Устройство лазера рубинового.

 Главный элемент его конструкции – активное или рабочее тело – рубин.

Кристалл рубина освещается импульсной газоразрядной лампой, дающей короткие вспышки света. Сине-зеленый свет ламп поглощается кристаллом рубина и преобразуется в уникальное по своим свойствам красное лазерное излучение. И в следующее мгновение за вспышкой лампы из рубинового стержня вырывается мощный лазерный луч. Чем же замечателен этот луч?

1) Лучи лазера монохроматичны (или одноцветны). Так как все кванты лазерного света имеют абсолютно одну и ту же частоту колебаний (или длину волны), поэтому его можно фокусировать в очень маленькую точку с большой удельной мощностью (удельная мощность – отношение мощности к площади). (Белый свет – трудно сфокусировать, так как состоит из лучей различного цвета).

2) Лучше всего фокусируются строго параллельные лучи, т. е. лучи имеющие малую расходимость светового потока. Лучи лазера и достаточно параллельны и обладают большой мощностью и, следовательно, и большой яркостью.

3) Лучи лазера когерентны, т. е. находятся строго в одинаковой фазе (камень в воду – следом за ним другой, волны от них гасят друг друга – не когерентны).

Для газовых лазеров используется лишь гелий и неон, аргон, криптон или ксенон, заключенные в стеклянную герметичную трубку.

Лазер является тепловым источником и приметно такой же плотностью энергии, как и у электронного луча, но может быть доведена до 10¹⁰ Вт/см².

Однако КПД современных лазерных установок с твердым кристаллом еще низок и не превышает 2 % (охлаждение кристалла).

Плюсы: отличается от электронного луча тем, что позволяет обрабатывать материалы в любой среде, передающей лучи света: в вакууме в атмосфере инертных газов, на воздухе.

Можно обрабатывать детали, помещенные в герметичные стеклянные ампулы или камеры. Можно направит с помощью зеркал или призм в труднодоступные места изделия, в помещениях с высокой радиоактивностью.

Возможна сварка вблизи термочувствительных элементов. Наиболее целесообразно применение сварки лазером при получении микросоединений (малые площади равные тысячным долям мм). Лазерным лучом можно сваривать самые различные композиции металлов, используемых в микроэлектронике: серебро + кремний; германий + серебро; никель + тантал; медь + алюминий и др. Кроме того, лазер используют для резки кремниевых и германиевых пластин на отдельные пластины.

Плазменная сварка и резка металла

Рис 16

Рис 16 Схема сварки плазменной дугой: 1 – сварочный источник питания; 2 – высокочастотной генератор; 3 – вольфрамовый электрод; 4 – плазмообразующий газ; 5 – охлаждающая вода; 6 – защитный газ; 7 – сопло защитного газа; 8 – сопло, формирующее дугу; 9 – дуга; 10 – изделие

Основана на использовании струи ионизированного газа – плазмы.

Различают плазменную струю прямого и косвенного действия

Плазмотрон устроен следующим образом: дуговой разряд 3 возбуждается в канале 5 между электродом 1 и соплом 2 (или свариваемой деталью), охлаждаемый водой. Канал электрически изолирован от сопла и электрода. Вдоль дуги по каналу пропускается плазмообразующий газ – аргон, гелий, азот, углерод и др. Газ проходит через сопло, сжимая столб дуги, ионизируется и выходит из сопла в виде яркосветящейся струи 4 (плазмы) с температурой 10000 – 30000 К.

Плазменной струей можно обрабатывать различные материалы: металлы, полупроводники, диэлектрики. Этот способ получил производственное применение для сварки, резки, наплавки, нанесения покрытий и т. д.

Сварка – соединение металла и не металла.

Процесс резки осуществляется расплавлением и выдуванием расплавленного материала потоком газа, часть материала испаряется. Плазменной струей можно разрезать цветные металлы и сплавы толщиной до 100 мм и боде, высоколегированные стали, тугоплавкие металлы, керамику.

Широко применяют наплавку плазменной струей различных металлов (например, медь на сталь). С помощью плазменной струи могут быть получены покрытия из тугоплавких металлов, боридов, силицидов, окислов и карбидов.

Термическая сварка

Рис 14 способы термитной сварки алюминиевым термитом

Рис 15 Сварка стальных проводов магнитным термитом

 

Основана на использовании тепловой энергии, выделяющейся в результате сгорания специальных порошков смесей (терминов). Получили применение алюминиевый и магниевый термит.

Алюминиевый термит: 21 – 23 % алюминия и 77 – 78 % железной окалины, измельчен в порошок.

При нагреве специальными термоспичками или электрической дугой до температуры 1300 º С термит воспламеняется и горит с выделением большого количества тепла (3500 – 4000 º С)

3Fe₃O₄ + 8Al = 4Al₂O₃ + 9Fe

Продукты реакции выделяются в расплавленном состоянии. Алюминиевым термитом сваривают встык рельсы, трубы, массивы чугунные и стальные отливки. Используются в ремонтных работах.

Магниевые – сварка стальных проводов. Для выполнения сварки концы стыкуемых деталей заключают в специальную форму из огнеупорного материала, в которую заливают продукты сгорания термита – железо и шлак (окись алюминия).