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 населенности, т.е. распределение частиц по энергиям, несвойственное 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 ла-

зера.

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:

-оптическая накачка в результате облучения активной среды мощным световым потоком;

-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 твер-

110

дого 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 упрощенно обозначают

Nd:YAG (или Nd: АИГ).

(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…3,0 кВт и выше. Электрооптический КПД твердотельных лазеров с использованием ламповой накачки активных элементов составляет 1…3 %. Эти лазеры генерируют излучение на длине 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 становится 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 накачка обеспечивает более полный контроль излучения 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 можно выводить 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 вслед-

111

ствие 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 гелийнеоновый лазер, схема которого приведена на рис. 3.8.

Генерация когерентного излучения может проходить в видимой ( λ1 = 0,633 мкм) и в инфракрасной области ( λ2 = 1,15 мкм, λ3 = 3,39 мкм). Газоразрядная трубка 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 благородных газов (ксенон, аргон, неон, криптон), 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 части спектра с мощностью излучения до 15…50 Вт в непрерывном режиме. Основные области применения Ar-лазера в медицине, микротехнологии, фотохимии и для диагностики методом спектрального анализа.

Наибольшую мощность и КПД имеют газоразрядные молекулярные лазеры. Лазер на колебательно-вращательных переходах молекулы СО2 является одним из наиболее распространенных типов современных технологических лазеров. Это связано с его высокой эффективностью, простотой реализации и возможностью дости-

112

жения большой мощности излучения, достигающей 5…20 кВт в непрерывном режиме и до 10…100 кДж – в импульсном.

Молекула С02 возбуждается электронными ударами в газовом разряде, причем для увеличения мощности к С02 добавляют молекулярный азот N 2 . Основным каналом заселения верхнего уровня С02 является резонансная передача колебательной энергии от N2. Отношение парциальных давлений СО2 и N2 обычно выбирается в пределах 1:1-1:5 при суммарном рабочем давлении в несколько сотен паскалей.

Существенное влияние на энергетические характеристики лазера на СО2 -N2 оказывает введение в разрядную камеру гелия. Гелий, обладая 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 С0 2 + N 2 + Не. Лазеры на углекислом газе имеют весьма высокий КПД (теоретически — до 40%, практически

12…30%).

Электрический разряд в лазере на CO 2 возбуждается в охлаждаемой газоразрядной трубке, выполняемой обычно из стеклянной трубы диаметром до 60 мм. Увеличение диаметра трубы 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. Для этой цели используются кристаллы КВr, NaCl, ZnSe, GaAs или Ge. Для лазера данной схемы с продольной прокачкой с 1 м длины резонатора можно снимать 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 быстропроточных лазерах с поперечной прокачкой газовой смеси. Схема такого лазера мощностью до 10 кВт приведена на рис. 3.9. Эта разновидность газового лазера использует интенсивную прокачку газа через резонатор 3 с охлаждением его в теплообменнике 4. Электрический разряд возбуждается между анодной плитой 2 и секционированным катодом 1.

Вкачестве рабочего газа используют смесь CO2+N2+Не в соотношении 1:6:13 при статическом давлении в разрядной камере 5…8 кПа. Расход газовой смеси через разрядную камеру составляет 2…3 м3 /ч, для чего используется мощная насосная система.

Влазере этого типа можно получить съем мощности 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.

113

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 приведены значения коэффициентов отражения световых волн для чистых не окисленных полированных поверхностей металлов (при полном отражении этот коэффициент равен единице).

Таблица 3.2. Коэффициенты отражения волн, генерируемых различными лазерам от металлических поверхностей

Приведенные в табл. 3.2 данные свидетельствуют о том, что значительная доля светового потока отражается от поверхности.

Для реальных поверхностей, покрытых оксидами и имеющих меньшую частоту 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 потока будет усвоено веществом.

Еще большего поглощения энергии можно добиться при нанесении на поверхность веществ с малыми коэффициентами отражения (газовая сажа, краска, водорастворимые полимерные покрытия), но в этом случае возможно взаимодействие нанесенного вещества с основным материалом, что не всегда допустимо.

