Корзина
3 отзыва
Регулируемая форма тока накачки в импульсно-периодических системах питания твердотельных лазеров.
Контакты
ООО «ФТОИЛ»
Наличие документов
Знак Наличие документов означает, что компания загрузила свидетельство о государственной регистрации для подтверждения своего юридического статуса компании или индивидуального предпринимателя.
+7812943-61-31
Снеткова Ольга Дмитриевна
РоссияСанкт-Петербургул. Коммуны д.67195030
Карта

Регулируемая форма тока накачки в импульсно-периодических системах питания твердотельных лазеров.

Регулируемая форма тока накачки в импульсно-периодических системах питания твердотельных лазеров.

Аллас А. А. к. т. н., Опре В. М. д. т. н., проф., Федоров А. В.,

Ускоренное развитие лазерной техники привело к широкому практическому применению лазеров при решении различных технологических задач. Лазерные технологические установки (ЛТУ) нашли широкое применение в лазерной сварке, размерной обработке, прошивке отверстий, лазерной термообработке, скрайбировании, маркировании изделий и т. п.
Среди достаточно широкого разнообразия газовых и твердотельных ЛТУ определенный интерес представляют твердотельные лазеры, работающие в импульсных и импульсно-периодических режимах. В целом ряде технологических процессов импульсные и импульсно-периодические режимы являются единственно возможными, поскольку при сохранении средней мощности излучения его амплитудное значение существенно превышает этот уровень. Импульсно-периодические режимы работы обеспечивают резку и прошивку таких материалов как алюминий, медь, титан, углепластики, стеклопластики и т. п. при достаточной производительности процесса и хорошем качестве реза. Следует отметить, что в непрерывных режимах обработка этих материалов либо затруднительна, либо принципиально невозможна. В некоторых серийных ЛТУ (Квант-15, Квант-16) импульсные режимы обеспечиваются за счет разряда' сосредоточенного емкостного накопителя на нагрузку, причем в разрядный контур включается формирующая индуктивность. Форма импульса тока накачки при этом была близка к полусинусоидальной, а временная зависимость мощности лазерного излучения Pизл (t) в определенной степени повторяла форму импульса тока. В последующих серийных разработках источники питания импульсных ЛТУ (Квант-12, Квант-15, Квант-17) содержат формирующие двухполюсники, структура которых близка к однородной искусственной линии (ОИЛ). Импульс тока и импульс лазерного излучения при этом имеют форму, близкую к прямоугольной, а регулировка длительности осуществляется путем ручного переключения конденсаторов ячеек накопителя.
Основными технологическими параметрами при импульсном режиме работы являются энергия излучения импульсов, их амплитуда, длительность, форма и частота следования. Временная структура (или форма) импульсов лазерного излучения, т. е. зависимость мгновенной мощности излучения от времени, определяется параметрами формирующей цепи и в определенной степени повторяет форму импульса тока накачки. Большой объем экспериментальных и теоретических работ, опубликованных на настоящее время, показывает, что возможность регулирования формы импульса, как и. любого другого технологического параметра, позволяет оптимизировать протекание конкретного технологического процесса, повышая его качество и производительность. Влияние формы импульса особенно проявляется в прецизионных технологических операциях, при обработки изделий малых толщин и размеров. При лазерной сварке импульсы излучения различных форм (но одной и той же энергии) позволяют получить большую глубину проплавления, существенно уменьшить газовые включения в зоне расплава и увеличить прочность сварного соединения. В случае лазерного термоупрочнения при изменении формы импульса и сохранении его энергии глубина термоупрочненного слоя может отличаться в 2-3 раза.
Существующие на сегодняшний день серийные импульсно¬периодические источники питания ЛТУ не отвечают современнымтребованиям технологов. Регулировка формы импульса тока накачки в такихисточниках отсутствует, а регулировка длительности производится дискретно, путем отключения части емкостей ячеек, что приводит к изменению волнового сопротивления цепи и энергетики процесса при регулировании параметров тока накачки. Одним из известных схемных решений, отвечающим требованиям современных импульсных лазерных технологий, является генератор импульсов тока регулируемой формы (ГИТРФ) на основе однородной искусственной линии с ключами (ОИЛК) (рис.1).

Параметры элементов ОИЛВ определяются следующим образом:
Ся = tmах. Lя = tmах Q

2.2Q n, 2.2n

где Ся и Lя — емкость и индуктивность ячеек линии, n — число ячеек, tmах —предельная длительность импульса тока нагрузки, Q= Lя/ Ся — волновоесопротивление линии. Однако, такие источники обладают существеннымнедостатком, который в принципе присущ всем генераторам на основеоднородной искусственной линии (ОИЛ), работающим в согласованномрежиме — это большие массо-обьемные показатели индуктивных элементов вслучае генерирования импульсов большой длительности. Для всех формцепей, обеспечивающих импульсную накачку лазера и работающих всогласованном режиме, величина емкостного накопителя является постоянной. и определяется только максимальной энергией одиночного импульса, поэтому решением вопроса о снижении массо-обьемных показателей генератора в целом может быть снижение массо-обьемных показателей индуктивных элементов. В связи с этим перспективным направлением является создание (ГИТРФ) на основе РЕН с формирующим четырехполюсником (рис.2).

