Сварка световым лучем

Создание и развитие квантовой электроники связано с работами лауреатов Ленинской и Нобелевской премий академиков Н. Г. Басова, А. М. Прохорова и ряда других советских и зарубежных ученых.

Квантовые генераторы оптического диапазона позволяют получать интенсивные и остронаправленные пучки света и концентрировать энергию на очень малые площадки, равные тысячным долям миллиметра. Созданное на этом принципе технологическое оборудование позволяет обрабатывать различные материалы, производить сварку и т. п.

В основу принципа действия квантового генератора и усилителя положено индуцированное излучение, связанное с поглощением электромагнитных волн или фотонов атомными системами. При поглощении фотона его энергия передается атому, который переходит в возбужденное квантовое состояние [1, с. 132–143].

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. В этом процессе важно, чтобы испускаемая волна в точности совпадала бы 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 и до 50 МВт в импульсном режиме.

В качестве излучателя используют 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 также быть 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 к. п. д. (15–20%).

В качестве излучателей используют также полупроводниковые монокристаллы: арсениды галия и индия, сплавы кадмия с селеном и серой и др. Генераторы с полупроводниковым излучателем обладают малой массой, экономичны и имеют самый высокий к. п. д. (до 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 теплоту и энергию химических реакций. В зависимости от энергетических параметров системы накачки лазер работает в импульсном или непрерывном режимах.

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% Сr. Розовый кристалл рубина обрабатывают 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 полупрозрачный. Рубиновый стерженек помещают вблизи электронной лампы вспышки, служащей источником широкополосного света для оптической накачки. Энергетическая схема квантового генератора на рубине представлена на рис. 14.1.

В квантовом генераторе на кристалле рубина атомы хрома, находящиеся в основном состоянии I, поглощают фотоны (волнистые стрелки) и переходят на один из вышерасположенных уровней II. Часть энергии они передают кристаллической решетке, вызывая повышение температуры, и переходят при этом в метастабильный уровень III. Затем под действием индуцирующих фотонов, испускаемых другими атомами хрома, они излучают фотоны характеристической длины волны, возвращаясь опять в исходное состояние IV (I).

Лазер на кристалле рубина питается от импульсной лампы. При освещении рубинового стерженька импульсной лампой 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, летают по кристаллу в осевом направлении. Интенсивность пучка растет в результате многократного отражения от обоих торцов стержня. В том случае, если интенсивность света от импульсной лампы превысит некоторый критический уровень, начинает появляться эффект квантового усиления и тогда с полупрозрачного торца рубина в течение тысячных долей секунды выбрасывается интенсивный поток фотонов с длиной волны 6943 Å. Выходной пучок является узконаправленным, мощным, монохроматическим и когерентным.

Излучение узконаправленно вследствие того, что испускаются волны лишь тысячекратно отраженные и не испытавшие сколько-нибудь существенного отклонения от оси прибора. Это излучение мощное, так как индуцированное излучение возбужденных атомов происходит гораздо раньше, чем спонтанное.

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 атомом. Эти предпочтительные частоты возбуждают, в свою очередь, излучение на той же частоте, так что волна в квантовом генераторе содержит чрезвычайно узкий интервал частот или 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 (рис. 14.2, а).

Монохроматический световой луч лазера состоит из электромагнитных волн одной длины и поэтому такой луч фокусируется в очень малом объеме, практически в точке (рис. 14.2, б). Плотность энергии светового луча в фокусе линзы

ρ = Е/V, (14.1)

где ρ – плотность энергии; Е — энергия луча; V — объем фокуса.

Так как 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 10⁷–10⁸ Вт/см². Продолжительность импульса мала и составляет 10^–9 с.

К. п. д. квантовых генераторов на рубине невелик и составляет 0,1%. Несмотря на низкий к. п. д. оптических квантовых генераторов на рубине генераторы этого типа находят практическое применение при сварке (рис. 14.3, а).