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

Лазерное излучение относительно небольшой интенсивности может осуществить на поверхности лишь весьма ограниченные изменения поверхности вещества: экспозицию специальных светочувствительных материалов или «выцветание» некоторых красок.

По мере увеличения плотности мощности лазерного излучения до 104 Вт/см2 (что достаточно просто и оперативно осуществляется путем его фокусировки) возможны нагрев и плавление поверхности слоев материала. Последующее увеличение

115

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 уровня (примерно 108 Вт/см2 для лучших систем фокусировки луча) приводит к интенсивному испарению вещества с минимальным количеством жидкой фазы

ивыносом его в виде паров из зоны обработки. Для некоторых веществ возможно сублимационное испарение, т. е. переход из твердого состояния сразу в парообразование. Схема изменения характера взаимодействия светового потока с веществом в зависимости от концентрации энергии 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 электрически заряженных частиц приводит к резкой неравномерности распределения электрического потенциала в этом объеме и, как следствие, — электрическому пробою. Пробой имеет характер миниатюрного взрыва

исопровождается яркой вспышкой.

Рис. 3.11. Схема взаимодействия лазерного излучения с веществом: I – нагрев; II – плавление; III – испарение

Поскольку на образование оптического разряда расходуется большое количество энергии излучения лазера и в ряде случаев ее образование приводит к нестабильности технологического процесса, в частности, сварки; поэтому явление возникновения оптического разряда стараются предотвратить. Для его устранения чаще всего прибегают к обдуву лазерного луча в фокальном пятне потоком газа, перпендикулярным направлению луча.

К технологических преимуществ мощного когерентного лазерного излучения следует отнести следующее:

1)возможность передачи энергии в виде светового луча на расстояние (в том числе и через прозрачную разделительную перегородку или по специальному оптическому волноводу);

2)отсутствие непосредственного силового и электрического контакта источника энергии с изделием в месте обработки;

3)возможность плавного регулирования энергии в пятне нагрева путем изменения фокусировки луча;

116

4)высокую плотность мощности в пятне нагрева благодаря «острой» фокусировке излучения;

5)возможность достижения высоких температур в зоне воздействия излучения.

6)возможность получения как импульсов энергии весьма малой длительности (до 10-9 с), так и непрерывного излучения;

7)малые зоны обработки, размеры которых не превышают нескольких микро-

метров.

8)возможность оперативного перемещения луча системы развертки при неподвижном объекте обработки с высокой точностью и скоростью;

9)возможность модуляции мощности луча во времени по требуемому закону;

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

Исследование перечисленных особенностей лазерного излучения привело к возникновению целого ряда 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. Сварка может вестись 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, значительные толщины. Экспериментально установлено, что для стали глубина проплавления металла в диапазоне до 5 мм требует 1 кВт мощности излучения на 1 мм толщины металла. Однако, как следует из рис. 3.12, при дальнейшем увеличении мощности лазерного луча глубина проплавления увеличивается меньшими темпами и для сварки толщин более 20 мм требуются уже весьма мощные лазеры, потребляющие с учетом КПД из сети сотни киловатт электрической мощности. Электронно-лучевая сварка пока позволяет сваривать за один проход значительно большей толщины (до 100 мм) при меньшей потребляемой от сети мощности.

Так же как и электронно-лучевая сварка, сварка лазером дает узкий шов «кинжального» типа с малыми деформациями свариваемых деталей, что позво-

ляет применять этот способ для соединения окончательно обрабатываемых

узлов и деталей.

3.12. Проплавление стали при сварке СО2–лазером

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 техни-

117

ко-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 — двухлучевой лазерной, лазерно-дуговой, 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 сварочный процесс позволяет частично устранить недостатки каждого способа и расширить технологические возможности.

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 сварки. 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.

Сварка лазером неметаллических материалов (в основном стекла и керамики) возможна потому, что излучение лазера на углекислом газе 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, излучение лазера позволяет увеличить интенсивность нагрева места сварки или пайки (но не более 80…100 К/с из-за возможности термического растрескивания стекла), 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 под действием сил тяжести, конвективного потока или газовой струи. Если же расплавленный материал перегрет и упругость его паров достаточно высока, образующиеся при этом пары могут быть удалены из зоны резки струёй 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

118