Параметры РЕН определяются следующим образом:
L1 = 0.7Rtи
0.998n +0.784
L2 = О.25Rtи
0.998n + 0.784
Сф = Ся = 0.5tи
(0.998n + 0.784) R

Iн = Е /2.012RH

В ОИЛК коммутация тиристоров ячеек должна обеспечиваться по «волновому» закону, то есть тиристоры включаются по очереди, начиная от нагрузки, с постоянным временем запаздывания tзап = 0.93LяСя, а длительность сигнала управления должна быть не менее половины длительности импульса нагрузки, то есть t упр 1.lnL яС я.
В РЕН с формирующим четырехполюсником задержки между моментами включения разрядных тиристоров зависят от формы генерируемого
импульса и лежат в пределах t зап = О. 9 tи / n. —.1.1 tи / n Следует отметить, что определенным недостатком ОИЛК является сложность регулирования длительности импульса tи, для чего обычно приходится изменять (путем переключения отпаек) величины индуктивностей Lя и емкостей Ся ячеек при сохранении величины волнового сопротивления р. Изменение длительности импульса нагрузки путем изменения числа ячеек ОИЛК нежелательно, так как при этом ухудшается точность аппроксимации форм импульсов нагрузки, а использование ОИЛК с большим числом ячеек (n>5) не только усложняет систему управления (СУ) и конструкцию генератора, но и приводит к росту потерь в вентилях ячеек. В РЕН можно использовать большое число ячеек' (n>5), поскольку потери в вентилях РЕН мало зависят от их числа, а регулирование длительности импульса может осуществляться оперативно спомощью СУ путем снятия сигналов управления с части разрядных тиристоров.
В Санкт-петербургском государственном электротехническом университете (ЛЭТИ) была разработана и создана экспериментальная импульсно-периодическая установка на основе пятизвенного РЕН с формирующим Т-образным четырехполюсником. Расчет параметров производился для формирования в лампе накачки ИФП-800 (R=O.650M) импульса тока длительностью О.7мс. Импульсы тока различных форм, генерируемые РЕН, представлены на рис. 3. .
Кривые соответствуют импульсам излучения лазера Квант-12, а нижние представляют собой ток лампы накачк Верхние и ИФП-800. Масштаб времени на этих осциллограммах —100 мкс/см, масштаб тока-100 а/см. Применение в лазерных технологиях ГИТРФ на основе ОИЛК или РЕН полностью решает задачу генерирования как импульсов регулируемой формы, так и импульсов, промодулированных по амплитуде (рис.3, в). При этом импульс лазерного излучения также является модулированным с частотой порядка 6 кгц при отсутствии акусто-оптических затворов.
Использование предлагаемых ГИТРД и ГИ1РФ существенно расширяет технологические возможности импульсных твердотельных лазеров, работающих в режиме свободной генерации, а также позволяет значительно увеличить ресурс ламп накачки путем выбора оптимальной формы фронта импульса тока.
ЛЭТИ совместно с фирмами ООО Центр ТРИЗ «Творчество» и ООО «ФЕДАЛ» были изготовлены два источника накачки: один по схеме ГИТРФ, а другой — по схеме ГИТРД. Первый источник обеспечивает генерирование импульсов тока накачки регулируемой формы с дискретно регулируемой длительностью от 0,2 до 1,0 мсек при максимальном напряжении заряда ячеек ОИЛК до 2000 В и регулируемой частотой следования от одиночного режима до 20 Гц. Внешний вид источника приведен на рис. 5, источник имеет габаритные размеры 0,8хО,8х2,0 метра, вес — 250 кг. Установка предназначена для исследовательских целей и ориентирована в первую очередь на термоупрочнение и прошивку отверстий в твердых сплавах, керамике, поликоре и т. п. Следует отметить, что путем изменения только параметров звеньев ОИЛК (увеличением номиналов конденсаторов и индуктивностей ячеек) при снижении напряжения заряда ПО 1000 В и сохранении всей остальной схемы источника, включая систему управления, источник накачки становится способным работать в составе сварочной лазерной установки.
Второй источник Рис.6. работает в в составе комплекса Рис.7 импульсно-периодическом режиме на частотах от 5 до 150 Гц, обеспечивает плавную регулировку длительности прямоугольных импульсов накачки от 0,2 до 1,5 мсек при двух уровнях зарядного напряжения накопителя … 500 и 800 В и токах накачки до 600 А, а также позволяет корректировать форму импульса излучения. Средняя мощность установки определяется типом ламп накачки и может достигать 12 Квт. Внешний вид источника приведен на рис.6, габаритные размеры источника 0,7хО,6х0,7 метра, вес— 80 кг.
Этот источник обеспечивает резку листовых материалов — сталей и титана толщиной До 1,5 мм, алюминия, меди, латуни и бронзы толщиной до 0,5 мм, ювелирного золота толщиной до 0,5 мм и композиционных материалов различных видов толщиной до 1-2 мм со скоростями доО,3-0,5 м/мин. При этом практически отсутствует зона термического влияния при хорошем качестве реза. .
Подобные источники представляют большой: интерес для совершенствования существующих и поиска новых лазерных технологий, а схемные решения, лежащие в их основе, могут быть использованы как при создании универсальных, так и специализированных лазерных технологических установок.