ПРЕДИСЛОВИЕ
С самых первых дней своего появления лазерные приборы вызвали живейший и широкий интерес со стороны науки, техники и промышленности. Сферы их применения самые различные. Это обработка материалов, связь, хранение информации, мониторинг окружающей среды, системы слежения, измерения расстояний, контроль химического состава веществ, всевозможные селективные технологии, фотохимия, медицина, косметология.
Сначала они использовались как источник когерентного светового излучения, затем как технологический инструмент, применимый в самых разных областях обработки материалов. Требования промышленности, в свою очередь, оказывали существенное влияние на разрабатываемое лазерное оборудование. Оно становилось надежнее, компактнее, дешевле. Растущие потребности современного производства вызвали бурное развитие лазерной техники.
Темпы развития и применения лазеров характеризуются стабильным ростом объема продаж на рынке лазерного оборудования, составляющим около 20% ежегодно. Этот рост связан не только с количественным увеличением, а и с ростом числа задач, которые можно решать с помощью лазерной техники и технологии. Наряду с развитием лазерной техники с каждым годом растут требования к качеству обработки, надежности оборудования, скорости управления.
Значительную часть этого рынка занимают лазеры и лазерное оборудование, предназначенные для технологий обработки материалов, таких, как резка, сварка, поверхностное термоупрочнение, поверхностное легирование, наплавка. Лазерная обработка обладает рядом существенных преимуществ перед другими способами воздействия на материалы. Эти преимущества обусловлены физическими свойствами лазерного излуче-
ния, позволяющими сконцентрировать мощность до нескольких десятков киловатт в пятно диаметром в десятые доли миллиметра и в ряде важных случаев обрабатывать материал на небольшие глубины.
При такой плотности мощности практически любое вещество подвергается физическим и химическим изменениям: происходят фазовые изменения, вещество плавится, горит, испаряется, разлагается и т. д. При этом диэлектрические материалы, такие, как дерево, пластики, резина прорезаются на глубину в десятки миллиметров при ширине реза 0,1 — 0,7 мм.
На металлах наблюдается либо глубокое проплавление, либо, если в зону обработки подавать струю газа, выдувающую расплавленный металл, прорезание с шириной реза около 0,2 мм. Содержание в подаваемой струе кислорода способствует прорезанию металлов на большую глубину за счет горения расплавленного металла.
При некотором уменьшении плотности мощности излучения на поверхности материала возможны процессы поверхностного термоупрочнения и легирования (переплавка на поверхности металла с металлом, обладающим другими физическими или химическими свойствами).
Из-за высокой плотности мощности излучения процессы лазерной обработки можно производить с большими скоростями, лежащими в диапазоне от десятков до сотен миллиметров в секунду, тем самым уменьшая зону термического воздействия на обрабатываемый материал.
Таким образом, лазер стал универсальным технологическим инструментом, позволяющим с высокой производительностью осуществлять резку различных материалов, сварку металлов, поверхностное упрочнение, восстановление изношенных деталей машин и механизмов. Программно управляемый лазерный комплекс может с успехом заменить сложное штамповочное оборудование для вырубки различных фигурных
7
изделий из листовых материалов. Переналадка с одного типа изделия на другой заключается просто в смене программы.
Лазерные технологии послойного синтеза из листовых материалов, пластиковых порошков, из жидкой фазы позволяют создавать трехмерные изделия по их компьютерной модели. Эти технологии существенно повышают качество изделий и уменьшают сроки изготовления в литейном производстве (литье по выплавляемым моделям), используются в трансплантационной и косметической хирургии, при создании копий археологических объектов и др.
Лазерный послойный синтез из металлических порошков позволяет получить монолитные металлические изделия с заданными механическими и прочностными свойствами.
Таким образом, спектр применения лазеров в промышленности необычайно широк, и с каждым годом возникают новые технологии с использованием лазерного излучения.