Сварочная установка представляет собой комплекс оптико-механических и электрических элементов, основным элементом которого является оптический квантовый генератор на рубиновом кристалле. Установка состоит из генератора, блока питания, стола с конденсаторами и стереоскопического микроскопа. Генератор предназначен для преобразования энергии, запасенной в блоке конденсаторов в узконаправленный, монохроматический, когерентный световой пучок.

Основной узел генератора – осветительная камера 1, внутри которой вставлен кристалл рубина 2. В камере параллельно кристаллу установлена импульсная лампа 5, на концы которой подводится высокое напряжение»

Внутренняя поверхность камеры отполирована и служит 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 3, линзы и сменного объектива 4. 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 8, призмы 7 и конденсорной линзы 6. Луч света от осветителя проходит через рубин и оптическую систему генератора, имитируя прохождение излучения от кристалла (рис. 14.3, 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 10, 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 – наиболее распространенная технологическая операция. Лазером можно разрезать стекла, керамики, алмазы, металлы и др. При резке используют лазеры непрерывного действия, обладающие большими энергиями излучения в инфракрасном диапазоне (длина волны 10,6 мкм). Резку кремниевых и германиевых пластин на отдельные элементы, необходимые полупроводниковой промышленности, осуществляют воздействием сфокусированного луча лазера непрерывного действия. При этом происходит испарение части материала на поверхности пластины и образуется канавка. В дальнейшем необходимо приложить механическое усилие и пластины раскалятся по линиям канавок.

Аналогичны, резке 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. Обрабатывать можно в атмосфере, вакууме и в различных газах. При этом луч лазера свободно проникает через стекло, кварц, воздух.

Квантовый генератор на рубине установки К-ЗМ имеет к. п. д. порядка 0,1% (рис. 14.4). В связи с этим только 0,001 доля номинальной энергии поджига газоразрядной лампы превращается в энергию луча, генерируемого лазером, которая и подается на свариваемое изделие в виде короткого импульса. Значительная мощность энергии, развиваемая при очень коротких импульсах, обычно приводит к бурному испарению металлов из зоны сварки. Поэтому в квантовых генераторах предусмотрена регулировка длительности импульса, благодаря чему можно получить менее резкий подъем температуры в месте сварки. В принципиальной схеме квантового генератора имеется устройство, позволяющее формировать импульс и изменять его продолжительность путем включения различных комбинаций и емкостей в блоке накопления энергии.

Для сварки необходимо, чтобы импульсы имели максимальную длительность при минимальных интервалах между ними. Однако вследствие низкого к. п. д. квантовых генераторов на рубине большая часть энергии лампы накачки превращается в теплоту, вследствие чего лампы накачки не могут работать при высокой частоте повторения импульсов, а рубиновый стержень перегревается. Для уменьшения перерывов между импульсами необходимо интенсивно отводить значительное количество теплоты, выделяемой при оптической накачке лазера. Частота повторения импульсов и мощность квантового генератора, таким образом, ограничиваются охлаждающими системами, отводящими теплоту, возникающую в квантовых генераторах.

Существующие сварочные оптические квантовые генераторы дают возможность получить частоту повторения импульсов от 1 до 100 в 1 мин. Диаметр площади проплавления, получающейся в результате действия одного импульса луча лазера, составляет десятые доли миллиметра. Поэтому генераторы пока используют лишь для получения точечных соединений.

Квантовые генераторы вследствие относительно низкой частоты повторения импульсов и относительно небольшой мощности пока не могут соперничать с электроннолучевой сваркой, обеспечивающей швы с глубоким «кинжальным» проплавлением на больших толщинах.

При сварке оптическим лучом можно получить плотности энергии того же порядка, что и при использовании электронного луча. Вследствие отсутствия пространственного заряда упрощается фокусировка оптического луча. Этот способ более универсальный, так как металлы можно сваривать на воздухе, в защитной атмосфере и в вакууме.

Возможность точной дозировки энергии делает этот метод особенно пригодным при сварке микроскопических соединений. Малая длительность термического цикла сварки обеспечивает возможность получения качественного соединения на ряде металлов, особо чувствительных к длительному воздействию теплоты. Открываются и новые возможности, неизвестные при существующих методах сварки, например, возможность сварки через прозрачные оболочки, так как для световых лучей прозрачные среды не служат преградами.

