Световые источники нагрева

К таким источникам относятся источники теплоты, использующие энергию лазеров, солнечную, а также энергию искусственных источников света.

Наибольшее распространение получила сварка с помощью оптических квантовых генераторов — лазеров, как с твердотельными активными элементами (стержни из алюмоиттриевого граната, рубина, стекла с неодимом и т. д.), так и газовых, где активным элементом является столб газовой смеси (С0₂, азот и т. д.).

Твердотельные лазеры работают в импульсном режиме (частота от 1 до 300 Гц), газовые обеспечивают непрерывное излучение, что достигается лучшими условиями охлаждения активного элемента. Принцип работы оптических квантовых генераторов заключается в возбуждении атомов (ионов) активного элемента с помощью внешнего источника энергии, например импульсной лампы большой мощности у твердотельных лазеров, при этом часть электронов этих атомов переходит на более высокий энергетический уровень. Возникающая перенаселенность верхних энергетических уровней приводит атомы в неустойчивое, неравновесное состояние. Последующий спонтанный переход электронов на нижние энергетические уровни сопровождается испусканием строго определенной длиной волны кванта света (фотона), способного вызвать вынужденный (индуцированный) переход электронов других атомов с верхних, перенаселенных, на нижние энергетические уровни.

Испускаемые новые фотоны вызывают нарастание индуцированных переходов и приводят к возникновению лавинообразного потока фотонов, т. е. генератор испускает световой луч большой интенсивности.

На рис. 2.9, а показана схема газового электроразрядного лазера с продольной прокачкой газа. Вывод луча осуществляется через полупрозрачное зеркало резонатора 2. Затем луч фокусируется с помощью линз до диаметра 1 мм. Возбуждение молекул газовой смеси происходит в кольцевом электроде 1. Недостатком указанной схемы является необходимость иметь длинную разрядную трубку, если нужна большая мощность лазера.

В настоящее время наибольшая мощность (порядка 100 кВт по данным США) достигается у газодинамических лазеров, использующих смесь из С0₂ (7,5%), N₂ (91,3%) и Н₂0 (1,2%). Разогретая до температуры 1000—3000 К смесь газов находится под давлением 981 ГПа в камере 3 (рис. 2.9, б), затем проходит со сверхзвуковой скоростью через сопло Лаваля 4 в камеру 5, где происходит ее охлаждение до Т ~ 300 К благодаря адиабатическому расширению газа. Возбужденные молекулы С0₂ при охлаждении переходят на более низкий энергетический уровень, испуская когерентное излучение.

Рис. 2.9. Схемы газовых (С0₂) лазеров Излучение лазера, сфокусированное специальными оптическими устройствами, может выделять на поверхности металла большое количество тепла. Часть этого тепла в виде квантов света поглощается электронами проводимости металла. Они передают свою энергию кристаллическим решеткам. Этот процесс происходит в слое толщиной от 1СН до 10~² мкм. Нагрев последующих слоев осуществляется вследствие теплопроводности. Особенностью светового нагрева является отражение части энергии поверхностью металла. Потери от отражения могут достигать значительной величины. Так, при плотности энергии 50 000 кДж/м² медь отражает 83%, алюминий 66% и железо 40% всей энергии. Степень отражения зависит от состояния поверхности свариваемого металла. Нанесение специальной поглощающей пленки повышает КПД процесса. Исследования показывают, что минимальное отражение совпадает с максимумом мощности светового импульса (рис. 2.10).

Рис. 2.10. Характер изменения отражательной способности R за время одного импульса t в зависимости от изменения его мощности q.

В первый период, когда нагрев лучом еще не изменил поверхности металла, отражение луча большое. После испарения части металла, появления шероховатостей на его поверхности, вызванных действием переднего фронта светового импульса, отражение уменьшается. Поэтому для повышения эффективности нагрева следует с помощью специального лазера подавать два чередующихся различных по мощности импульса или использовать наложение излучения лазера импульсного и непрерывного действия. В таком случае можно сформировать импульс, мощность в котором изменяется, как это показано на рис. 2.11. Первая часть импульса несет высокую плотность энергии А, обеспечивая нагрев при меньшем коэффициенте отражения, вторая часть — основную долю энергии, необходимую для расплавления. Луч этот менее сфокусирован, но отражение его будет уменьшено вследствие ухудшения отражательной способности металла первым импульсом.

Рис. 2.11. Изменение мощности излучения А в течении двух последовательных импульсов Световые источники нагрева, использующие солнечную энергию или энергию искусственных источников света ксеноновых или кварцевых ламп, по своей физической сущности мало отличаются от лазерных, хотя некоторые их параметры, и прежде всего малая удельная тепловая мощность, снижают эффективность указанных источников тепла. Сведения об этих источниках нагрева, а также о нагреве газовым пламенем и электрошлаковом будут изложены при рассмотрении соответствующих методов сварки.

В табл. 2.2 приведены данные по тепловой концентрации для ряда источников теплоты. На основании их можно сделать вывод о том, что в настоящее время можно достичь минимального тепловложения в металл при термической сварке, применяя световой (лазерная сварка) и электронный луч.

Дуговая сварка выполняется неплавящимся и плавящимся металлическими электродами.

Таблица 2.2

Энергетические характеристики сварочных источников теплоты.