7). Резонатор помещен соосно со стержнем лазера 1 и состоит из зеркала с высоким отражением 6 и зеркалом 3 для вывода лазерного луча с частичным отражением. Если активные элементы с диодной накачкой располагать последовательно по од­ной оси, то можно достичь мощности излучения до 1...4 кВт в непрерывном режиме. Лазерный луч выводят по одному или нескольким волоконным световодам.


В газовых лазерах в качестве активной среды используют газо­образные вещества, причем накачка энергии в этих веществах, как правило, осуществляется вследствие эффектов, связанных с про­хождением электрического тока через газ (газоразрядная накачка).

В качестве активной среды в этих лазерах используют аргон, неон, криптон, ксенон, смеси гелия и неона, углекислый газ с приме­сью азота и гелия. Газовые лазе­ры подразделяют на три большие группы: лазеры на нейтральных атомах, ионные и молекулярные лазеры. К первой группе отно­сится гелий-неоновый лазер, схема которого приведена на рис. 3.8. Генерация когерентного излучения может проходить в види­мой (λ₁ = 0,633 мкм) и в инфракрасной областях (λ₂= 1,15 мкм, λ₃ = 3,39 мкм). Газоразрядная трубка 1 этого лазера заполняется гелием и неоном при парциальных давлениях соответственно 130 и 10 Па. В трубке от высоковольтного источника питания 2 созда­ется электрический разряд 3, который возбуждает атомы гелия и неона в результате электронных ударов. Излучение выходит из полупрозрачного зеркала 4. Гелий-неоновый лазер имеет сравни­тельно небольшую мощность (до 80 мВт), но благодаря простоте устройства, надежности и стабильности излучения он получил широкое распространение для передачи и обработки информации, ^в контрольно-измерительной и юстировочной технике.

В ионных газовых лазерах используются переходы между энергетическими уровнями ионов инертных газов (ксенона, арго­на, неона, криптона), а также фосфора, серы и хрома. Типичный представитель этой группы - аргоновый лазер, который по конст­рукции похож на гелий-неоновый лазер. Газоразрядная трубка на­полнена аргоном при давлении порядка 10... 100 Па. Мощность лазеров этой группы выше, чем лазеров на атомных переходах.

Газовый лазер на аргоне генерирует излучение с длинами волн λ₁ = 0,4880 мкм и λ₂ = 0,5145 мкм в видимой (сине-зеленой) об­ласти спектра с мощностью излучения до 15...50 Вт в непре­рывном режиме. Основные области применения Аr-лазера - меди­цина, микротехнология, фотохимия и диагностика методом спек­трального анализа.

Наибольшие мощность и КПД имеют газоразрядные молеку­лярные лазеры. Лазер на колебательно-вращательных переходах молекулы CO₂ является одним из наиболее распространенных типов современных технологических лазеров. Это связано с его высокой эффективностью, простотой реализации и возможностью достижения больших значений: мощности излучения 5...20 кВт в непрерывном режиме и энергии в одиночном импульсе от 10 до 100 кДж - в импульсном.

Молекула СО₂ возбуждается электронными ударами в газовом разряде, причем для увеличения мощности к СО₂ добавляют моле­кулярный азот N₂. Основным каналом заселения верхнего уровня СО₂ является резонансная передача колебательной энергии от N₂. Отношение парциальных давлений СО₂ и N₂ обычно выбирают от 1:1 до 1:5 при суммарном рабочем давлении ≈100 Па.

Существенное влияние на энергетические характеристики лазе­ра на CO₂-N₂ оказывает введение в разрядную камеру гелия, обла­дающего теплопроводностью, в несколько раз превышающей теп­лопроводность СО₂ и N₂. При введении гелия снижается темпе­ратура газовой смеси, что способствует увеличению инверсной населенности, а значит, и выходной мощности лазера. Поэтому тех­нологические газовые лазеры на углекислом газе используют смесь СО₂ + N₂ + Не. Лазеры на углекислом газе имеют весьма высокий КПД (теоретически до 40 %, практически 12.. .30 %).

