Способ накачки лампы твердотельного излучателя в импульсно- периодическом режиме и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к лазерной технике, а именно к обработке металла лазерным лучом. Способ накачки ламп твердотельного излучателя в импульсно-периодическом режиме заключается в поджиге лампы, формировании дуги, повышении напряжения, что ведет к увеличению тока через лампу до появления генерации. После поджига лампы подают положительные полуволны с частотой 150 - 180 Гц, формируют устойчиво горящую дугу с током 15-17 А, изменяют длительность полуволн от 3,0 до 6,5 мс и формируют импульс мощностью, определяемой из приведенной математической зависимости. Устройство для реализации способа состоит из последовательно связанных трансформатора, трехфазного выпрямителя и блока зажигания. Блок управления и усилитель постоянного тока последовательно соединены между собой и выпрямителем, а блок подпитки параллельно выпрямителю. Устройство дополнительно снабжено блоком защиты от ударной волны и блоком защиты от высокого напряжения. Блок защиты от ударной волны соединен последовательно-параллельно между выпрямителем и лампой накачки. Блок защиты от высокого напряжения соединен последовательно-параллельно между выпрямителем и блоком зажигания. Предусмотрен также контакторный ключ, установленный между блоком подпитки и выпрямителем. 2 с. и 2 з.п. ф-лы, 1 табл., 5 ил.

Изобретение относится к лазерной технике, а именно к обработке металла лазерным лучом.

Известны лазеры серии "Квант", имеющие импульсный источник накачки ламп, которые нашли применение в технологических процессах сварки, маркировки металлов и сплавов [1].

Однако применение их в технологии резки материалов затруднено из-за низкого значения частоты следования импульсов, а вследствие этого низкой средней мощности излучения.

Лазеры серии ЛИТ, применяемые в технологии резки листовых материалов, имеют импульсный источник питания ламп накачки [2].

Недостатками известного лазера являются внесение электрических помех в совмещенные с лазером блоки ЧПУ оборудования, а также низкая электробезопасность обслуживающего персонала от случайных пробоев электрическим током.

Наиболее близким по техническому решению к изобретению является способ накачки лампы твердотельного излучателя на примере источника питания СПИК 1, при котором поджиг лампы осуществляется путем подачи высоковольтного короткого импульса 25-30 кВ, подачи подпитывающего напряжения 1500 В для формирования устойчивой дуги в лампе, подачи силового питания на лампу. При изменении напряжения питания на лампу изменяется проходящий через нее ток, а при увеличении тока накачки появляется генерация на выходе излучателя [3].

Недостатками непрерывного способа накачки лампы являются ограниченный диапазон непрерывного режима, так как при обработке материалов происходит перегрев граничных кромок и нарушение его структуры, тудность подбора технологического режима обработки как по току накачки, так и по номенклатуре материалов. При применении непрерывного излучения нет возможности в повышении выходной мощности излучения, чтобы повысить мощность, необходимо переходить на другие более мощные системы.

Наиболее близким устройством того же назначения к заявленному устройству в группе изобретений по совокупности признаков является устройство для накачки ламп твердотельного излучателя, состоящее из последовательно связанных между собой трансформатора, трехфазного выпрямителя и блока зажигания, при этом блок управления и усилитель тока последовательно соединены между собой и выпрямителем, а блок подпитки - параллельно выпрямителю.

Недостатком известного устройства является наличие емкостного фильтра, состоящего из дросселя и набора электролитических конденсаторов, которые необходимо поддерживать в рабочем состоянии. Находясь в нерабочем состоянии в течение 10-15 дней, перед работой необходимо производить тренировку конденсаторов системы питания путем заряда и разряда с постепенным повышением напряжения до рабочего, и выдерживать на рабочем напряжении не менее 30 мин. Кроме того, ресурс работы конденсаторов ограничен и высока их себестоимость.

Технический результат - улучшение технологических характеристик обработки за счет повышения плотности мощности излучения на поверхности обрабатываемого материала.

