1.3 Зависимость плотности мощности от конструктивных параметров оптической системы светолучевой технологической установки

Определим зависимость от конструктивных размеров сварочной установки, а именно: размеры источника и отдаления его от фокусирующей линзы . Из рис.1-2 вытекает очевидное соотношение:

(1.4)

а также, используя формулу Ньютона

(1.5)

получим (1.6)

Если мы используем в светолучевой установке точечный источник света, для которого справедлив закон обратных квадратов, то мощность светового пучка, которая падает на линзу с диаметром , будет зависеть от мощности источника Р_ис так:

(1.7)

Подставив (1.6) и (1.7) в (1.3), получим:

(1.8)

Из (1.8) видно, что зависит от размеров источника так же, как и от размеров изображения: чем меньше , тем больше , что есть следствием (1.4).

Зависимость от расстояния более сложнее, но упрощается при . При этих условиях первое слагаемое в квадратных скобках не зависит от и физически это объясняется тем, что уменьшение светового пучка, который попадает на линзу, из-за увеличения расстояния компенсируется уменьшением изображения . Но с ростом увеличивается второе слагаемое (уменьшается ), которое описывает теплоотвод от зоны нагревания, что при дальнейшем увеличении и, как в последствии, уменьшении , в конце-концов приведет к малому значению , что недостаточно для проведения технологической операции. И наконец, обратно пропорционально квадрату фокусного расстояния и пропорционально квадрату светосилы .

Следовательно, в светолучевых сварочных установках необходимо брать источники света с большой мощностью и малыми размерами светящегося тела. У некогерентных источников света таким требованиям удовлетворяют дуги, которые горят в среде тяжелых инертных газов (ксенон, криптон) при высоких давлениях, а также катодное пятно дуги, которое горит в воздухе между угольными электродами. Сам источник света необходимо размещать не слишком далеко от фокусирующей линзы (умеренные значения ), в свою очередь линза должна иметь малое фокусное расстояние и большой световой диаметр, т. е. светосилу . Эти основные положения имеют ряд ограничений.

Мы пользуемся ламбертовскими источниками света, то есть такими, которые излучают во все стороны свет равномерно. Из равенства (1.7) следует, что чем дальше источник света от фокусивной линзы, тем меньшая мощность светового пучка падает на свариваемый нами образец, причем обратно пропорциональный квадрату расстояния. Если нам необходимо сварить особенно малые детали, или такой же малый участок, на них, то необходимо или отдалять на большое расстояние источник света от фокусивной линзы, или брать линзы с малым . Такой способ не всегда удобен. Увеличение приводит, во-первых, к увеличению габаритов установки. Во-вторых, уменьшение не может быть безграничным. Из теории и практики оптических изображений следует, что когда светосила объектива , то изображение будет размытым, то есть с большим сферическим аберрационно-оптическим искажением.

Необходимо еще раз отметить, что с уменьшением увеличивается теплоотвод от зоны нагревания, а с уменьшением , при условии, что светосила линзы выбрана оптимальной, то есть с минимально допустимой сферической аберрацией, уменьшается и мощность, которая подводится к детали. Следовательно, особенно малые зоны на деталях при светолучевой сварке нагреть к высоким температурам не всегда возможно.

Использование источников света с тепловым излучением, таких как электрическая дуга в атмосфере тяжелых инертных газах при высоком давлении, свечение катодного пятна угольной дуги, Солнце, невыгодно из-за их излучения широкого спектрального состава. Применение фокусирующих линз из стекла ограничивает использование области спектра излучениям от 2,3 до 0,4 мкм, из кварцевого стекла – от 2,7 до 0,3 мкм. Показатель преломления всех веществ зависит от длины волны. Поэтому при фокусировке света широкого спектрального состава изображения источника будет размещаться в разных местах, потому что величина фокусного расстояния линзы определяется не только радиусом кривизны, а также и показателем преломления. Это так называемая хроматическая аберрация. Безусловно, сфокусированный пучок в каком-то месте будет иметь минимальный перерез, но он будет больше, чем для монохроматического света. Чтобы избавиться от действия хроматической аберрации, не обходимо использовать для фокусирования вогнутые зеркала.

Тепловые источники света, которые перечислялись выше, имеют такие температуры: электрическая дуга в атмосфере тяжелого инертного газа ≈ 6000°К, катодное пятно электрической дуги между угольными электродами ≈ 4000°К, Солнце ≈ 6000°К. Согласно законам термодинамики тепло переходит от более нагретого тела к менее нагретому. Поэтому свариваемую деталь мы не можем нагреть до температуры, выше, чем температура источника света. Учитывая потери при фокусировке, мы можем нагреть нашу деталь к значительно меньше, чем источника света.

Следовательно, светолучевой сварке свойственны такие недостатки:

1. Из-за равномерного излучения тепловых источников по всем направлениям, используется лишь та часть его излучения, которая падает на фокусирующую линзу.

2. Размеры изображения источника света на облучаемой поверхности детали и мощность, которую передает фокусирующая система на эту поверхность, зависят от расстояния между фокусирующей системой и источником света; чем большее расстояние, тем меньшие размеры изображения и величина.

3. Широкий спектральный интервал излучения тепловых источников света вынуждают использовать зеркальные системы фокусировки с асферическими поверхностями, во избежание хроматической аберрации.

4. Отсутствуют тепловые источники света с температурой выше 4...6 тыс. °К.

Таким образом, источник света для светолучевой сварки должен иметь такие оптимальные характеристики:

1. Излучать в узком пространственном угле, а не во все стороны равномерно.

2. Минимальные размеры сфокусированного пучка должны слабо зависеть от расстояния к источнику света.

3. Излучение должно быть монохроматическим или в узком спектральном диапазоне.

4. Иметь высокую температуру излучения. Таким источником света является лазер, а технологические процессы называются лазерными, то есть, лазерная сварка, термообработка, резание, наплавка.