Электрический разряд в лазере на СО₂ возбуждается в охлаж­даемой газоразрядной трубке, выполняемой обычно из стеклянной трубы диаметром до 60 мм. (Увеличение диаметра свыше 100 мм не дает эффекта, так как при большом диаметре ухудшается теплопе­редача из внутренней области трубки к ее периферийной части.) Излучение с длиной волны 10,6 мкм выводится через окно из мате­риала, пропускающего инфракрасные лучи, в качестве которого ис­пользуются кристаллы KBr, NaCl, ZnSe, GaAs или Ge. Для лазера данной схемы с продольной прокачкой с 1 м длины резонатора можно получать мощность не более 50 Вт; приходится значительно увеличивать длину трубы резонатора. В зависимости от способа охлаждения рабочей смеси все газоразрядные лазеры разделяют на лазеры с диффузионным и конвективным охлаждением.

Наиболее эффективны лазеры с конвективным охлаждением, в которых отвод теплоты из зоны разряда осуществляется путем за­мены нагретой порции рабочей газовой смеси новой. В зависимости от взаимной ориентации скорости потока газовой смеси и разряда различают лазеры с продольной и поперечной прокачкой; в послед­нем случае прокачка газовой смеси осуществляется в направлении, перпендикулярном направлению электрического разряда.

Большие мощности излучения получают в технологических быстро-проточных лазерах с поперечной прокачкой газовой смеси. Схе­ма такого лазера мощностью до 10 кВт приведена на рис. 3.9. В этой разновидности газового лазера используют интенсивную прокачку газа через резонатор 3 с охлаждением его в теплооб­меннике 4. Электрический раз­ряд возбуждается между анодной плитой 2 и секционированным катодом 1. В качестве рабочего газа используют смесь СО₂ + N₂ + Не в соотношении 1:6:13 при статическом давлении в раз­рядной камере 5...8 кПа. Расход газовой смеси через разрядную 3 камеру составляет 2...3 м³/ч, для подачи смеси используется мощная насосная система. В лазере этого з типа можно получить мощность до 16 Вт с 1 см³ газа при КПД До 17 %. Электроразрядные лазеры с поперечной прокачкой газа ра­ботают в непрерывном режиме генерации и могут развивать мощ­ность излучения до 50 кВт.

Полупроводниковый лазер гене­рирует когерентное излучение в ре­зультате процессов, происходящих в p-n-переходе на полупроводнико­вом материале. На рис. 3.10 показана схема полупроводникового лазера на арсениде галлия GaAs. Кристалл имеет размеры 0,5... 1 мм² . Его верхняя часть 2 представляет собой полупроводник р-типа, нижняя часть 1 - полупроводник n-типа, между ними имеется p-n-переход 4 толщиной около 0,1 мкм. Излу­чающий слой имеет несколько большую толщину (1.. .2 мкм) вслед­ствие проникания электронов и дырок в глубь кристалла. Выводы 3, 5 служат для подачи питающего напряжения, один из них может выполнять функцию теплоотвода.

При подаче напряжения на выводы p-n-переход генерирует излучение, длины волн которого для арсенида галлия составляют: λ₁ = 0,82 мкм и λ₂ = 0,9 мкм (инфракрасная область). Для других материалов длина волны излучения может находиться в широком диапазоне - от ультрафиолетовой до инфракрасной области. Для улучшения условий работы полупроводникового лазера и обеспе­чения непрерывного режима генерации необходимо охлаждать кристалл до низких температур. Мощность лазера на арсениде галлия при температуре жидкого азота в импульсно-периодическом режиме составляет 100 Вт, в непрерывном режиме - 10 Вт. Некоторые полупроводниковые лазеры могут работать при нор­мальных температурах.

Небольшие геометрические размеры и простота конструкции полупроводниковых лазеров позволяют собирать решетки или ли­нейки из большого числа отдельных лазеров. Такие решетки могут иметь мощность непрерывного излучения 10... 100 Вт. Полупро­водниковые (диодные) лазеры в основном применяют для оптической накачки твердотельных технологических лазеров.

