3.5. Сварка лазером
Лазер, или оптический квантовый генератор (ОКГ), создает мощный импульс монохроматического излучения в результате возбуждения атомов примеси в кристалле (рубин) или в газах. Можно построить ОКГ на полупроводниках и в этом случае, используя электрическое возбуждение вместо оптического, существенно повысить КПД источника энергии.
Этот новый источник энергии высокой концентрации сразу на-шел применение в технике связи и в промышленности для обработки металлов и других материалов. Сущность процесса получения мощного потока световых квантов заключается в том, что атомы вещества могут находиться в стабильных и возбужденных состояниях, и при переходе из возбужденного состояния в стабильное они отда-ют энергию возбуждения в виде квантов лучистой энергии.
Возбуждение атомов примесей может происходить различными путями, но наиболее часто - в результате поглощения лучистой энергии (лампы накачки). Переход из возбужденного состояния атома в стабильное может происходить не сразу, а по отдельным ступеням. Если эти ступени близки, то переход происходит без излучения кванта энергии, а за счет перераспределения энергии электронов внутри ато-ма. Некоторые из таких промежуточных ступеней—уровней возбуж-дения обладают повышенной устойчивостью.
Схема работы оптического квантового генератора, или лазера, может быть представлена следующим образом (рис. 3.32).
Атомы какого-либо элемента возбуждаются непрерывным источ-ником энергии - лампами накачки, и электроны, возбуждаясь, переходят на первый уровень энергии, но вместо того, чтобы сразу возвращаться на нулевой уровень, они переходят без излучения на метастабильный второй уровень, а затем, порле накопления на этом уровне у значительного числа атомов примеси энергии электронов, атомы все сразу (индукционный период) переходят в исходное со-стояние на нулевой уровень энергии, создавая мощное излучение.
Кристалл ограничен строго параллельными гранями, из которых одна — непроницаемая для света (закрыта слоем металла), а другая -полупроницаемая и пропускает излучение определенной длины волны. Энергия возбуждения от лампы подается перпендикулярно к оси кристалла и к оси излучения. Выходящие монохроматические лучи фокусируются оптическими системами. Поток квантов энергии (ф-тонов), направленный на поверхность твердого тела, трансформирует свою энергию в тепловую, и температура твердого тела резко возра-
Рис. 3.32. Установка для свар-ки лазером (а) и схема образо-вания соединения при лазерной сварке (б); а: 1 - осветитель (фокусировка луча по месту сварки); 2 - рубин (активное вещество); 3 - пульт управления- 4 - микроскоп; 5 - шторка; 6 - свариваемые детали; 7 - манипулятор
(настройка расположения деталей); 5 - газоразрядная импульсная лампа;
б: 1 - привариваемые детали; 2-микрометр; 3 -луч лазера (площадь пятна |
нагрева ~ 10'5 мм2); 4 - сварная точка
стает, так как поток фотонов обладает очень высокой концентрацией
энергии.
Для сварки лазером не требуется вакуум, и ведется она в импульсном режиме, так как постоянный приток энергии влияет на излучатель (разогрев кристалла рубина). Режим сварки регулируется следующими параметрами: частотой, длительностью импульса и степенью расфокусирования луча лазера до уровня плотности энергии, необходимого для сварки данного изделия, и коэффициент использования подаваемой мощности в этом виде сварки очень невысок (~1-1,5 %). Соединение целого ряда изделий можно осуществить только таким образом (например, из неметаллических материалов). Кроме того, поток фотонов можно использовать для прошивки отверстий в самых твердых материалах, резки металлов и их поверхностной обработки.
Для сварки часто применяют установки с использованием моно-кристаллов корунда А12О3, в котором небольшое число атомов алюминия заменено атомами хрома, служащего излучателем. Такой кристалл представляет собой искусственный рубин.