Файл: Ремонт летательных аппаратов и авиационных двигателей Текст лекций.pdf

62 вт/см кв. - 5 на10 в 8 степени ( ацетилено-кислородное пламя - 5 на 10 в 4 ст., сварочная дуга - 1 на 10 в 5 ст.). Минимальная плотность пятна нагрева в см. кв. - 10 в минус 7 степени ( ацетилено-кислородное пламя - 10 в минус 2 ст., сварочная дуга - 10 в минус 4 ст.). Возможность сварки любых металлов.Соотношение ширины зоны плавления к глубине от 1 к 10 до 1 к
15.
Сущность ЭЛС - под действием потенциала разгоняющего поля -U в электронной пушке, электроны разгоняются в вакууме до скорости V =
600Ц U км/с. При достижении электроном поверхности детали (анода) скорость его резко уменьшается из-за столкновения с атомами металла.
Потеря кинетической энергии выражается в увеличении температуры вещества. Глубина проникновения электрона d = 2,6 ґU -2 ґ10 -(-12) / j , где j - плотность вещества в г/ см.куб.
Строение электронной пушки - катод, соединенный о высоковоль- тным источником постоянного тока является -источником электронов.
Головка катода обеспечивает фокусировку электронов в пучок с диа- метром, равным диаметру отверстия в первом аноде с положительным потенциалом в несколько десятков тысяч вольт. Разогнанные первым анодом электроны фокусируются магнитной линзой и направляются магнитной отклоняющей системой к свариваемому изделию.
Движение электронов не сопровождается свечением. Луч не виден. Его действие на вещество можно наблюдать по нагреву места электронной бомбардировки.
Вакуум - для обеспечения свободного движения электронов от катода к аноду и далее к изделию; для тепловой и химической изоляции катода; для предотвращения возможности возникновения дугового разряда между электродами. Глубина вакуумирования порядка 10 - ( -4) мм.
Пример ремонта лопаток - основные этапы технологического процесса ремонта лопаток ротора компрессора газотурбинного двигателя
из жаропрочных титановых сплавов методом вварки вставок в местах забоин.
1. Выбор оптимальных ремонтных сечений.
2. Отрезка дефектной части пера лопатки.
3. Штамповка заменяющей вставки.
4. Подготовка стыковых поверхностей.
5. ЭЛС лопатки и вставки.
6. Зональная термообработка сварного соединения сканирующим, циклически подвижным электронным лучем.
7. Механическая обработка вставки.
8. Неразрушающий контроль сварного соединения (рентген, люминисцентный).
9. Упрочнение поверхности пера ремонтной лопатки поверхностным пластическим деформированием.
10. Окончательный контроль и приемка лопатки ОТК.

63
Лазерная сварка.
Определение - сварка плавлением, при которой для местного расплавления соединяемых частей используется энергия светового луча, полученного от оптического квантового генератора (ГОСТ 2601-74).
Лазер иди оптический квантовый генератор - источник электро- магнитного излучения видимого, инфракрасного и ультрафиолетового диапазона, основанный на вынужденном излучении атомов и молекул.
Принцип действия лазера - излучение любого источника света представляет собой интегральный эффект излучения совокупности атомов и молекул. Это излучение происходит независимо друг от друга и хаотично-некогерентно. Это является следствием того. что основной причиной возбуждения атомов в нагретых телах и газовом разряде являются столкновения. Моменты столкновения стучайным образом распределены во времени, что приводит к хаотическому распределению фаз волн, излучаемых отдельными атомами.
Принцип действия лазера построен на возможности организации когерентного излучения пучков света с очень малой расходимостью пучка. Для этого был создан принципиально новый способ генерации светового излучения - стимулированное излучение.
Прежде чем перейти к изложению принципа получения стимулированного излучения, рассмотрим кратко механизм квантовых процессов, происходящий при возбуждении атома.
Известно, что атомы, из которых состоят все материальные тела, являются сложными системами, состоящими из ядер и электронов.
Согласно законам квантовой механики энергия относительного движения частиц системы может принимать только строго определенные значения.
Эти дозволенные значения энергии называются уровнями энергии.
Совокупность энергетических уровней составляет энергетический спектр системы, например атома. Нижний уровень, соответствующий минимальной энергии, называется основным, остальные
— возбужденными. Населенностью уровня называют число атомов (или электронов), обладающих энергией данного уровня.
По теории, разработанной М. Планком, при взаимодействии атомов системы излучение и поглощение электромагнитной энергии атомами происходит не непрерывным потоком, а отдельными порциями-квантами.
Кванты световой энергии называются фотонами. При поглощении фотона энергия атома увеличивается и он переходит на более высокий энергетический уровень. При излучении фотона происходит обратный переход на более низкий энергетический уровень, причем в соответствии с законом сохранения энергии энергия излученного или поглощенного фотона в точности равна разности соответствующих энергетических уровней.
Если атом в какой-то момент времени находится в одном из возбужденных состояний, то такое состояние атома неустойчиво даже

