Главная Классификация процессов сварки 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 [ 73 ] 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 волн или фотонов атомными системами. При поглощении фотона его энергия передается атому, который переходит в возбужденное квантовое состояние. Через некоторый промежуток времени атом может спонтанно излучить эту энергию в виде фотона и возвратиться в основное состояние. Пока атом находится в возбужденном состоянии, его можно побудить испускать фотон под воздействием внешнего фотона ( падающей волны ), энергия которого в точности равна энергии фотона, испускаемого атомом при спонтанном излучении. Такое излучение называется индуцированным. В результате падающая волна усиливается волной, излучаемой возбужденным атомом. Важным в этом процессе является то, что испускаемая волна в точности совпадает по фазе с той, под действием которой она возникла. Это явление используется в квантовых усилителях. Квантовые генераторы преобразуют электрическую, световую, тепловую или химическую энергию в монохроматическое когерентное излучение электромагнитных волн: ультрафиолетового, видимого и инфракрасного диапазона. Излучателем - активным элементом могут быть твердые тела: стекло с неодимом, рубин, гранат с эрбием и др. Квантовые генераторы на алюмонатриевом гранате с неодимом позволяют получать мощность до 1 кВт в непрерывном режиме. В качестве излучателя используются также различные жидкости: растворы окиси неодима, красители и др. Жидкостные квантовые генераторы на неорганических жидкостях по своим характеристикам ближе всего стоят к твердотельным импульсным генераторам, но превосходят их по энергии в импульсе вследствие больших объемов активных элементов. Излучателями могут быть также газы и газовые смеси; водород, азот, аргон, углекислый газ и др. У таких генераторов самый широкий спектральный диапазон излучения и наибольшая мощность в непрерывном излучении при достаточно высоком КПД (15-20%). В последнее время в качестве излучателей используют также полупроводниковые монокристаллы: арсениды галлия и индия, сплавы кадмия с селеном и серой и др. Генераторы с полупроводниковым излучателем обладают малым весом, экономичны и имеют самый высокий КПД (до 0,70). Излучатель возбуждается и генерирует свет под действием энергии системы накачки: твердотельные и жидкие активные элементы возбуждаются светом импульсных ламп; газовые смеси в основном накачиваются энергией газового разряда; полупроводниковые излучатели используют энергию электрического тока, протекающего через область р-п-перехода. Разработаны системы, которые позволяют использовать для накачки газовых лазеров тепло и энергию химических реакций. В зависимости от энергетических параметров системы накачки лазер работает в импульсном или непрерывном режиме. 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. Используемый в лазере * розовый кристалл рубина обрабатывается в виде стерженька, длина и диаметр которого определяют мощность излучения. Его торцы полируют до получения оптически плоской поверхности, затем их подвергают серебрению для получения отражающих поверхностей. Выходной конец кристалла является полупрозрачным. Рубиновый стерженек помещают вблизи электронной лампы вспышки, служащей источником широкополосного света для оптической накачки. Энергетическая схема квантового генератора на рубине показана на рис. 87. В квантовом генераторе на кристалле рубина атомы хрома, находящиеся в исходном состоянии (/), поглощают фотоны (волнистые стрелки) и переходят Лазер - термин появился от сочетания следующих первых букв слов: light amplification by stimulated emission of radiation (усиление света путем использования индуцированного излучения). на один из вышерасположенных уровней ( ). Часть энергии они передают кристаллической решетке, 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 {IV). Лазер на кристалле рубина питается от импульсной лампы. При освещении лампой вспышкой рубинового стерженька большинство атомов хрома переводится в возбужденное состояние. При спонтанном испускании возбужденным атомом фотона параллельно оси кристалла фотон побуждает другой возбужденный атом испустить второй фотон (индуцированный). Этот процесс продолжается лавинообразно, поскольку фотоны, отражаясь от торцов кристалла, движутся по кристаллу в осевом направлении. Интенсивность пучка растет в результате многократного отражения от обоих торцов стержня. В этом случае, если интенсивность света от импульсной лампы превысит некоторый критический уровень, начинает появляться эффект квантового усиления и тогда с полупрозрачного торца в те- Рис. 87. Энергетическая схема квантового генератора на кристалле рубина чение тысячных долей секунды выбрасывается интенсивный поток фотонов с длиной волны 6943 А. Выходной пучок является узконаправленным, мощным, монохроматическим и когерентным. Излучение является узконаправленным вследствие того, что испускаются волны, лишь тысячекратно отраженные и не испытавшие сколько-нибудь существенного отклонения от оси прибора. Это излучение является мощным, так как индуцированное излучение возбужденных атомов происходит гораздо раньше, чем произошло бы спонтанное излучение. 