Перспективно для лазерной сварки получение микроскопических соединений. Широкое применение лазерная сварка находит в радиоэлектронике и электронной технике при соединении контактов проводников с пленками на микроскопических платах, 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. Необходимо также отметить интересную область использования лазеров – лечение глазных болезней: приваривание отслоившейся сетчатки, лечение глаукомы и др.

Большой интерес для сварки и пайки вызывает применение сфокусированной лучистой энергии различных источников, излучающих энергию в оптическом диапазоне частот.

Нагрев лучистой энергией имеет некоторые преимущества по сравнению с другими способами, а именно:

– возможность термической обработки материалов независимо от их электрических и магнитных свойств;

– бесконтактного подвода энергии к изделию (причем источник и нагреваемый объект могут быть расположены на значительном расстоянии друг от друга);

– незначительного механического воздействия на зону нагрева;

– 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 перспективные и удобные излучатели для технологических целей – дуговые ксеноновые лампы сверхвысокого давления.

Отечественная промышленность серийно выпускает дуговые ксеноновые лампы следующих типов: а) с воздушным охлаждением: ДКСШ-500 мощностью 0,5 кВт; ДКСШ-1000М – 1 кВт; ДКСШ-3000 – 3 кВт; б) с комбинированным водяным и воздушным охлаждением: ДКСР-3000 мощностью 3 кВт; ДКСР-5000 – 5 кВт; ДКСР-10000 – 10 кВт.

Дуговая ксеноновая лампа представляет собой шаровой баллон из оптически прозрачного кварца с помещенными в него двумя вольфрамовыми электродами. Давление ксенона в лампе в нерабочем состоянии достигает 10 атмосфер.

Электропитание ксеноновых ламп осуществляется от источников постоянного тока с напряжением холостого хода не ниже 70 В и падающей характеристикой, например ИПП-500В. Лампы могут работать в непрерывном режиме в течение сотен часов.

Создан ряд специализированных экспериментальных установок для сварки и пайки сфокусированной лучистой энергией ксеноновых ламп мощностью 0,5–10 кВт. В этих установках излучение ксеноновой лампы фокусируется на изделие с помощью эллипсоидного отражателя. С целью увеличения плотности энергии в пятне нагрева используют дополнительную линзовую оптику (рис. 14.5, а и б).

Экспериментально установлено, что оптический источник теплоты является нормально-круговым и по плотности энергии в пятне нагрева занимает промежуточное положение между газовым пламенем и электрической дугой, а по сосредоточенности близок или превосходит поверхностные металлические дуги.

В рабочем пятне установки УСПЭЛ-1-МАТИ с ксеноновой лампой ДКСР-10000 максимальная плотность лучистого потока составляет 2600 Вт/см². Лучистый поток такой плотности достаточен для плавления молибдена. К. п. д. установок зависит от оптической системы и типа лампы и составляет 10–20%.

Ввиду сравнительно низкой эффективной мощности оптический источник теплоты целесообразно использовать для сварки металлов малых толщин. Исследования по сварке коррозионностойких сталей и титановых сплавов показали возможность получения качественных соединений на листовом металле толщиной 0,1–2 мм. При этом обеспечивается вакуумная плотность и прочность не ниже 90% прочности основного материала. Скорость сварки листов толщиной 0,5 мм составляет 10–15 м/ч.

Лучшие перспективы использования оптический источник теплоты имеет применительно к процессам пайки.

Широкие пределы регулирования энергетических параметров позволяют использовать оптический источник для пайки практически любыми из существующих припоев, начиная от оловянно-свинцовых и заканчивая тугоплавкими на основе никеля и титана,

Оптический источник позволяет сваривать также и неметаллические материалы, такие как стекло, керамику, пластмассы.

Успешно осуществлен процесс сварки шлакового стекла, применение которого имеет большое народнохозяйственное значение. Оптический источник теплоты можно использовать также для локальной термообработки сварных соединений.