Тема 4.1. Принцип лазерной сварки

Схема действия рубинового лазера такова. Искус­ственный рубиновый кристалл расположен в кварцевой труб­ке, которая представляет собой спиральную газоразрядную лампу, наполненную газом ксеноном. При замыкании вы­ключателя происходит разряд высоковольтного конденсато­ра и в кварцевой лампе появляется вспышка света, в резуль­тате чего рубиновый кристалл испускает импульс мощного светового луча. Импульсы светового луча фокусируются и направляются в зону сварки. Сварка ведется как бы отдель­ными точками, перекрывающими друг друга. Схема лазерной сварки представлена на рис. 33.

Рис. 33. Лазерная сварка: / - высоковольтный конденсатор;

2 - по­вышающий трансформатор; 3 - выпрямитель; 4 - переключатель;

5 - рубиновый кристалл; 6 - импульсная лампа; 7 - луч лазера;

8 - оптическая система; 9 - свариваемое изделие

Кванто­вые генераторы преобразуют электрическую, световую, тепловую или химическую энергию в монохроматическое когерентное излучение электромагнитных, волн: ультрафиолетового, видимого и инфракрасного диапазона.

Активными элементами излучателя могут быть твёрдые тела: стекло с неодимом, рубин, гранат с эрбием и др. В качестве излучателя используют также различные жидкости: растворы окиси неодима, красители и др. Излучателями могут также быть газы и газовые смеси: водород, азот, аргон, углекислый газ и др.

В качестве излучателей используют также полупровод­никовые монокристаллы: арсениды галия и индия, сплавы кадмия с селеном и серой и др.

Рис. 34. Энергетическая схема квантового генератора

В квантовых технологических генераторах обычно в качестве основного энергетического элемента исполь­зуют рубин. Рубин - это окись алюминия, в которой не­большое число атомов алюминия замещено атомами хрома. Обычно в квантовых генераторах используют бледно-розо­вый рубин, содержащий 0,05% Сг. Рубиновый стерженек помещают вблизи электронной лампы вспышки, служащей источником ши­рокополосного света для оптической накачки. Энергети­ческая схема квантового генератора на рубине предста­влена на рис. 34.

В квантовом генераторе на кристалле рубина атомы хрома, находящиеся в основном состоянии, поглощают фотоны (волнистые стрелки) и переходят на один из выше расположенных уровней. Часть энергии они передают кристаллической решётке, вызывая повышение темпера­туры, и переходят при этом в метастабильный уровень. Затем под действием индуцирующих фотонов, испуска­емых другими, атомами хрома, они излучают фотоны ха­рактеристической длины волны, возвращаясь опять в ис­ходное состояние.

Лазер на кристалле рубина питается от импульсной лампы. При освещении рубинового стерженька импульс­ной лампой большинство атомов хрома переводится в воз­бужденное состояние. В том слу­чае, если интенсивность света от импульсной лампы превысит некоторый критический уровень, начинает по­являться эффект квантового усиления и тогда с полупро­зрачного торца рубина в течение тысячных долей секунды выбрасывается интенсивный поток фотонов с длиной волны 6943 А. Выходной пучок является узконаправлен­ным, мощным, монохроматическим и когерентным.

Высокая степень монохроматичности излучения обу­словлена тем, что индуцированное излучение предста­вляет собой резонансный процесс и в силу этого более привязано к центру полосы частот, чем излучение, спонтанно испускаемое атомом. Обычный белый световой луч, состоящий из электромагнитных волн различной длины, фокусируется линзой в значительном объеме, вследствие дисперсии света различной степени преломления стеклом линзы световых волн раз­личной длины. Дисперсия света приводит к тому, что узкий пучок белого света, проходя линзы, уширяется, образуя спектр (рис. 35 а).

Рис.35. Фокусирование линзой

а - белого и б - монохроматического лучей

узкий пучок белого света, проходя линзы, уширяется, образуя спектр (рис. 36 а). Монохроматический световой луч лазера, состоит из электромагнит­ных волн одной длины и поэтому такой луч фоку­сируется в очень малом объеме, практически в точке (рис. 36 б). Плотность энергии светового луча в фокусе линзы

Ρ = Е / V,

где ρ - плотность энергии; Е - энергия луча; V — объем фокуса.