64 тогда, когда на него не влияют другие частицы. Через некоторое время атом может перейти в состояние с меньшей энергией и при этом излучить фотон. Такой самопроизвольный (по принятой в квантовой физике терминологии спонтанный) переход с одного уровня на другой сопровождается спонтанным излучением.
Случайность спонтанных переходов приводит к тому, что различные атомы излучают неодновременно и независимо друг от друга. Фазы электромагнитных волн, излучаемых различными атомами, не согласованы одна с другой. Случайный характер при этом имеет не только момент испускания атомом фотона, но и направление излучения и его поляризация. Поэтому суммарное спонтанное излучение различных атомов некогерентно.
Излучение всех обычных источников света возникает за счет спонтанного излучения. Из-за случайного характера спонтанных переходов излучение этих источников не монохроматично, т. е. содержит излучение с различными длинами волн, а также ненаправленно и неполяризованно.
Однако атом может перейти с высшего энергетического уровня на другой, более низкий, не спонтанно, а под действием электромагнитной волны, если только частота этой волны достаточно близка к частоте перехода. Такая резонансная волна как бы "раскачивает" электрон и ускоряет его «падение»на уровень с меньшей энергией. Переходы, происходящие под действием внешнего электромагнитного поля, называются вынужденными (стимулированными, индуцированными). При вынужденном излучении атом отдает энергию электромагнитной волне, амплитуда которой в результате увеличивается. Так как облучаемое вещество или система состоит из множества частиц, в которых будут происходить указанные выше процессы, то излученная этой системой энергия будет значительно выше той, которая поступила на вход, за счет лавинообразного процесса переходов, возникших в системе, как это имеет место в оптическом квантовом усилителе (ОКУ).
Особенностью вынужденного излучения является:
1. Частота излучения точно совпадает с частотой электромагнитного поля, вызвавшего это излучение.
2. Направление распространения излученной волны и ее фаза, т. е. начало колебаний, совпадают с направлением и фазой волны, вызвавшей это излучение.
3. Поляризация, т. е. направление векторов электрического и магнитного полей излученной волны и волны, вызвавшей это излучение, совпадают.
Эти особенности вынужденного (стимулированного) излучения показывают его полную когерентность.
Таким образом, вынужденное излучение дает возможность управлять излучением атомов с помощью электромагнитных волн и, следовательно,

