Получение импульсов лазерного излучения с изменяющейся во времени интенсивностью
В области лазерной сварки металлов существует задача получения импульса излучения с изменяющейся во времени интенсивностью. В зарубежной литературе такой режим работы лазера известен как «Pulse shaping».Это открывает дополнительные технологические возможности, что в конечном итоге приводит к повышению качества сварного шва (рис.1) и расширению номенклатуры свариваемых материалов.
Использование режима Pulse shaping позволяет уменьшить внутренние напряжения и пористость сварного шва при сварке высокоуглеродистых сталей, отливок с пустотами и включениями загрязняющих веществ, материалов с различной температурой плавления.
Рис. 1. Разрез шва при сварке импульсом стандартной формы (Верх) и импульсом, сформированным при помощи режима Pulse shaping (низ).
Наибольшее применение нашли следующие формы импульса, реализованные при помощи Pulse shaping (рис.2).
Рис.2. Наиболее распространенные формы импульса в режиме Pulse shaping.
Быстрый нагрев и плавное охлаждение свариваемых деталей (Cool-down).
Плавный нагрев и быстрое охлаждение (Ramp-up).
Формы импульса, показанные на рис.2 могут быть получены путем последовательного разряда нескольких накопителей энергии (конденсаторов, заряженных до различных уровней напряжения) на лампу накачки лазера. Однако этот путь приводит к существенному усложнению источника питания лазера, неэффективному использованию накопителей энергии и имеет ограниченные возможности по получению необходимой формы импульса.
Компания «Виком» занимается разработкой этой проблемы с 2001 года.
Достижения компании в области получения изменяемого светового потока газоразрядных ламп воплощены в разрядном коммутаторе, построенном на основе интеллектуальных силовых IGBT модулей (рис.3).
Рис.3. Внешний вид платы bsp;разрядного коммутатора с поддержкой режима Pulse Shaping.
Суть технологии состоит в широтно-импульсной модуляции тока разряда в лампе.
Хотя ток через лампу и не является непрерывным, тепловая инертность плазмы позволяет получить непрерывное во времени и изменяющееся по амплитуде излучение лампы (рис.4). При этом интенсивность излучения лампы не падает ниже порога генерации, что позволяет получать непрерывное в рамках импульса лазерное излучение с изменяющейся во времени интенсивностью.
Колебания интенсивности излучения за счет прерывистого характера тока через лампу составляют не более 5-10% от амплитудного значения; это достигается за счет высокой частоты ШИМ сигнала разрядного коммутатора (20 кГц и более).
Рис.4. Реализация режима Pulse shaping при помощи ШИМ тока через лампу.
Uупр.рк. - напряжение управления разрядным коммутатором,
I -интенсивность излучения.
Данная технология позволяет более эффективно использовать возможности накопителя энергии, что улучшает массогабаритные показатели источника питания.
Во время прохождения импульса тока через лампу напряжение на накопителе неизбежно снижается, что приводит к уменьшению интенсивности излучения в рамках одного импульса. Широтно-импульсная модуляция разрядного импульса позволяет избавиться от этого эффекта и получать импульсы излучения практически произвольной формы.
Данная разработка включает в себя программное обеспечение, позволяющее задавать необходимый режим работы лазера (рис.5). Интерфейс с пользователем имеет несколько уровней доступа. Например, сварщик имеет доступ только к заданным режимам работы для сварки определенных материалов. Технолог же имеет возможность выбора произвольной формы импульса излучения и перевода выбранного режима в статус стандартного, доступного для сварщика. Кроме того, заложена возможность записи всех применяемых сварщиком режимов. Это позволяет контролировать соблюдение технологии в процессе выполнения сварочных работ.
Рис. 4. Меню оператора сварочной лазерной установки.