В начале XXI в. были разработаны оптоволоконные лазеры вы­сокой (1 ...20 кВт) мощности с длиной волны излучения 1,06 мкм. Благодаря малым размерам, высокому (более 15 %) полному КПД, надежности, длительной работе без профилактического ремонта и другим преимуществам они могут быть использованы 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 диодов накачки. Последнее важно с позиции на­дежности, поскольку охлаждение отдельных диодов намного эф­фективнее, чем Торцов диодов, набранных в линейки.
3.2.4. Взаимодействие лазерного излучения с веществом
Падающий на поверхность вещества световой пучок частично поглощается, а частично отражается. Из оптики известно, что доля энергии отраженного излучения зависит от длины световой волны и состояния поверхности вещества. В табл. 3.2 представлены зна­чения коэффициентов отражения световых волн от чистых, не окисленных полированных поверхностей металлов (при полном отражении этот коэффициент равен единице). Приведенные в табл. 3.2 данные свидетельствуют о том, что значительная доля светового потока отражается от чистой поверхности.



Для реальных поверхностей, покрытых оксидами и имеющих худшую чистоту обработки, значение коэффициента отражения уменьшается. С ростом температуры вещества на его поверхности стимулируется образование оксидов и других соединений, кото­рые также увеличивают поглощение. Подача в зону обработки ки­слорода или других газов интенсифицирует этот процесс. В ре­зультате можно добиться того, что 20...40 % энергии светового пучка будет поглощено веществом.

Еще большего поглощения энергии лазерного излучения мож­но добиться при нанесении на поверхность веществ с малыми ко­эффициентами отражения (например, газовой сажи, краски, водо­растворимых полимерных покрытий), но в этом случае возможно взаимодействие нанесенного вещества с основным материалом, что не всегда допустимо.

Поглощенное веществом лазерное излучение передает свою энергию электронам вещества, в связи с чем глубина проникания световой энергии в вещество соответствует средней длине свобод­ного пробега электрона, составляющей 5...50 нм для большинства распространенных веществ. Дальнейшая передача энергии из этой зоны в глубь вещества осуществляется вследствие теплопроводно­сти. В отличие от электронного луча энергия лазерного излучения при взаимодействии с веществом в основном превращается в теп­лоту, а доля возникающего при этом рентгеновского излучения пренебрежимо мала.

Лазерное излучение относительно небольшой интенсивности может произвести лишь весьма ограниченные изменения поверх­ности вещества: экспозицию специальных светочувствительных материалов или выцветание некоторых красок. По мере увеличения плотности мощности лазерного излучения до 10⁴ Вт/см (что достаточно просто и быстро осуществляется путем его фокусиров­ки) возможны нагрев и плавление поверхностных слоев материала. Последующее увеличение плотности мощности приводит к уве­личению глубины проплавления; одновременно начинает все больше проявляться эффект испарения веществ.

При увеличении плотности мощности лазерного излучения до значений 10⁵ ...10⁶ Вт/см² доля испаренного вещества начинает рез­ко увеличиваться, образуются отдельные капли и частички вещест­ва, которые под действием паров выбрасываются из зоны обработ­ки. Повышение плотности мощности излучения до максимально достижимого значения (примерно до 10⁸ Вт/см² для лучших систем фокусировки луча) приводит к интенсивному испарению вещества с минимальным количеством жидкой фазы и выносом его в виде паров из зоны обработки. Для некоторых веществ возможна субли­мация, т. е. переход из твердого состояния сразу в пар. Схема изме­нения характера взаимодействия светового потока с веществом в зависимости от плотности мощности излучения приведена на рис. 3.11.




При достаточно высокой плотности мощности излучения в фокальном пятне луча лазера может возникнуть так называемый оптический разряд. Это явление обычно 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 заряженных частиц приводит к резкой неравно­мерности распределения электрического потенциала в этом объе­ме и как следствие - к электрическому пробою. Пробой имеет характер миниатюрного взрыва и сопровождается яркой вспыш­кой. Поскольку на образование оптического разряда расходуется большое количество энергии лазерного излучения, в ряде случаев это приводит к нестабильности технологического процесса, в частности сварки; поэтому возникновение оптического разряда стараются предотвратить. Для этого чаще всего прибегают к обду­ву лазерного луча в фокальном пятне потоком газа, перпен­дикулярным направлению луча.

