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 возможно получение швов 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 (Аг и Не). Поэтому целый ряд сварных конструкций из этих материал изготовляют исключительно при помощи электронно-лучевой сварки.

3.2. Фотонно-лучевые источники

Практическое применение волновой теории света и усовершенствования технологии изготовления оптических линз, стекол и зеркал позволили создать целый ряд разнообразных оптических приборов. Была установлена принципиальная возможность фокусировки светового потока на относительно небольших поверхностях и концентрации энергии, достаточной для разогрева и плавления различных материалов. В качестве источника светового излучения использовали Солнце.

Устройства для технологического использования 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 возможности использования «даровой» солнечной энергии, плотность мощности которой составляет в среднем около 400 Вт/м2, стимулируют развитие различных способов ее преобразования в другие виды энергии (прежде всего 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 ХХ 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

104

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 состоит 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.

Таблица 3.1. Длины волн оптического диапазона спектра электромагнитного излучения

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 в области оптического диапазона. Это излучение существует в виде отдельных квантов, причем энергия кванта равна

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 Стефа- на—Больцмана пропорциональна четвертой степени абсолютной температуры тела R =σT 4 ) и по мере увеличения температуры спектральный максимум излучения сдвигается в сторону более коротковолновой части спектра.

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 разной длины поразному преломляются при прохождении через стекло. Это явление носит название

105

хроматической аберрации и значительно ограничивает возможности обычных полихроматических источников.

По законам дифракции наименьший размер сфокусированного пятна равен длине волны λ и для оптического диапазона составляет размер порядка 1 мкм. Полихроматичность увеличивает размер до сотен и тысяч микрометров, в результате чего максимальная концентрация энергии в пятне нагрева в данном случае не превышает 3000 Вт/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 применяющиеся фокусирующие линзы и зеркала со сферическими поверхностями имеют отклонения геометрических параметров 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 рациональные 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 сварки и пайки используют сфокусированный полихроматический свет дуговых ксеноновых ламп. В качестве источника излучения используют дуговые ксеноновые лампы сверхвысокого давления (рл = 3,5…9,5 МПа) мощностью 3,0…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 длиной волны λ = 0,2…2,4 мкм, занимающий в оптическом диапазоне ультрафиолетовую, видимую и инфракрасную области в следующем 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, и позволяют получать на обрабатываемой поверхности плотность мощности до 3 кВт/см2 при площади пятна нагрева в фокусе 5…10 мм2 с мощностью лучистого потока до 2 кВт.

106

Таким оптическим источником теплоты вполне можно сваривать детали толщины до 2,0 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.

Рис. 3.3. Схема модуля светолучевой сварки

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 H, изменяющиеся в пространстве и во времени по закону:

E = E0 sin[2π(νt − x / λ) +ϕ]

Здесь E0 и H 0 - амплитуды колебаний напряженностей E и H ; v — частота колебаний; λ = c \ν — длина волны; с — скорость света в вакууме. Если частота колебаний v (и длина волны λ ) не зависят 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 к монохроматической волне.

Аргумент синуса (косинуса) в выражениях (3.11), называемый фазой колебаний гармонической волны, определяет состояние колебательного процесса при распространении электромагнитной волны в момент времени t в точке пространства x 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 ϕ постоянна во времени.

107

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 расстоянии 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 ,...εm ,εn , которые называют уровнями энер-

гии (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 εn на уровеньεm , то частота испускаемого (или поглощаемого) кванта света

Именно такие спонтанные процессы излучения и происходят в нагретых телах. Нагрев переводит часть атомов в возбужденное состояние и при переходе в нижние

108

состояния они излучают кванты света. Излучение разных атомов происходит независимо друг от друга и носит статистический характер. Фотоны света 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 индуцированное (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, необходимо выполнить следующие условия:

1. Необходимо обеспечить резонанс — совпадение частоты падающего света с

других таких же атомов, в результате чего будет осуществлена генерация когерентного излучения.

2. Наряду с вынужденным излучением света атомами, находящимися на верхнем уровне εn , происходит резонансное поглощение энергии атомами, находящимися на нижнем уровне εm. При этом атом поглощает световой квант и переходит на уровень εт , что препятствует генерации света. Для генерации когерентного света необходимо, чтобы число атомов на верхнем уровне εn было больше числа атомов на нижнем уровне εm , 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) заселенностью. Н. Г. Басов и А. М. Прохоров предложили метод трех уровней, в котором для получения инверсии заселенности уровней используется некоторое вспомогательное излучение (оптическая подкачка).

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), a 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.

109