Теплофизические и энергетические характеристики источника теплоты

Термическая резка материалов лучом лазера обладает поистине уникальными возможностями вследствие высокой концентрации энергии, получения резов небольшой ширины по сравнению с другими способами термической резки и малой зоны термического влияния.

Лазерный луч представляет собой поток индуцированного электромагнитного излучения одной длины волны. Источником излучения служит оптический квантовый генератор (ОКГ). В зависимости от типа среды, в которой возбуждается излучение, различают газовые, твердотельные, жидкостные, газодинамические и другие типы ОКГ.

Наиболее широко применяются в промышленности газовые и твердотельные генераторы, обеспечивающие излучение наибольшей мощности, стабильные параметры лазерного луча и высокую воспроизводимость технологического процесса резки. В настоящее время выпускают два типа газовых ОКГ: с продольной и поперечной прокачкой рабочего газа.

На рис. 21.1 показана схема ОКГ на С0₂ с продольной прокачкой рабочего газа. Через герметичную стеклянную трубу 3 (резонатор) с вмонтированными в нее электродами 9, 11 прокачивается смесь углекислого газа, азота и гелия под давлением 1,3 ...2,7 кПа. На электроды от специального источника постоянного тока подается напряжение 10... 20 кВ. Под действием электрического разряда молекулы углекислого газа возбуждаются, и при переходе электронов с верхнего возбужденного уровня на нижний возникает излучение в инфракрасной области с длиной волны 10,6 мкм. Добавление молекул азота вызывает резонанс энергии молекул двух типов — СO₂ и N₂ и обеспечивает увеличение выходной мощности луча примерно в 4 раза. Гелий — газ с высокой теплопроводностью, обеспечивающий равномерную передачу теплоты по всем направлениям, благодаря чему достигается высокая стабильность работы ОКГ.

С одной стороны резонатора смонтировано металлическое сферическое зеркало 1. Индуцированное излучение ОКГ преобразуется в резонаторе в световой поток, выходящий через полупрозрачное зеркало 7. Часть энергии отражается этим зеркалом внутрь резонатора, благодаря чему обеспечивается стабильность процесса генерации энергии. Перегрев трубы резонатора и зеркал устраняется прокачкой воды через указанные элементы. Выходная мощность такого ОКГ может достигать нескольких киловатт. Коэффициент полезного действия преобразования электрической энергии в энергию излучения составляет 10... 20 %.

Основной недостаток ОКГ на С0₂ с продольной прокачкой — сравнительно низкие значения выходной мощности на 1 м длины резонатора (40... 80 Вт, в отдельных случаях — до 200 Вт). Поэтому ОКГ с продольной прокачкой собирают из нескольких секций резонаторов, соединенных последовательно. Имеются конструкции ОКГ с размещением резонаторов под определенными углами, что позволяет уменьшить размеры установок.

В последнее время широкое распространение получили ОКГ с поперечной прокачкой рабочих газов через резонатор, представляющий собой прямоугольную камеру. На ее боковых поверхностях размещены поворотные водоохлаждаемые металлические зеркала. Как и у ОКГ с поперечной прокачкой, первое зеркало сферическое, а выходное — полупрозрачное. Генераторы этого типа при относительно небольших размерах обеспечивают выходную мощность до 10 кВт.

Широкое применение в технике термической резки находят также твердотельные ОКГ. У этих типов ОКГ излучение генерируется специально обработанными монокристаллами алюмоиттриевого граната или рубина под воздействием светового потока специальных электрических ламп, обеспечивающих накачку резонатора энергией. ОКГ этого типа имеют небольшие размеры и могут быть установлены на подвижные части машин термической резки.