Указанный единый технический результат при осуществлении группы изобретения достигается тем, что в известном способе накачки лампы твердотельного излучателя в импульсно-периодическом режиме, заключающемся в поджиге лампы, формировании дуги, повышении напряжения и как следствие увеличении тока через лампу до появления генерации, особенность заключается в том, что после поджига лампы подают положительные полуволны с частотой 150-180 Гц, формируют устойчиво горящую дугу с током 15-17 А, изменяют длительность полуволн от 3,0 до 6,5 мс и формируют импульс мощностью, определяемой из соотношения: где оптимальная плотность мощности лазерного излучения; - коэффициент повышения КПД системы при переводе ее из непрерывного в импульсно-периодический режим = 1,1-1,12; P_{ср.непр.} - средняя мощность непрерывного режима излучения; n - длительность полуволны периода повторения импульсов, мс; m - длительность импульса в период одной полуволны, мс.

Поставленная задача достигается также тем, что устройство для накачки лампы твердотельного излучателя в импульсно-периодическом режиме, состоящем из последовательно связанных трансформатора, трехфазного выпрямителя и блока зажигания, при этом блок управления и усилитель постоянного тока последовательно соединены между собой и выпрямителем, а блок подпитки - параллельно выпрямителю, дополнительно снабжено блоком защиты от ударной волны и блоком защиты от высокого напряжения, причем блок защиты от ударной волны соединен последовательно-параллельно между выпрямителем и лампой накачки, а блок защиты от высокого напряжения соединен последовательно-параллельно между выпрямителем и блоком зажигания, при этом предусмотрен контакторный ключ, установленный между блоком подпитки и выпрямителем. Кроме того, блок защиты от ударной волны состоит из параллельно соединенных между собой резистора и диода и последовательно соединенных с ними конденсатора, а блок защиты от высокого напряжения состоит из диода, связанного последовательно с параллельно соединенными конденсаторами.

Заявляемый способ и устройство позволяют получить принципиально новые возможности построения мощностных характеристик пучка лазерного излучения с более высоким КПД всей системы.

На фиг. 1 представлен график распределения мощности излучения в серии импульсов; на фиг. 2 - структурная схема устройства по 2-му пункту формулы; на фиг. 3 - блок-схема устройства по 3-му пункту формулы; на фиг. 4 - блок-схема устройства по 4-му пункту формулы; на фиг. 5 - принципиальная электрическая схема устройства.

Способ накачки лампы твердотельного излучателя в импульсно-периодическом режиме осуществляется следующим образом.

Поджиг лампы накачки производится в три этапа: на первом этапе формируются высоковольтные импульсы, напряжением 25-30 кВ и длительностью 0,5-0,6 мкс, которые, попадая на лампу, формируют в ее межэлектродном зазоре электрическую дугу. Так как время жизни этой дуги мало - 0,2-0,5 мкс, на втором этапе вступает в работу источник подпитки дежурной дуги с напряжением 1500-1700 В. На третьем этапе включается основной источник питания, который осуществляет накачку лампы положительными полуволнами с помощью тиристоров. Изменяя угол открытия тиристоров в выпрямителе, можно изменять длительность полуволн, что приводит к изменению тока в лампе и позволяет регулировать выходную мощность излучения.

Напряжение на лампе имеет пульсирующий характер с частотой напряжения в сети 150-180 Гц. Ток дежурной дуги в импульсно-периодическом режиме составляет 15-17 А и устанавливается индивидуально для каждой лампы за счет начального угла открывания тиристоров. Регулировка и стабилизация выходного тока в выпрямителе происходит за счет обратной связи, установленной в положительной цепи. Напряжение обратной связи, снимаемое на неинвертирующий вход 3 микросхемы D1 с шунта R_ос обратной связи, устанавливается и подается на инвертирующий вход 2 микросхемы D2. На неинвертирующий вход 3 микросхемы D2 подается стабилизированное опорное напряжение.

Стабилизация выходного тока осуществляется следующим образом. Предположим, что выходной ток системы увеличился, следовательно, увеличилось напряжение обратной связи с шунта R, поступающее на вход 3 микросхемы D1. Напряжение на выходе 6 микросхемы D1 увеличивается, а напряжение рассогласования на выходе 6 микросхемы D2 уменьшается, что приводит к увеличению угла включения тиристоров и уменьшению выходного тока системы.

