Конструкция лазера ТЛ-1,5

Конструкция лазера ТЛ-1,5

Содержание

Введение

Промышленный технологический быстропроточный лазер ТЛ-5М

Исходные данные для расчета

Расчет удельных параметров ГРК

Расчет уточненного значения приведенной напряженности электрического поля

Заключение

Список использованной литературы

Введение

Области применения лазеров в различных сферах человеческой деятельности ежегодно расширяются, быстро увеличивается число разрабатываемых и производимых типов лазеров разного назначения.

Для успешного применения ТЛ в народном хозяйстве их конструкции и параметры излучения должны удовлетворять, жестким требованиям, обусловленными как потребностями лазерной технологии, так и условиям эксплуатации на предприятии. ТЛ должен быть автоматизирован, безопасен, должен быть оснащен комплектом внешних устройств для использования его излучения.

Важнейшими узлами ТЛ, определяющими его энергетическую эффективность и компактность, являются его устройства накачки, источника питания и оптический резонатор.

Промышленный технологический быстропроточный лазер ТЛ-5М

Технологический быстропроточный СО2 - лазер непрерывного действия ТЛ-1.5(с замкнутой поперечной прокачкой рабочей смеси) предназначен для использования в качестве генератора мощного когерентного инфракрасного излучения в технологических комплексах по лазерной резке, сварке, наплавке, термоупрочнению и поверхносному легированию различных материалов. Широкий диапазон применения позволяет использовать технологический лазер ТЛ-1,5 в составе технологического оборудования на предприятиях различных отраслей промышленности. Лазер предназначен для работы во взрывобезопасных помещениях при отсутствии химически активных газов и паров, агрессивных по отношению к углеродистой стали, сплавам алюминия, изоляции электрических элементов. В деревообрабатывающей промышленности лазер ТЛ-1,5 преимущественно применяется для нанесения графических изображений на материал или их вырезки с высокой точностью.

Лазер ТЛ-,15 предназначен для применения в автоматизированных лазерных технологических комплексах для сварки и резки материалов больших толщин, а также поверхностной термообработки и наплавки.

Рис 1. Общий вид лазера ТЛ - 1,5.

Модель характеризуется следующими конструктивными и технологическими признаками.

. Используется самостоятельный газовый разряд постоянного тока с эквипотенциальным анодом и плоским глубокосекционированным (как поперек, так и вдоль потока газа) катодом. Это позволило обеспечить приемлемый уровень удельного объемного энерговклада (2 Вт/см³) при использовании повышенного давления молекулярной компоненты рабочей смеси.

. Возможно использование безгелиевой рабочей смеси СО₂: N_a: Н₂О или наиболее дешевой смеси воздух: СО₂.

.        Для прокачки газовой смеси в замкнутом контуре применяется высокооборотный электрокомпрессор осевого типа специальной разработки, в конструкции которого имеется встроенный электродвигатель.

.        Используется неустойчивый резонатор, генерирующий одномодовое излучение кольцевого поперечного сечения во всем диапазоне регулирования мощности. Это обеспечивает при коэффициенте качества излучения Kq = 0,2 ... 0,3 плотность мощности в пятне фокусировки до 10⁷ Вт/см², что достаточно для эффективной сварки и резки материалов больших толщин.

Конструкция ТЛ-5М (рис. 1, 2) выполнена в виде моноблока для повышения компактности, надежности, удобства в управлении. Верхняя часть лазера - блок 1 генерации луча - представляет собой герметичный газовый контур с разрядной камерой и резонатором, газоводами и теплообменниками. В нижней части лазера расположен блок электропитания 3, в котором размещены: источник питания, блок балластных нагрузок, блок откачки и система управления МП САУ с выносным пультом управления 2. Излучение выводится через выходное окно из монокристалла КСl.

Рис №2 Габаритный чертеж лазера ТЛ - 5М:1 - блок генерации луча; 2 - выносной пульт управления; 3 - блок электропитания.

Лазер состоит из следующих основных узлов и систем: газоразрядной камеры; оптического резонатора; системы прокачки и охлаждения; системы газообмена; источника питания; МП САУ.

Газоразрядная камера (рис. 3) состоит из анода 3 и катодной платы 2. Размеры разрядной камеры: 100 см (поперек потока), 70 см (вдоль потока) и 6 см - расстояние анод - катод скорость потока на входе в разрядную камеру 100 м/с.

Рис №3. Газоразрядная камера лазера ТЛ - 5М: 1 - предыонизатор; 2 - катодная плата; 3 - анод.

