3.2 Фотонно–променевий нагрів

3.2.1 Використання фотонно–променевого нагріву

1 — потужний блок конденсаторів;

2 — оптичний квантовий генератор (ОКГ);

3 — лазерна оптика; 4 — лазерний промінь;

5 — виріб; 6 — маніпулятор

Рисунок 3.3 — Схема лазерної установки

Інструментом є лазерний промінь, який характеризується монохроматичністю, когерентністю, паралельністю. Фотонний промінь використовується для зварювання та різки. Зварювання може вестись безперервним та імпульсним променем у будь-якій газовій атмосфері.

За допомогою цього методу можна зварювати чорні та кольорові метали, тугоплавкі метали, біметали.

Форма зварного шва при лазерному зварюванні схожа на форму зварного шва при електронно–променевому зварюванні.

Фотонний промінь — поверхневе джерело нагріву.

3.2.2 Принцип роботи оптичного квантового генератора

Оптичний квантовий генератор (ОКГ) є основним елементом лазерної установки. В основу роботи ОКГ покладено принципи:

1. Світло має хвильову і корпускулярну природу, тобто світло поширюється у вигляді хвилі окремими порціями — квантами. Обмін енергією між твердим тілом, для якого енергія квантована, і світловим полем, енергія якого теж квантована, здійснюється дискретно.

2. Кожне тіло в стані рівноваги характеризується мінімальною внутрішньою енергією. Якщо таке тіло збудити природнім або штучним шляхом, його внутрішня енергія зросте (стан нестабільний), в системі почнуть розвиватися процеси, які намагатимуться вернути тіло в початковий енергетичний стан. При цьому тіло буде випромінювати в простір енергію (спонтанне або індуціроване випромінювання) у вигляді світлового потоку.

Збудження речовини (активна речовина) може бути за рахунок:

1) хімічних процесів;

2) радіоактивних часток;

3) потоку електронів;

4) світлового поля.

Збудження світловим полем здійснюється за рахунок газорозрядних ламп “накачки” спірального або типу олівця з рефлектором, які живляться від блоку конденсаторів. В лазерних установках в якості активної речовини використовують синтетичні рубіни з домішкою хрому. При освітленні рубіна білим або зеленим світлом іони хрому збуджуються, підвищують свою енергію і переходять в енергетичний стан 2, який являється нестабільним, і, практично миттєво, енергія іонів хрому знижується до деякого метастабільного рівня 3 (рисунок 3.4).

Рисунок 3.4 — Схема енергетичних станів активної речовини

Якщо активну речовину освітити червоним світлом, тоді енергія атомів активної речовини з рівня 3 зменшиться до рівня 1, при цьому всі атоми хрому зменшують енергію одночасно і в навколишнє середовище випромінюється енергія у вигляді світлового потоку, який характеризується монохроматичністю і когерентністю.

В пучку світла, який випромінюється необхідно ще й забезпечити строгу паралельність променів та підсилити їх. Для забезпечення вузькоспрямованості використовують об’ємний резонатор, який уявляє собою два паралельні дзеркала, одне з яких напівпрозоре (для виходу променів). Між дзеркалами відбувається багаторазове відбиття променів. В якості дзеркал використовують грані рубіна (рисунок 3.5).

1 — лампа накачки; 2 — рубін; 3 — непрозоре дзеркало;

4 — напівпрозоре дзеркало; 5 — активна речовина

Рисунок 3.5 — Схема ОКГ

Для підсилювання світлового потоку використовують ОКП (оптичний квантовий підсилювач).

3.2.3 Тепловий баланс фотонного зварювання

Баланс енергії для лазерної установки має вигляд

, (3.10)

де W_дж — енергія, підведена від джерела живлення (100 %);

W_лн — втрати енергії в лампі “накачки” (94 %);

W_ос — втрати енергії в оптичній системі (3 %);

W_вин — енергія виносу за рахунок розбризкування, випаровування

(2 %);

W_пр — втрати енергії на проплавлення (1 %).

Ефективний коефіцієнт корисної дії дорівнює 1 %.

Докладніше по пунктам 3.1 - 3.2 дивись [13, 14].