65 генерировать и усиливать когерентное излучение. Чтобы осуществить это практически, нужно выполнить некоторые условия.
Известно, что для возникновения стимулированного излучения необходимо, чтобы число атомов на верхнем уровне было больше, чем на нижнем. Конечно, при этом имеются в виду те промежуточные уровни, между которыми возможен переход, так как не все переходы разрешены природой. Состояние вещества, при котором населенность одного из уровней с более высокой энергией больше населенности уровня с меньшей энергией, называется активным или состоянием с инверсией населенностей. Если системе с инверсией населенностей уровней сообщить извне некоторое количество энергии с определенной частотой электромагнитных колебаний в виде света определенной длины волны, то в результате возникнет стимулированное излучение с той же частотой, но значительно усиленное.
В оптических квантовых усилителях внешняя энергия возбуждения
(накачка) используется для перевода атомов или ионов активного вещества с нижнего энергетического уровня на верхний. При этом возбуждение про- изводится до некоторого промежуточного состояния, при котором самопроизвольная генерация еще невозможна. Однако под действием внешнего, даже весьма слабого сигнала, длина волны которого соответствует длине волны генерации самого усилителя, может возникнуть усиленное стимулированное излучение с той же длиной волны.
Для создания же оптического квантового генератора (ОКГ) необходимо, кроме того, как и в радиочастотном диапазоне, осуществить обратную связь, с тем чтобы часть излучаемой световой энергии все время оставалась внутри активного вещества, вызывая вынужденное излучение все новыми и новыми атомами. Это осуществляется, например, с помощью двух зеркал, образующих резонатор. Активное тело размещается между зеркалами резонатора. Одно из зеркал полупрозрачно. Возникающая в результате спонтанного перехода атомов световая волна усиливается.
Дойдя до полупрозрачного зеркала, свет частично пройдет через него. Эта часть световой энергии излучается оптическим квантовым генератором
(лазером) и может быть использована. Отраженная же от полупрозрачного зеркала световая волна вновь пройдет через активное тело и даст начало новой лавине фотонов. Эта лавина ничем не будет отличаться от предыдущей.
Однако для того чтобы возникла генерация света, усиление света в активном теле должно превышать некоторое значение, называемое пороговым.
Итак, для создания источника когерентного света необходимы следующие условия:
1. Активное тело с инверсией населенностей.

66 2. Активное тело должно быть помещено между двумя зеркалами (одно из которых полупрозрачное), образующими резонатор и осуществляющими обратную связь в процессе генерации.
3. Усиление, даваемое активным телом, т.е. число возбужденных электронов, атомов или молекул в активном теле, должно быть больше порогового значения.
13
В качестве примера рассмотрим оптический квантовый генератор на рубине, схема работы которого изображена на рисунке. Цифрами обозначены:
Резонатор
1. Непрозрачное зеркало 2.Источник возбуждения. 3. Полупрозрачное зеркало. 4. Стимулированное излучение 5. Активное тело
Активным телом этого генератора является рубин, представляющий твердое кристаллическое вещество, основой которого является бесцветный диэлектрический кристалл окиси алюминия - корунд. При замещении некоторого количества ионов алюминия ионами хрома корунд превращается в рубин - кристалл розовато-красного цвета. Рубин, используемый в лазерах, содержит примерно 0,035—,07 весовых процентов атомов хрома. Именно они и являются стимулятором гене- рации, возникающей в рубиновом стержне.
Для возбуждения атомов хрома применяют оптическую накачку, в качестве которой могут быть использованы высокоинтенсивные источники света — лампы-вспышки. Импульсная лампа-вспышка излучает широкий спектр, из которого для перевода ионов хрома в возбужденное состояние используется только узкий участок около 0,41 и 0,56 мкм. Энергия излучения этих длин волн лампы-вспышки как раз и переводит ионы хрома на верхний энергетический уровень, создавая тем самым состояние с инверсией населенностей, являющееся необходимым условием возникновения генерации в рубине.
Энергия, накапливаемая в атомах активного тела лазера, освобождается затем в виде монохроматического излучения при переходе атомов или ионов из метастабильного состояния в основное.
Резонатор лазера, образованный двумя зеркалами, предназначен для того, чтобы возвращать часть индуцированного излучения обратно в активное тело — рубиновый стержень, заставляя тем самым другие возбужденные атомы испускать свет. Таким образом, в стержне накапливается значительная энергия, которая испускается в виде одного

67 мощного импульса лазерного света через полупрозрачное зеркало резонатора.
Зеркала, образующие резонатор, должны быть строго параллельны относительно друг друга, так как даже при незначительном отклонении параллельности генерация срывается.
Длина резонатора, т. е. расстояние между зеркалами, определяет весьма важные характеристики оптического квантового генератора: угол расходимости излученного лазером пучка энергии, мощность и плотность излучения.
Для питания системы накачки используется система мощных конденсаторов.