3.6.3Сварочные установки с газовым лазером

Для сварочных установок применяются в основном лазеры на углекислом газе (СО₂-лазеры). В качестве активных частиц возбуждения, в углекислый газ добавляют гелий и азот.

Маломощные газовые лазеры выполняют в виде газоразрядных трубок с добавлением оптического резонатора из двух зеркал. Мощность газоразрядной трубки зависит от напряжения газового разряда, давления газа в трубке, длины трубки. Однако при повышении давления газа газовый разряд может перейти в дуговой, при повышении напряжения может возникнуть искровой или коронный разряд. При оптимальном для газового разряда напряжении и давлении газа с 1 метра газоразрядной трубки можно получить мощность примерно 50 Вт.

В то же время существует зависимость для концентрированных источников нагрева (электроннолучевая, плазменная, лазерная сварка): при сварке деталей толщиной 1 мм требуется мощность источника нагрева примерно 1 кВт.

Поэтому в мощных газовых лазерах с непрерывным излучением с целью существенного уменьшения размеров газоразрядной трубки или камеры требуется дополнительная накачка энергией рабочего газа с применением различных источников энергии (ТВЧ, потоков электронов, потоков ядерных частиц) и интенсивного охлаждения рабочего газа путем его прокачки через холодильник (в ряде случаев со сверхзвуковой скоростью).

В последние годы созданы газовые лазеры для сварки и термической резки с дополнительной накачкой энергией потоком электронов или высокочастотным электромагнитным полем и продольной или поперечной прокачкой рабочего газа для охлаждения, работающие в непрерывном или высокочастотном режиме лазерного излучения и имеющие мощность: 1, 2, 4, 10, 20, 40 и 100 кВт. Таким образом, максимальная толщина деталей при сварке или термической резке - 100 мм.

На рис. 9.3 показана одна из возможных схем сварочной установки с газовым лазером на СО₂ с дополнительной накачкой энергией рабочего газа с помощью электронно-лучевой пушки.

Вакуумная полость электронно-лучевой пушки отделена от газоразрядной камеры тонкой мембраной 11, через которую поток электронов из пушки проникает в газоразрядную камеру. Ускоряющее напряжение пушки U кВт.

В системе охлаждения установлен регенератор 8, для восстановления (регенерации) газовой среды в газоразрядной камере в связи с тем, что атомы азота соединяются с кислородом, который образуется вследствие частичной диссоциации СО₂ при газовом разряде. Образование нитридов уменьшает в газовой среде число атомов азота, которые являются частицами возбуждения, поэтому без регенерации оптимального состава рабочего газа мощность газового лазера на СО₂ быстро падает.

Рис 9.3. Схема сварочной установки с газовым лазером на СО₂:

1 - газоразрядная камера; 2, 3 - зеркала оптического резонатора; 4 - газоразрядные электроды; 5 - фокусирующее устройство; 6 - зеркало; 7 - насос; 8 - регенератор; 9 - холодильник газа; 10 - электронно-лучевая пушка; 11 - мембрана