Если принять во внимание малый размер зоны лучевого воздействия, становится очевидным, что лазерные технологии обладают высокой точностью обработки, и для ее реализации управление перемещением лазерного излучения по объекту необходимо проводить с помощью автоматизированного оборудования, управляемого от компьютера. Поэтому лазеры в большинстве случаев поставляются потребителю в составе технологических комплексов, предназначенных для выполнения определенного класса операций. Лазеры, используемые в технологических комплексах, должны удовлетворять целому ряду требований, таких как управляемость, надежность, высокий КПД, стабильность параметров излучения, ремонтопригодность, небольшие габариты, малые эксплуатационные расходы, экологическая безопасность, соответствие санитарно-гигиеническим нормам.
8
В технологических процессах обработки материалов в основном применяются лазеры двух больших классов: газовые и твердотельные. Такое разделение обусловлено фазовым состоянием активной среды, в которой происходит генерация лазерного излучения. И тот и другой типы лазеров имеют свои преимущества и недостатки. При генерации большой мощности в твердотельных лазерах возникают проблемы с охлаждением активного элемента, ухудшением качества излучения из-за температурных градиентов плотности активной среды. Газовые лазеры имеют относительно большие габаритные размеры из-за наличия вспомогательных систем напуска газа, обмена газовой смеси, ее быстрой прокачки по замкнутому контуру, но превосходят твердотельные по качеству излучения,
В диапазоне мощностей свыше 1 кВт лидирующее положение занимают газовые лазеры на СОг- Несмотря на существенный прогресс твердотельных лазеров, связанный с заменой ламповой накачки на высокоэффективную диодную, лазеры на углекислом газе имеют ценовое преимущество, выигрывают по максимальной выходной мощности, качеству излучения. Длина волны излучения, лежащая в дальней инфракрасной области, позволяет обрабатывать прозрачные материалы, плохо поддающиеся воздействию излучения лазеров, работающих в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах.
При работе лазера в рабочем объеме выделяется энергия, что приводит к нагреву и изменению физических свойств активной среды. Так, например, в СО2-лазерах мощность генерации лазерного излучения падает при температуре свыше 500°К. Поэтому выделяющуюся энергию необходимо эффективно удалять. В газовых лазерах существуют два принципиально различных способа охлаждения рабочей смеси: диффузионный и конвективный. Диффузионное охлаждение обеспечивается за счет отвода тепла через охлаждаемые стенки разрядной камеры. Конвективное осуще-
ствляется при помощи быстрого протока лазерной смеси через разрядную камеру.
Диффузионное охлаждение проще осуществить технически, но эффективность его не очень велика и ограничивается невысокой теплопроводностью лазерной смеси. Так при традиционном варианте выполнения камеры лазера в виде водоохлаждаемой диэлектрической трубки удается снять до 100 Вт лазерной мощности с метра длины. Поэтому лазеры с мощностями в несколько киловатт получаются громоздкими и с очень сложными оптическими резонаторами.
Существенно улучшает ситуацию с охлаждением использование плоских разрядных камер с металлическими стенками и разрядным промежутком единицы миллиметров. Это так называемые щелевые или slab-лазеры с ВЧ накачкой. Принципиальным недостатком этих лазеров является различное качество выходного излучения по высоте и ширине разрядной камеры. Такой не осесимметричный луч требует сложной оптической системы, состоящей из нескольких зеркал специальной формы, для его дальнейшего использования в технологических операциях. Даже после сложных оптических преобразований при мощностях излучения, достигающих нескольких киловатт, фирмы-производители рекомендуют использование таких лазеров в основном на операциях сварки и поверхностной обработки, где не требуется высокое качество выходного излучения.
Самые лучшие показатели по мощности и качеству лазерного излучения удается достичь в лазерах с конвективным охлаждением с быстрым протоком газа через разрядную камеру.
Вклад энергии в активную среду в ССЬ-лазерах осуществляется как правило электрическим разрядом. Наряду с этим существуют другие способы вклада энергии, например, с помощью радиоактивного излучения, но они не нашли широкого применения.
10
Для получения высококачественного лазерного излучения большой мощности и высокого КПД лазера необходимо организовать однородный тлеющий разряд в больших объемах активной среды.
