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.

1. 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.

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

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

4. 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 100 мм и толщиной 15 мм, 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:

1. автоматическое включение лазера и вывод его на режим;

2.стабилизация давления смеси газов в газодинамическом контуре лазера;

3. стабилизация силы тока разряда;

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

5. 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 =90 000Вт Электрооптический КПД з=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.

1.Определение парциального давления компонентов рабочей смеси

2.Определение плотности рабочей смеси

3.Определение теплоемкости рабочей смеси

где

Тогда,

4.Определение концентрации молекул

Из уравнения давления идеального газа получим формулу:

5. Определения мощности газоразрядной камеры

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

Тогда мощность газоразрядной камеры:

6. Электрооптический КПД берем из справочника з=14,5%

7. Определение напряженности электрического поля

8. 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.

9. Определение массового расхода газа.

где Sплощадь поперечного сечения газоразрядного промежутка. S=Lh

10. Определение удельного энерговклада.

11. Опеделение нагрева рабочей камеры.

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

Т_вых=ДТ+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 м.

1. 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_У= Д_CO2+ Д_N2+ Д_Hе =1+10+10=21

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

Определение величины приэлектродного падения потенциала.

ДU=ДU_k+ДU_а

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

— коэффициент вторичной электронной эмиссии, для медного катода принимаем

ДU=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 [ВЧсм²], 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=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

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.

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

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