К технологическим преимуществам мощного когерентного ла­зерного излучения следует отнести возможности:

1. 
   передачи энергии в виде светового луча на расстояние (в том числе и через прозрачную разделительную перегородку или по специальному оптическому волноводу);
   
2. 
   устранения непосредственного силового и электрического контакта источника энергии с изделием в месте обработки;
   
3. 
   плавного регулирования энергии в пятне нагрева путем из­менения фокусировки луча;
   

4)получения высокой плотности мощности (концентрацию энергии) в пятне нагрева благодаря «острой» фокусировке излуче­ния;

5. 
   достижения высоких температур в зоне воздействия излуче­ния;
   

6)получения как импульсов энергии весьма малой длительно­сти

(до 10^-9 с), так и непрерывного излучения;

7)обеспечения малых зон обработки, размеры которых не пре­вышают нескольких микрометров;

8. 
   оперативного перемещения луча системой развертки при не­подвижном объекте обработки с высокой точностью и скоростью;
   

8. 
   модуляции мощности луча во времени по заданному закону;
   

10)осуществления технологического процесса в любой опти­чески прозрачной для излучения среде.

Исследование перечисленных особенностей лазерного излучения привело к возникновению 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 малоразмерные швы с минимальным разогревом окружающего зону сварки материала. Такую сварку можно вести как отдельными точками, так и герметичными швами при после­довательном наложении точек с их перекрытием.

Мощные газовые лазеры позволяют проплавлять за один про­ход, как и при электронно-лучевой сварке, значительную толщину изделий. Экспериментально установлено, что для проплавления стали на глубину до 5 мм требуется 1 кВт мощности излучения на 1 мм толщины изделий. Однако, как следу­ет из рис. 3.12, при дальнейшем уве­личении мощности лазерного луча глубина проплавления увеличивается меньшими темпами и для сварки из­делий толщиной более 20 мм требу­ются уже весьма мощные лазеры, потребляющие из сети (с учетом КПД) сотни киловатт электрической мощности. Электронно­лучевая сварка пока позволяет сваривать за один проход изделия из металла значительно большей толщины (до 100 мм) при меньшей потребляемой от сети мощности.

Так же, как и электронно-лучевая сварка, лазерная сварка дает узкий шов кинжального типа с малыми деформациями свариваемых деталей, что позволяет применять этот способ для соединения окончательно обрабатываемых узлов и деталей.

Прогресс в создании мощных потоков энергии когерентного лазерного излучения идет по пути наращивания мощности излуче­ния с соответствующим увеличением потребляемой электрической мощности. Это, в свою очередь, ведет к техническому усложне­нию лазерного сварочного оборудования, снижению его надежно­сти и технико-экономических показателей и в итоге не позволяет в полной мере реализовать принципиальные возможности лазерной технологии. Лазерная сварка получила дальнейшее развитие в ви­де создания гибридных способов сварки (двухлучевой лазерной, лазерно-дутовой, лазерно-индукционной, лазерно-плазменной, светолазерной), которые находят все большее применение в про­мышленности вследствие своей высокой технико-экономической эффективности. Соединение различных способов сварки с лазер­ной в единый технологический процесс позволяет частично устра­нить недостатки каждого способа и расширить технологические возможности сварочного процесса. Совместное использование ис­точников тепла для гибридных способов сварки дает возможность при значительно меньшей мощности лазерного излучения достичь такой же производительности процесса, как и при обычной лазер­ной сварке. Необходимо также отметить, что использование гиб­ридных способов сварки позволяет повышать производительность процессов металлообработки не за счет дорогостоящей энергии лазерного излучения, а за счет более дешевой энергии второго ис­точника тепла. В этом состоит одно из основных преимуществ гибридных способов соединения и обработки металлов.

