Файл: Применения лазеров..pdf

ПРИМЕНЕНИЕ ЛАЗЕРОВ ДЛЯ РАЗМЕРНОЙ О БРАБО ТКИ И СВАРКИ

Л. А. Вивер1)

1.ВВЕДЕНИЕ

Споявлением лазеров в начале 60-х годов предсказы­ валось наступление новой эры в науке и технике. Эти на­ дежды в последующем оправдались, хотя первый этап раз­ работки лазеров сопровождался заметным разочарованием: ожидаемое наступление новой эры отодвигалось. Так, на­ пример, импульсный рубиновый лазер был разрекламиро­ ван как средство для пробивания отверстий в любом материале: его импульсная энергия оценивалась числом лез­ вий безопасной бритвы, которые можно пробить сфокуси­ рованным лучом. Когда же оказалось, что лазеры не обес­

печивают высокую среднюю мощность, они были отвер­ гнуты как перспективное средство размерной обработки, за исключением таких деликатных операций, как пробив­ ка малых отверстий и точечная сварка [36].

Первые газовые лазеры (на смеси гелия и неона или на ксеноне) обеспечивали средние мощности менее 1 мВт и поэтому даже не допускалась мысль о возможности их применения для обработки материалов.

В последующие годы научные открытия и прогресс в технологии позволили пересмотреть эту негативную оценку роли лазеров в обработке материалов. Современные импуль­ сные твердотельные лазеры обеспечивают пиковую мощ­ ность свыше 1013 Вт [33] и мощность в непрерывном режи­ ме около 1100 Вт [64].

Появилось совершенно новое направление в технике газо­ вых лазеров, позволившее получить мощность в непрерыв­ ном режиме до 60 кВт [32]. Но, несмотря на эти успехи и выпуск надежного технологического оборудования, многие

1) Lelland А. Weaver, Westinghouse Research Laboratories Chur­ chill Borough, Pittsburgh, Pennsylvania,

заблуждения, порожденные на раннем этапе развития ла­ зерной технологии, еще существуют.

Непрерывные и импульсные лазеры могут конкурировать по экономическим показателям с традиционными средства­ ми обработки материалов и в настоящее время используют­ ся на многих операциях в промышленности [8,23,31, 581 .

Из нескольких сотен разработанных к настоящему времени лазерных систем лишь небольшая часть исполь­ зуется в промышленности или в лабораторных исследо­ ваниях. Применение лазеров для размерной обработки и сварки оказывается возможным, начиная с некоторой ми­ нимальной мощности в непрерывном или импульсном ре­ жиме. Этим требованиям удовлетворяют примерно пять лазерных систем: с оптической накачкой — рубин, стекло

сNd3+ и иттрий-алюминиевый гранат с Nd3+ (ИАГ—Nd3+),

атакже мощные газовые лазеры на АгІ I и С02*2>. Эти лазеры выпускаются промышленностью и непрерывно совершен­ ствуются. Их принцип действия и устройство описаны в разд. 2 и 3; там же приводятся сведения о последних дости­

жениях в разработке лазеров с высокой мощностью в не­ прерывном режиме (ИАГ-лазер с накачкой мощными дуго­ выми криптоновыми лампами, С02-лазер с быстрой попе­ речной прокачкой газа и A ril-лазер с разрядной трубкой большого диаметра). Полупроводниковые и жидкостные лазеры не рассматриваются, так как их средняя мощность пока мала.

Физические явления при размерной обработке материа­ лов и сварке лазерным лучом связаны главным образом с тепловыми процессами. Следовательно, значительная часть этих явлений была исследована и использовалась задолго до изобретения лазера. Однако уникальные свойства ла­ зера как «теплового» источника отличают лазерную тех­ нологию от ее предшественниц; это прежде всего исключи­ тельно высокие плотности импульсной мощности, очень малые размеры пятна в фокальной плоскости и точность, с

Ч Более полный перечень сведений по промышленному приме­ нению лазеров приведен в приложении 3,— Прим. ред.

2) Количество газовых лазерных систем, пригодных для исполь­ зования в промышленных лазерных технологических установках, сейчас значительно больше: импульсные Хе- и М2-лазеры, СО-ла- зеры и др .— Прим. ред.