Самый простой способ - использование самостоятельного тлеющего разряда - обладает рядом существенных недостатков. Прежде всего, это сравнительно низкие давления рабочей смеси в лазере, ограниченные областью устойчивого горения разряда, обязательное применение балластных резисторов, снижающих КПД, либо специальных дорогостоящих источников питания, оптические неоднородности вблизи электродов, ограниченная возможность изменения мощности, вкладываемой в разряд, а значит, и мощности выходного излучения. Для организации разряда в больших объемах необходимо использование большого количества достаточно сложных электродов с балластными резисторами для предотвращения контракции.
От многих из этих недостатков можно избавиться, используя несамостоятельный разряд, где функции рождения электронов и вклада энергии разделены между собой.
Рекордные показатели среди несамостоятельных разрядов демонстрирует разряд с ионизацией электронным пучком. Высокая однородность в больших объемах, большой диапазон рабочих давлений, выходная мощность в несколько десятков киловатт являются его несомненными преимуществами. Но такому типу разряда свойственны и существенные недостатки. Разделительная фольга электронной пушки имеет ограниченный и непредсказуемый ресурс, электронный пучок с высокой энергией вызывает быструю деградацию лазерной смеси. Электронная пушка требует серьезной защиты персонала от рентгеновского излучения, например, размещения лазера в комнате со свинцовыми стенами. Поэтому лазеры с ионизацией электронным пучком не стали технологическими.
11
Использование различных типов несамостоятельных комбинированных разрядов позволяет частично избавиться от недостатков самостоятельного разряда. Так, подача импульсного напряжения на электроды через разделительные конденсаторы позволяет существенно уменьшить величину балластных резисторов, но не избавляет от большого количества электродов и приэлектродных неоднородностей разряда.
Разряды с ВЧ накачкой и разряды переменного тока, которые иногда относят к несамостоятельным разрядам (на пике происходит ионизация, а в остальную часть периода - вклад энергии), хотя и позволяют получить высокую однородность разряда, требуют использования специальных мощных генераторов, снижающих общий КПД и усложняющих конструкцию. При этом, например, мощные ВЧ генераторы имеют габариты, существенно превышающие размер самого лазерного излучателя. Кроме того, такие типы разрядов предъявляют высокие требования к диэлектрическим материалам камеры, через которые происходит вклад энергии в активную среду. Неоднородности, а также включения посторонних примесей могут привести к локальному разрушению и электрическому пробою.
Краткий анализ состояния лазерной техники и лазерных технологий показывает, что в мире до сих пор нет быстро управляемых дешевых мощных лазеров с качественным излучением, обладающих при этом высоким КПД, надежностью, экономичностью и имеющих небольшие габариты.
Таким образом, несмотря на многообразие конструктивных решений и используемых способов вклада энергии в разряд, все они, наряду с неоспоримыми достоинствами, обладают некоторыми существенными недостатками, которые ограничивают их использование в различных приложениях, в особенности в промышленности.
12
В данной работе была поставлена задача разработать физические основы создания мощных быстро управляемых экономичных технологических СО2-лазеров на базе несамостоятельного тлеющего разряда с импульсной емкостной предыонизацией, свободных от большинства недостатков существующих типов лазеров и сочетающих в себе их достоинства. Практическим результатом решения этой задачи должно стать создание серии технологических лазеров на основе несамостоятельного тлеющего разряда с импульсной емкостной предыонизацией, полностью соответствующих требованиям современной промышленности.