Лазерная сварка неметаллических материалов (в основном стекла и керамики) возможна благодаря тому, что излучение лазе­ра на СО₂ с длиной волны 10,6 мкм достаточно хорошо поглоща­ется этими материалами и может быть использовано для их нагре­ва, плавления и последующей сварки. По сравнению с га­зопламенным нагревом, обычно используемым для сварки и пайки стекла, лазерное излучение позволяет увеличить интенсивность нагрева места сварки или пайки (но не более 100 К/с ввиду воз­можности термического растрескивания стекла) и уменьшить зону нагрева, что дает возможность создавать миниатюрные стеклян­ные сварные конструкции.

Резка материалов лазерным излучением может быть основана на локальном плавлении материала и его дальнейшем удалении ^П0Д действием сил тяжести, конвективного потока или газовой ^струи. Если же расплавленный материал перегрет и упругость его паров достаточно высока, образующиеся пары могут быть удалены из зоны резки струей инертного газа и процесс резки может про­исходить более эффективно. При лазерной резке можно получать узкие резы с минимальной зоной термического влияния.

В случае если разрезаемый материал содержит связанную или кристаллизационную воду (органические соединения, минералы), локальный интенсивный нагрев лазерным излучением приводит к разрыву молекулярных связей и испарению воды и других жидких компонентов. В результате испарения этих компонентов внутри материала может возникнуть высокое внутреннее давление, что приводит к образованию микротрещин и выбросу частиц материа­ла. Аналогично протекает процесс резки пористых материалов, содержащих газы, и химических соединений, деструктирующих с образованием газообразных продуктов. На таком принципе осно­вана резка слоистых пластиков, дерева, содержащих кристалличе­скую воду веществ.

Эффективность резки может быть значительно повышена в ре­зультате введения в зону резки активного газа, например кислоро­да. Экзотермическая реакция между разрезаемым материалом и кислородом значительно увеличивает выделение энергии в месте взаимодействия излучения с материалом. На этом принципе осно­ван процесс газолазерной резки. Кислород в этом процессе осуще­ствляет следующие функции:

1. 
   обеспечивает в результате реакции окисления выделение ос­новной части энергии, необходимой для резки;
   
2. 
   значительно увеличивает поглощательную способность ма­териала вследствие создания на его поверхности оксидов, имею­щих меньший коэффициент отражения по сравнению с основным металлом;
   
3. 
   снижает поверхностное натяжение расплавленных металлов, имеющих жидкотекучие оксиды;
   
4. 
   благодаря газодинамическому давлению способствует уда­лению расплавленных оксидов из зоны резки;
   
5. 
   охлаждает кромки разрезанного материала.
   

При газолазерной резке металлов лазер непрерывного из­лучения на углекислом газе мощностью до 5 кВт позволяет в струе кислорода резать листы из малоуглеродистых сталей толщиной до 10 мм, из легированных и коррозионно-стойких сталей - до 6 мм, из никелевых сплавов - до 5 мм, из титана - до 10 мм. Металлы, образующие тугоплавкие оксиды с малой вязкостью, газолазерной резкой разделяются плохо, так как удаление оксидов из зоны резки в этом случае затруднено. К таким металлам относятся алюминий и его сплавы, магний, латунь, хром и целый ряд других металлов, которые выгоднее резать плазменной резкой.
3.3. Газовое пламя
Газовое пламя - один из «старейших» источников энергии, ис­пользуемых в сварочных процессах. Сварочная газовая горелка появилась в начале XX в. как практическое осуществление хими­ческой реакции сжигания углеводородного топлива (чаще всего ацетиленового) в чистом кислороде. Сгорание топлива происходит по реакции

2С₂Н₂ + 5О₂ = 4СО₂ + 2Н₂О + 1300,6 кДж/моль.

В факеле газового пламени кроме СО₂ и паров Н₂О обычно при­сутствуют продукты пирогенного распада ацетилена, СО и частич­но попадающий в зону сварки атмосферный воздух (рис. 3.13).


В связи с этим защитные свойства газового пламени малоэффек­тивны и сварочная ванна в значительной мере насыщается газами, ухудшающими свойства наплавленного металла. Поэтому газовая сварка химически активных металлов (титана, циркония и др.) практически невозможна.