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 атомами. Эти предпочтительные частоты возбуждают, в свою очередь, излучение на той же частоте, так что волна в квантовом генераторе содержит чрезвычайно узкий интервал частот и длин волн. 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. Монохроматический световой луч лазера состоит из электромагнитных волн одной длины, и поэтому такой луч фокусируется в очень малом объеме, практически в точке (рис. 88). Плотность энергии светового луча в фокусе линзы определяется как р = у, где р - плотность энергии; Е - энергия луча; V = объем фокуса. Так как 15 п/р, Ольшанского, т. I объем фокуса для 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 имеет очень большие значения и может достигать 10 - IQs Вт/см. Однако время импульса мало и составляет 10 , с. КПД квантовых генераторов на рубине невелик и составляет 0,1%. Создание мощных квантовых генераторов, обладающих большим КПД, по-видимому, в ближайшем будущем приведет к необходимости пересмотра установившихся взглядов на ряд существующих технологических процессов. Несмотря на низкий КПД оптических квантовых генераторов на рубине, генераторы этого типа находят практическое применение при сварке. На рис. 89 представлена схема сварочного квантового генератора на рубине. Сварочная установка представляет собой комплекс оптико-механических и электрических элементов, основным из которых является оптический квантовый генератор на рубиновом кристалле. Установка состоит из генератора, блока питания, стола с конденсаторами и стереоскопического микроскопа. Рис. 88. Фокусирование линзой белого (а) и монохроматического (б) лучей: / - фокусирующие системы; 2 а 3 - фиолетовый и красный лучи Генератор предназначен для преобразования энергии, запасенной в блоке конденсаторов, в узконаправленный, монохроматический, когерентный световой пучок. Основным узлом генератора является осветительная камера / (рис. 89, а), внутри которой вставлен кристалл рубина 2. В камере параллельно кристаллу установлена импульсная лампа 3, на концы которой подводится высокое напряжение. Внутренняя поверхность камеры отполирована и является 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 4, линзы и сменного объектива 5. 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 б, призмы 7, и конденсорной линзы 8. Луч света от осветителя проходит через рубин и оптическую систему генератора, имитируя прохождение излучения от кристалла (рис. 89, 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 W, приводимый в движение электромагнитом. Электрическая схема установки состоит из блока питания импульсной лампы, стола с входящим в него затвором и трансформатором подсветки, генератора. На лампу вспышки подается напряжение, равное 18 кВ. Для изменения времени разряда и, следовательно, времени горения лампы в цепи лампы установлены индуктивности, меняя величину которых, можно менять и время длительности импульса. Резка лазером является наиболее распространенной технологической операцией. Лазером можно резать стекла, керамики,.алмазы, металлы и др. При резке используют лазеры непрерывного действия, обладающие большими энергиями излучения в инфракрасном диапазоне (длина волны равна 10,6 мкм). Резка кремниевых и германиевых пластин на отдельные элементы, необходимые в полупроводниковой промышленности, осуществляется воздействием сфокусированного луча лазера непрерывного действия. При этом происходит испарение части ма- Надедение на место сварка Штерна открыта Рис. 89. Схема сварочного квантового генератора: а - сварка; б - настройка генератора перед сваркой териала на поверхности пластины и образуется канавка. В дальнейшем необходимо приложить механическое усилие, и пластины расколются по линиям канавок Аналогичными резке являются процессы подгонки резисторов и обработки интегральных схем. Лазерный луч испаряет части металлической пленки резистора при этом электрическая цепь может находиться под напряжением, что обеспечивает непрерывный контроль сопротивления прибора. Обработку можно производить в атмосфере, в вакууме и различных газах, при этом луч лазера может свободно проникать через стекло, кварц, воздух. Так как квантовый гене ратор на рубине имеет КПД порядка 0,1%, то только 0,001 доля номинальной энергии поджига газоразрядной лампы превращается в энергию луча, генерируемого лазером, которая и подается на свариваемое изделие в виде короткого им- Значительная мощность энергии, развиваемая при очень коротких импульсах обычно приводит к бурному испарению металлов из зоны сварки. Поэтому в квап товых генераторах предусматривается регулировка длительности импульса. Изменяя продолжительность импульса, можно получить менее