В решение этой задачи вошли вопросы исследования: а) влияния размеров разрядной камеры, формы и количества электродов на параметры разряда и лазерного излучения; б) импульсного емкостного разряда предыонизации и его характеристик: тока, напряжения на плазме, концентрации электронов; в) физических принципов быстрого управления мощностью лазерного излучения и реализации импульсного режима генерации; г) распределения потенциала несамостоятельного разряда в объеме камеры и в приэлектродных областях; д) процессов гибели электронов в несамостоятельном тлеющем разряде после импульсного разряда предыонизации; е) влияния на энерговклад в несамостоятельный тлеющий разряд параметров газовой среды (состава, давления, скорости, турбулентности) и емкостного разряда предыонизации; ж) спектральных характеристик излучения лазера; з) изменения состава лазерной смеси в условиях замкнутого газового цикла; и) технологических возможностей лазеров с несамостоятельным тлеющим разрядом с импульсной емкостной предыонизацией; к) управляемости, устойчивости, надежности работы лазера. Некоторые из этих проблем были поставлены и решены в докторской диссертации Н. А. Генералова [1]. Однако в подавляющем большинстве своем они поставлены и решены в этой работе впервые. В результате этого в диссертационной работе были предложены научно обоснованные технические и
13
технологические решения, внедрение которых вносит значительный вклад в ускорение научно-технического прогресса в области лазерной техники, технологических лазеров и лазерных технологий: появился новый класс технологических лазеров с несамостоятельным тлеющим разрядом с импульсной емкостной предыонизацией в быстром потоке газа.
Для решения этих задач были созданы уникальные экспериментальные установки и разработаны методики исследования, позволившие получить новые результаты по широкому кругу вопросов.
На основе полученных данных был разработан, создан и введен в эксплуатацию технологический СОг-лазер «Лантан-2», серийный выпуск которого совместно с ВНИИЭСО был налажен на предприятиях Минэлек-тротехпрома. Затем в продолжение данной работы на его основе был разработан полностью автоматизированный моноблочный технологический лазер «Лантан-3», который также серийно выпускался на НПО «Ротор», г. Черкассы, и на Ижевском механическом заводе. Этот лазер и в настоящее время находится на уровне лучших мировых образцов лазерной техники, а по некоторым параметрам и превосходит их.
Для оценки технологических возможностей этих лазеров на них были проведены эксперименты по резке и сварке металлов, поверхностному легированию, резке диэлектриков, лазерной обработке полупроводниковых материалов, получению нитей с высокотемпературной сверхпроводимостью (ВТСП). Были спроектированы и созданы опытные образцы лазерных технологических комплексов для резки металлов и диэлектрических материалов, для которых разработано специализированное математическое обеспечение. Проведенные эксперименты показали широчайшие технологические возможности лазеров с несамостоятельным тлеющим разрядом, поддерживаемым импульсной емкостной предыонизацией, их универсальность, высокую надежность и качество.
14
Диссертация состоит из предисловия, трех глав, двух приложений и заключения.
Содержание диссертации является органически единым. Технологический лазер, физические принципы создания и разработки которого описаны в трех первых главах, является основой для создания технологических комплексов и разработки технологий, приведенных в Приложении 1. В Приложении 2 приведено описание математического обеспечения для подготовки файлов к лазерной резке на технологических комплексах, описанных в Приложении 1.
В Главе 1 рассматриваются описанные в литературе способы организации однородного тлеющего разряда в рабочих камерах СОг-лазеров для получения лазерного излучения, используемого в процессах обработки материалов. Описываются лазеры с диффузионным охлаждением, их основные достоинства и недостатки, лазеры с конвективным охлаждением с быстрым протоком газа. Приводятся примеры использования различных типов разрядов для возбуждения активной среды мощных СО2-лазеров: самостоятельный разряд постоянного тока, высокочастотный емкостной разряд, разряд переменного тока, а также различные типы несамостоятельных разрядов.
Глава 2 посвящена экспериментальному исследованию несамостоятельного тлеющего разряда с импульсной емкостной предыонизацией в быстром потоке газа. Рассмотрены электрические характеристики как несамостоятельного тлеющего разряда постоянного тока, так и импульсного емкостного разряда предыонизации, распад плазмы тлеющего разряда между импульсами предыонизации. Кроме того, исследованы спектральные и временные характеристики лазерного излучения, рассмотрены методы быстрого управления выходной мощностью лазеров, изменение химического состава смеси при работе лазера в условиях замкнутого газового контура.
15
В Главе 3 приводятся описание технологических лазеров серии «Лантан», особенности их устройства, электрические схемы и технические характеристики. Рассматриваются возможности дальнейшего совершенствования метода импульсной емкостной предыонизации.