Анод представляет собой медную пластинку с припаянным к ней с обратной стороны змеевиком охлаждения.

Катодная плата состоит из 17 катодных рядов, расположенных поперек потока, которые крепятся к боковым плитам разрядной камеры.

Для обеспечения поджига разряда перед первым по потоку катодным рядом установлен катод предыонизации 1, гальвонически соединенный с анодом.

Оптический резонатор в ТЛ-5М является телескопическим неустойчивым пятипроходным с одним усилительным проходом (рис. 5). Выходное излучение представляет собой кольцо с внешним диаметром 50 мм и внутренним 25 мм. Коэффициент пропускания резонатора 0,74, увеличение 1,96, длина оптической оси 6600 мм.

Рис 5. Оптическая схема резонатора лазера ТЛ - 5М: 1 - плоские поворотные зеркала; 2 - выводное зеркало; 3 - выпуклое зеркало; 4 - выходное окно; 5 - ось выходного излучения; 6 - глухое зеркало; 7 - апертурная диафрагма.

Конструкция резонатора представляет собой жесткую пространственную ферму, состоящую из передней и задней плит, стянутых четырьмя штангами из инвара. На плитах в соответствии с оптической схемой закреплены зеркала. Каждое из поворотных зеркал опирается на три юстировочных винта, установленных в плитах резонатора.

Глухое и выпуклое резонаторные зеркала 3, 6 крепятся в отдельных узлах, имеющих дистанционную подъюстировку, осуществляемую с помощью шаговых двигателей ШДА-2ФКА с редукторами.

Зеркала представляют собой диски диаметром 100мм и толщиной 15мм, изготовленные из кремния с защитными и отражающими покрытиями. Охлаждение зеркал осуществляется через тепловой контакт тыльной части зеркала с охладителями, к которым подведена охлаждающая вода.

Резонатор установлен внутри корпуса блока генерации луча на упругих амортизаторах, допускающих регулировку по высоте.

Система прокачки и охлаждения состоит из осевого компрессора ГО1-360, двух теплообменников (до и после разрядной камеры), канала разрядной камеры, конфузора и диффузора, плавно изменяющих сечение газодинамического тракта при переходе от разрядной камеры к теплообменникам. Теплообменники представляют собой пакеты оребренных труб, охлаждаемых проточной водой. Сечение потока на входе в теплообменник 0,6 м², площадь ребер 36 м² на каждый теплообменник. Первый теплообменник служит для отбора тепла у потока газа, нагретого в ГРК. Второй теплообменник служит для компенсации разогрева газа вследствие сжатия компрессором, а также как газодинамическое устройство для выравнивания потока на входе в ГРК.

Источник питания состоит из тиристорного регулятора, повышающего трансформатора мощностью 100 кВт, высоковольтного выпрямителя, собранного по схеме Ларионова, и сглаживающего

RС-фильтра. Напряжение источника питания регулируется в диапазоне 1,5 ... 4 кВ, сила тока, протекающего через ГРК, изменяется при этом от 0 до 25 А. Источник питания подключен к разрядной камере через блок балластных нагрузок, представляющий собой совокупность 289 охлаждаемых резисторов номиналом 5 кОм.

Микропроцессорная система управления (МП САУ) обеспечивает функционирование лазера в целом и выполняет следующие задачи:

. автоматическое включение лазера и вывод его на режим;

.стабилизация давления смеси газов в газодинамическом контуре лазера;

. стабилизация силы тока разряда;

. программное изменение мощности излучения в соответствии с требуемой технологической циклограммой;

. поддержание требуемых динамических характеристик мощности излучения.

Исходные данные для расчета

технологический быстропроточный лазер кинетический

Номинальный ток через ГРК I =25 A

Выходная мощность источника питания Р =90000Вт

Электрооптический КПД η=14,5%

Параметры рабочей смеси:

СоставN₂ : He : СО₂ = 10 : 10: 1

Давление7 кПа

Габаритные размеры:

Высота межэлектродного промежутка, см6

Длина анода, см100

Скорость газа, м/с100

Ширина анода, мм40

Катод секционированный, 17 секций

Расчет удельных параметров ГРК

Рабочая смесь: N₂:H_e:CO₂=10:10:1

Давление смеси P_см=7 кПа

Атмосферное давление примем равное P_атм=10⁵ Па

Из табличных данных получаем значения плотности и изобарной теплоемкости компонентов рабочей смеси

Таблица 1.