Так как объем фокуса белого луча имеет значи­тельные величины вследствие дисперсии света, то плот­ность энергии в фокусе такого луча невелика. Для луча лазера объем фокуса очень мал (V → 0), а плотность энергии в фокусе обладает очень большими значениями и может достигать 10⁷ - 10⁸ Вт/см⁴.

Продолжительность импульса мала и составляет 10^-9 с. КПД квантовых генераторов на рубине невелик и составляет 0,1%. Несмотря на низкий КПД оптиче­ских квантовых генераторов на рубине генераторы этого типа находят практическое применение при сварке (рис. 36. а).

Сварочная установка представляет собой комплекс оптико-механических и электрических элементов. Основной составляющей установки является оптический квантовый генератор на рубиновом кристалле. Установка состоит из генератора, блока питания, стола с конденсаторами и стереоскопического микроскопа. Генератор предназна­чен для преобразования энергии, запасенной в блоке конденсаторов в узконаправленный, монохроматический, когерентный световой пучок.

Главный узел генератора - осветительная камера 1, внутри которой вставлен кристалл рубина 2. В камере параллельно кристаллу установлена импульсная лампа 5, на концы которой подводится высокое напряжение.

Внутренняя поверхность камеры отполирована и служит отражателем света. В камеру подается сжатый воздух для охлаждения кристалла рубина, использованный воздух уходит в атмосферу. Для формирования, испускаемого кристаллом рубина излучения и направления его на место сварки, служит формирующая оптическая система, состоящая из призмы 3, линзы и сменного объектива 4. Формирующая система снабжена сменными объективами, которые фокусируют параллельный пучок света, испускаемый, генератором, в пятно диаметром 0,25 - 0,05 мм. Для настройки генера­тора используют оптическое устройство, состоящее из осветителя 8, призмы 7 и конденсорной линзы 6. Луч света от осветителя проходит через рубин и оптическую систему генератора, имитируя прохождение излучения от кристалла (рис. 36. б).

Для визуального наблюдения за местом сварки при наведении луча подсветки на место сварки и для осмотра сваренных элементов служит стереоскопический микро­скоп 9. Для защиты глаз оператора, работающего на уста­новке, от излучения генератора в момент вспышки сварки предусмотрен затвор 10, приводимый в движение электромагнитом

Рис. 36. Схема сварочного квантового генератора: а « сварка;

б - настройка генератора перед сваркой

Резку кремниевых и германиевых пла­стин на отдельные элементы), необходимые полупроводни­ковой промышленности осуществляют воздействием сфо­кусированного луча лазера непрерывного действия. При этом происходит испарение части материала на поверх­ности пластины и образуется канавка. В дальнейшем необходимо приложить механическое усилие и пластины расколятся по линиям канавок.

Обрабатывать можно в атмосфере, вакууме и в раз­личных газах. При этом луч лазера свободно проникает через стекло, кварц, воздух.

Квантовый генератор на рубине установки К-ЗМ имеет к. п. д. порядка 0,1% (рис. 37). В связи с этим только 0,001 доля номинальной энергии поджига газо­разрядной лампы превращается в энергию луча, генери­руемого лазером, которая и подается на свариваемое изде­лие в виде короткого импульса. Значительная мощность энергии, развиваемая при очень коротких импульсах, обычно приводит к бурному испарению металлов из зоны сварки. Поэтому в квантовых генераторах предусмотрена регулировка длительности импульса, благодаря чему можно получить менее резкий подъем температуры в месте сварки, В принципиальной схеме квантового генератора имеется устройство, позволяющее формировать импульс и изменять его продолжительность путем включения различ­ных комбинаций и емкостей в блоке накопления энергии.

Квантовые генераторы вследствие относительно низкой частоты повторения импульсов и относительно небольшой мощности пока не могут соперничать с электроннолучевой сваркой, обеспечивающей швы с глубоким «кинжальным» проплавлением на боль­ших толщинах.