которой можно контролировать интенсивность, длитель­ ность и положение лазерного луча.

Применение физических явлений, возникающих при взаимодействии излучения с веществом (разд. 4), часто оказывается более эффективным при использовании лазе­ ров, чем каких-либо других источников. Кроме того, рас­ ширяется круг обрабатываемых материалов. В качестве примера рассмотрим разработанные в последние годы два технологических процесса: газолазерную резку (ГЛР) ме­ таллов С02-лазером, обеспечивающую минимальную зону термического влияния, и термораскалывание хрупких ма­ териалов С02-лазером. Примеры специфического исполь­ зования лазеров для размерной обработки и сварки под­ робно рассмотрены в работах [23, 311 и поэтому здесь не приведены.

В разд. 5 внимание уделено общим свойствам промыш­ ленных материалов, обычно обрабатываемых с помощью лазерного луча, а также некоторым физическим моделям и параметрам, используемым при изучении взаимодействия излучения высокой плотности с веществом. Естественно, что такие явления, как поглощение света ловушками, об­ разование оксидных пленок и плазменного факела суще­ ственно влияют на процесс взаимодействия, и результаты, полученные при малых плотностях мощности излучения, нельзя легко экстраполировать на взаимодействие излу­ чения с веществом при высокой плотности мощности.

Наши познания в области лазеров и взаимодействия их излучения с веществом быстро расширяются, однако пред­ стоит проделать еще большую работу, прежде чем удастся в полной мере реализовать потенциальные возможности лазеров для обработки различных материалов.2

2. ГАЗОЛАЗЕРНЫЕ СИСТЕМЫ С ВЫСОКОЙ МОЩНОСТЬЮ ИЗЛУЧЕНИЯ

Лазеры, в которых в качестве активной среды исполь­ зуется возбужденный электрическим разрядом газ, обес­ печивают в настоящее время наиболее высокие к. п. д. и мощности в непрерывном режиме. Это прежде всего объ­ ясняется тем, что разряд в газе при низком давлении можно создать в сравнительно больших объемах без ущерба для

лазерных характеристик. Газоразрядная плазма является оптически однородной средой, имеет незначительные потери для лазерного излучения, даже когда длина оптического пути равна нескольким метрам и обеспечивает во многих случаях высокое усиление при большой плотности мощ­ ности.

Были разработаны лазеры с большой длиной резонатора (наиболее мощный (9 кВт) многотрубный лазер имел длину разряда 190 м [42]). В отличие от твердотельных лазеров газовые лазеры не имеют заметных оптических неоднород­ ностей в резонаторе при высоких тепловых нагрузках и из­ быточное тепло может отводиться путем непрерывной про­ качки газа. Прокачка также позволяет удалять нежелатель­ ные продукты разложения газа, возникающие при высоких уровнях возбуждения. Следовательно, именно газовые ла­ зеры обладают характеристиками, позволяющими получить в непрерывном режиме высокие уровни мощности (свыше

1кВт).

Взависимости от природы активных частиц можно вы­ делить три основные группы газовых лазеров. Наиболее известна группа лазеров, в которых инверсия осущест­ вляется между возбужденными уровнями атомов или моле­ кул нейтрального газа. Было найдено большое число та­ ких лазерных систем [5, 11], но наиболее широко известен

Не — Ne-лазер. Красная линия излучения неона %= = 632,8 нм оказалась очень удобной для всевозможных юстировок. Стоимость этих лазеров не превышает 100 долл. Были получены сотни различных линий излучения лазеров в диапазоне от вакуумного ультрафиолета до далекой ин­ фракрасной области спектра. Газовые лазеры обеспечивают наиболее широкие возможности в выборе линий генерации.

Типичный уровень мощности для лазеров на нейтраль­ ном газе составляет менее 100 мВт, поэтому эти лазеры ма­ лопригодны для технологических целей.

К другой большой группе можно отнести лазеры, в которых используются лазерные переходы между колеба­ тельно-вращательными уровнями молекул нейтрального газа. Эти лазеры имеют большой к. п. д. в непрерывном режиме и их мощность излучения в инфракрасной области спектра значительно выше нескольких ватт. С02-лазер [52, 53] является наиболее характерным представителем