.Определение парциального давления компонентов рабочей смеси

.Определение плотности рабочей смеси

.Определение теплоемкости рабочей смеси

, где

Тогда,

.Определение концентрации молекул

Из уравнения давления идеального газа получим формулу:

. Определения мощности газоразрядной камеры

Зная рабочий ток газоразрядной камеры, и мощность источника питания, можно вычислить напряжение U_ка

Тогда мощность газоразрядной камеры:

. Электрооптический КПД берем из справочника η=14,5%

. Определение напряженности электрического поля

. Определение приведенной напряженности электрического поля.

Т.к. в рабочей камере горит самостоятельный разряд то значение приведенной напряженности не должно выходить из диапазона: (2-7)10^-20Вм², именно такие значения приведенной напряженности характерны для самостоятельного разряда.

Полученное значение приведенной напряженности входит в диапазон допустимых значений, что может свидетельствовать о правильности расчетов на этой стадии.

. Определение массового расхода газа.

,

где S- площадь поперечного сечения газоразрядного промежутка. S=Lh

. Определение удельного энерговклада.

. Опеделение нагрева рабочей камеры.

Для стабильной работы камеры, и защиты ее от перегрева, вводим условие:

Т_вых=ΔТ+Т₀<700K

Т_вых=377,15+300=677,15К<700К, таким температурное условие выполнено.

Расчет уточненного значения приведенной напряженности электрического поля

Для расчета уточненного значения приведенной напряженности электрического поля, воспользуемся табличными данными значений коэффициентов А, В, и коэффициента подвижности частиц μ.

. Расчет вспомогательных величин.

Д_CO2= 1 доля CO₂ в рабочей смеси

Д_N2= 10 доля N₂ в рабочей смеси

Д_Hе=10 доля Hе в рабочей смеси

Д_Σ= Д_CO2+ Д_N2+ Д_Hе =1+10+10=21

Тогда рассчитаем коэффициенты А, В, и коэффициент подвижности частиц μ для всей смеси газов.

Определение величины приэлектродного падения потенциала.

ΔU=ΔU_k+ΔU_а

где Асм, Всм - коэффициенты, определенные из дополнительного расчёта;

- коэффициент вторичной электронной эмиссии , для медного катода принимаем

ΔU=265,32+132,66=397,98В

3. Определение протяженности области прикатодного и прианодного падения потенциала:

Расчёт подвижности электронов и ионов:

Определение длины положительного столба

Определение приведённой напряжённости электрического поля

K=1 для лазеров с диффузионным охлаждением

K=1,5 для БПЛ

Если перевести в [В×см²],то получим

Определение кинетических параметров плазмы.

Определение плотности тока в плазме

где l_с=1 м; Н_с=0,4 м-ширина и длина анодной плиты.

Определение скорости дрейфа электронов

Определение концентрации электронов

Определение степени ионизации в рабочей камере

Заключение

Промышленный технологический быстропроточный лазер ТЛ-1,5 характеризуется следующими конструктивными и технологическими признаками:

используется самостоятельный газовый разряд постоянного тока с эквипотенциальным анодом и плоским глубоко секционированным катодом. Это позволяет обеспечить приемлемый уровень удельного объема энерговклада при использовании повышенного давления молекулярной компоненты рабочей смеси;

возможность использования безгелевой смеси СО₂:N₂:Н₂О или более дешевой смеси воздух:СО₂;

используется неустойчивый резонатор, генерирующий одномодовое излучение кольцевого поперечного сечения во всем диапазоне регулирования мощности. Это обеспечивает при коэффициенте качества излучения К_q=0,2…0,3 плотность мощности в пятне фокусировки до 10⁷ Вт/см² , что достаточно для эффективной сварки и резки материалов больших толщин.

В результате выполненной курсовой работы произведен расчет приведенной напряженности электрического поля, кинетических параметров разряда и потерь мощности отводимой к электродам.

Основные параметры

Кинетические параметры: скорость дрейфа

концентрация электронов

Список использованной литературы

1.       Технологические лазеры: Справочник: в 2 т., т. 1: Расчет, проектирование и эксплуатация/ Абильсиитов Г.А., Голубев В.С., Гонтарь В.Г. и др.; Под общ. ред. Абильсиитова Г.А.. - М.: Машиностроение, 1991. - 432 с.: ил.

.        Голубев В.С., Лебедев Ф.В. Инженерные основы создания технологических лазеров, т. 2, 1987, М: Высшая школа. - 176 с.

.        Журавлев О.А., Шепеленко А.А. Газовй разряд в СО₂ - лазерах. - Куйбышев: КуАИ, 1988. - 59 с.