резкий подъем температуры в месте сварки. В принципиальной схеме квантового генератора имеется устройство, позволяющее изменять продолжительность импульса и формировать его путем включения различных комбинаций емкостей в блоке накопления энергии. Для осуществления сварки необходимо, чтобы импульсы имели максимальную длительность при минимальных интервалах между ними. Однако вследствие низкого КПД квантовых генераторов на рубине большая часть энергии лампы накачки превращается в тепло, вследствие чего эти лампы не могут работать при высокой частоте повторения импульсов, а рубиновый стержень перегревается. Для уменьшения перерывов между импульсами необходимо интенсивно отводить значительное количество тепла, выделяемого при оптической накачке лазера. Частота повторения импульсов и мощность квантового генератора таким образом ограничиваются охлаждающими системами, отводящими тепло, возникающее в квантовых генераторах. Существующие сварочные оптические квантовые генераторы дают возможность получить частоту повторения импульсов от 1 до 100 в минуту. Диаметр площади проплавления, получающейся в результате действия одного импульса луча лазера, составляет десятые доли миллиметра. Поэтому существующие оптические квантовые генераторы пока не могут быть использованы для сварки швов и используются лишь при сварке соединений типа точечной сварки. Отличительной особенностью сварки оптическим лучом является возможность получения плотности энергии того же порядка, что и при использовании электронного луча. При этом способе сварки вследствие отсутствия пространственного заряда упрощается фокусировка луча. Сварку металлов можно производить на воздухе, в защитной атмосфере и в вакууме. Возможность точной дозировки энергии делает этот способ особенно пригодным при сварке микросоединений. Малая длительность термического цикла сварки обеспечивает возможность получения качественного соединения ряда металлов, особо чувствительных к длительному воздействию тепла. Открываются и новые возможности сварки металлов, например сварка через прозрачные оболочки. Перспективной областью применения лазерной сварки является сварка микросоединений. Широкое применение лазерная сварка находит- в радиоэлектронике и электронной технике при сварке контактов проводников с пленками на микроплатах, твердых схемах и микроэлементах. Лазерным лучом можно сваривать самые различные композиции металлов, используемых в микроэлектронике: золото-кремний, германий-золото, никель- тантал, медь-алюминий и др. Возможность получения мощных лазерных лучей открывает перспективу их использования для технологических целей. Луч газового лазера непрерывного действия характеризуется малым поглощением в газах, простотой фокусировки и транспортировки энергии при помощи зеркал в труднодоступные места, однако защита сварочной ванны производится инертным газом. Исходный луч имеет форму кольца, который фокусируется с помощью оптической системы, показанной на рис. 90. система лазера не- Рис. 90. Оптическая прерывного действия / - зеркала; 2 - активная зона; 3 - аэро динамическое окно; 4 - выходящий луч Использование лазеров непрерывного действия на СО2 дает возможность получать сварные соединения стали толщиной до 16 мм. В перспективе имеется возможность увеличения толщины свариваемых изделий и использования их для термообработки и резки металлов. На рис. 91 представлена схема лазерной двух-позиционной установки для сварки и термической обработки изделий. Рис. 91. Схема мощной лазерной установки, разработанной для сварки и термообработки: / - выход луча из газового квантового генератора; 2 - поворотное зеркало; 3 - зеркала; 4 - лучепровод; 5 - система фокусировки для сварки; 6 - система фокусировки для термообработки; 7 - рабочие столы с изделиями Сварка и пайка энергией- лучей оптического диапазона. Большой интерес вызывает применение для сварки и пайки сфокусированной лучистой энергии различных источников, излучающих в оптическом диапазоне частот. Нагрев лучистой энергией обладает некоторыми преимуществами по сравнению с другими способами, а именно возможность термической обработки материалов независимо от их электрических и магнитных свойств; бесконтактным подводом энергии к изделию (причем источник и нагреваемый объект могут располагаться на значительном расстоянии друг от друга); незначительным механическим воздействием на зону нагрева; возможностью передачи энергии через оптически прозрачные оболочки, что позволяет проводить процессы сварки и пайки в контролируемой газовой атмосфере и в вакууме. В установках для сварки и пайки световым лучом можно использовать такие источники излучения, как Солнце, угольная дуга, дуговые газоразрядные лампы и лампы накаливания. Работы, проведенные в МАТИ, показали, что наиболее перспективным и удобным излучателем для технологических целей являются дуговые неоновые лампы сверхвысокого давления. * |
© 2011 - 2024 www.taginvest.ru
Копирование материалов запрещено |