В разделе «Результаты и выводы» приведены основные экспериментальные и теоретические результаты, проведён анализ уровня полученных данных и отмечена их практическая и научная ценность.
Приложение 1 посвящается лазерным технологическим комплексам, разработанным на основе лазеров с импульсной емкостной предыониза-цией и некоторых технологий, реализованных с их помощью.
В Приложении 2 описан комплекс программного обеспечения, разработанный для предварительной подготовки файлов для процессов лазерной резки и для управления лазерным технологическим оборудованием.
В Заключении, которым завершается диссертация, подводится общий итог проделанной работы, приведен анализ уровня полученных данных и отмечена их научная и практическая ценность.
Предметом защиты являются:
1. Результаты исследования характеристик несамостоятельного тлеющего разряда с импульсной емкостной предыонизацией в широком диапазоне скоростей, составов и давлений лазерной смеси, параметров импульсной емкостной предыонизации и несамостоятельного тлеющего разряда с целью получения высококачественного лазерного излучения с управляемой мощностью.
2. Разработка научных основ и создание конструкции рабочей камеры СОг-лазера с импульсной емкостной предыонизацией с минимальным количеством электродов и высокой степенью надежности для использования в серийных технологических лазерах.
16
3. Разработка научных основ и создание конструкции опытного образца моноблочного автоматизированного технологического СОг-лазера с управляемой мощностью излучения 3 кВт с импульсной емкостной пре-дыонизацией для процессов резки, сварки и поверхностного термоупрочнения.
4. Алгоритмы для устройства автоматического управления технологическим лазером с импульсной емкостной предыонизацией, основанные на отклике лазера, как физической системы, на управляющее воздействие.
5. Разработка алгоритмов и реализация на их основе комплекса компьютерных программ для предварительной технологической подготовки файлов для процессов лазерной резки и программ высокого уровня для лазерной резки изделий из металлов и диэлектриков на лазерных технологических установках.
Практическая ценность работы заключается в непосредственном использовании результатов физических исследований в промышленности.
1. Технологический лазер УЛГ-2-01, разработанный и созданный совместно с ВНИИЭСО, г. Ленинград, серийно выпускался на заводе «Индуктор» в г. Новозыбков.
2. Технологические моноблочные автоматизированные лазеры «Лантан-3» и «Лантан-ЗМ» выпускались серийно на НПО «Ротор», г. Черкассы, и на Ижевском механическом заводе.
Основные результаты исследований опубликованы в следующих работах: [13, 97, 104, 107, 114, 115, 126, 127, 142, 143, 144, 145, 146, 147, 148, 150, 151, 152, 153, 154, 155, 156, 157, 158, 161, 162, 163, 164, 165, 167, 168-177, 181].
Результаты диссертации были предметами докладов на конференциях:
Всесоюзный семинар «Лазерная техника и технология», Вильнюс, 1988 г.
17
IV Всесоюзная конференция «Кинетические и газодинамические процессы в неравновесных средах», МГУ, Красновидово, 1988 г.
Conference on Lasers and Electro-Optics, 1991 (CLEO-91), Baitimor, USA.
Международный симпозиум "LASE'98: High-Power Lasers and Applications", конференция "Laser Resonators I". San Jose, California, USA, 1998.
Международная конференция «Оптика лазеров '98», секция "Laser Characteritstics Control". Санкт-Петербург, 1998 г.
VI Международная конференция «Лазерные технологии: фундаментальные проблемы и приложения», г. Шатура Московской области, НИЦТЛ, 1998 г.
III Международная конференция-презентация «Лазеры. Международное сотрудничество с Россией» - LIC Russia'98, Москва, 1998 г.
IQEC/LAT 2002 (International Quantum Electronics Conference / Conference on Lasers, Applications, and Technologies), Москва, 2002 г.
SPIE International Symposium on Lasers and Applications in Science and Engineering (LASE'2003): Conference on Laser Resonators and Beam Control VI, San Jose, CA, USA, 2003.
Laser Optics XI, Санкт-Петербург, 2003 г.
International Conference on the Methods of Aerophysical Research -Novosibirsk, 2004. |