Интенсивность ввода энергии в материал при нагреве его газо­вым пламенем относительно невелика (см. табл. 1.6), поэтому при газовой сварке сварные швы имеют большую ширину, чем при дуговой.

В последнее время газовая сварка в промышленности прак­тически вытеснена другими, более прогрессивными способами сварки и используется в основном в ремонтных целях. Вместе с тем газопламенная обработка благодаря сравнительной простоте и мобильности процесса широко применяется в промышленности в технологических процессах газовой резки, нагрева, пайки и газо­пламенного напыления.
3.4. Электрошлаковая сварка
Электрошлаковая сварка появилась в свое время как дальней­шее развитие дуговой сварки под флюсом, когда было установле­но, что при определенных режимах электрод «закорачивается» на слой расплавленного шлака и выделение теплоты (рис. 3.14) про­исходит при прохождении электрического тока через жидкую шлаковую ванну. Общее количество теплоты, выделяемое в зоне сварки за 1 с, определяется как q = I²R_cyм, где R_сум - суммар­ное сопротивление шлаковой и металлической ванн.

При электрошлаковой свар­ке почти вся электрическая мощность передается шлако­вой ванне, а от нее - электроду и свариваемым кромкам. Ус­тойчивый процесс возможен только при постоянной темпе­ратуре шлаковой ванны. Рабо­чая температура шлаковой ванны под электродом может достигать2200... 2300К.

При электрошлаковой свар­ке более равномерное выделе­ние теплоты по объему сварочной ванны по сравнению со сваркой под флюсом позволяет сваривать за один проход детали значи­тельных сечений (до нескольких квадратных метров); это обусло­вило широкое распространение электрошлаковой сварки в тяже­лом машиностроении.

Применяемые при электрошлаковой сварке флюсы отличаются высокой электропроводностью в расплавленном состоянии и низкими стабилизирующими свойствами по отношению к дуговому разряду. Например, флюс АНФ-1 содержит до 92 % плавикового шпата CaF₂, являющегося активным дестабилизатором дуги.

После развития начального дугового разряда расплавленный шлак полностью шунтирует дугу и дуговой процесс переходит в так называемый шлаковый. Температура плавления шлака должна быть выше, чем температура плавления свариваемого металла.

Электрошлаковую сварку обычно ведут на переменном токе при низком напряжении (40.. .50 В) и рабочих токах до нескольких тысяч ампер. Баланс энергии этого сварочного процесса показан на рис. 3.15.


Вследствие большой поверхности контакта теплоносителей -шлаковой и металлической ванн - с основным металлом плотность тепловых потоков в металл невысока, поэтому для электро­шлаковой сварки необходима более высокая удельная энергия (от 100 до 200 кДж/см² ), чем для большинства способов дуговой сварки.
3.5. Термитная сварка
Химическая реакция взаимодействия оксидов железа с алю­минием (алюмотермическая реакция) протекает с большим вы­делением теплоты по следующему уравнению:

3Fe₃О₄ + 8А1 → 4А1₂О₃ + 9Fe + 3242 кДж.

Такая реакция реализуется в технике при сжигании смесей алюминиевого порошка и железной окалины, получивших на­звание термитов. Сравнительная простота осуществления алюмотермической реакции и доступность применяемых материалов по­ложили начало широкому применению термитов в промышленно­сти, особенно в металлургии и для сварочных процессов.

При термитной сварке сначала производят поджиг термита, происходит его сгорание, а затем разделка кромок обычно запол­няется жидким металлом, образующимся в результате алюмотермической реакции. Разогрев и плавление кромок свариваемых деталей при термитной сварке осуществляются за счет теплосо­держания жидкого присадочного металла, поэтому его объем вы­бирают в 2-3 раза большим, чем это необходимо для заполнения разделки.

Одно из основных достоинств процесса термитной сварки - простота осуществления в полевых условиях, что обусловило его применение для сварки рельсов, контактной сети железных дорог и некоторых строительных конструкций.