Длительность полуволн устанавливается из расчета: минимальная длительность (3 мс) выбирается исходя из времени, необходимого для создания условий генерации излучения (при меньшем значении минимальной длительности дуга будет гаснуть), максимальная длительность (6,5 мс) выбирается исходя из энергетических характеристик лампы (при большем значении максимальной длительности лампа выходит из строя).

Так как лампа работает в импульсно-периодическом режиме, генерация с активного элемента имеет импульсный характер, но в отличие от ламп импульс излучения возникает не с какой-то величины, а с 0, поэтому при том же значении средней мощности пиковая мощность выше в 2-3 раза. Это позволяет уменьшить время воздействия на обрабатываемый материал, и как следствие уменьшается зона термического влияния на обрабатываемую кромку. Это позволяет увеличить толщину обрабатываемого материала и повысить качество обработки.

Из представленных графиков (фиг. 1) видно, что при предлагаемой схеме накачки ламп твердотельного излучателя при одинаковых значениях потребляемой мощности удается получить более высокую, на 10-12% выходную мощность генератора по сравнению с непрерывным режимом, причем предлагаемый способ построения режима следования импульсов излучения не оказывает влияния на внутрирезонансные процессы (тепловые линзы активных элементов в генераторе, расходимость излучения и стойкость оптических элементов).

Следовательно, P_ср.имп. = P_ср.н., где
P_ср.имп. - средняя мощность импульсно-периодического режима излучения;
P_ср.н. - средняя мощность непрерывного режима излучения;
- коэффициент повышения КПД системы при переводе ее из непрерывного в импульсно-периодический режим = 1,1-1,12.

При значениях f = 150 Гц, n = 6,6 мс, m = 2...6,5 мс, I = 17-36 А мощность единичного импульса примет вид:

где
n - длительность полуволны периода повторения импульсов, мс;
m - длительность импульсов в период одной полуволны, мс.

Предлагаемый способ реализован в устройстве, которое состоит из последователньо соединенных между собой трансформатора 1, трехфазового выпрямителя 2, состоящего из диодов UD1...UD3 и тиристоров UT1...UT3, блока зажигания 3 и последовательно связанных между собой и выпрямителем 2, блока управления 4 и усилителя постоянного тока (УПТ) 5. Усилитель постоянного тока собран на 2-х интегральных микросхемах - операционных усилителях D1 и D2 и предназначен для усиления напряжения обратной связи, установки заданной величины выходного тока, а также установки пределов регулировки тока. На устройстве установлены блок защиты от ударной волны 6, состоящей из параллельно соединенных между собой резистора и диода и последовательно с ними установленным конденсатором, и блок защиты от высокого напряжения 7, состоящий из диода, связанного последовательно с параллельно соединенными конденсаторами. Кроме того, блок защиты от ударной волны соединен последовательно-параллельно между выпрямителем 2 и лампой накачки, а блок защиты от высокого напряжения 7 связан последовательно-параллельно между выпрямителем 2 и блоком зажигания 3. Между блоком подпитки 8 и выпрямителем 2 предусмотрен контакторный ключ 9.

Работая источника питания по предлагаемому способу заключается в следующем.

Трехфазное напряжение частотой 50 Гц поступает на выпрямитель 2. С блока управления 4 на холостом ходу (без нагрузки) на управляющие электроды тиристоров подаются короткие импульсы для того, чтобы тиристоры были приоткрыты и готовы к работе. На входе источника присутствует напряжение 250 В.

При поджиге лампы в блоке зажигания 3 формируются короткие высоковольтные импульсы, которые, попадая на лампу накачки, формируют электрическую дугу. В это время включается контактор K1, который подает дополнительное напряжение (напряжение подпитки) = 1500-1700 В. Источник питания начинает выдавать из выпрямителя импульсы частотой 150-180 Гц, поступающие на лампу.

При поджиге лампы в блоке зажигания формируются короткие высоковольтные импульсы (20-30 кВ), которые могут проникнуть до элементов силового питания, и из-за большой разницы потенциалов на электродах привести их к пробою. Для того чтобы избежать этого, вводится блок защиты от высокого напряжения 7, который не влияет на качество выходных импульсов (не сглаживает их из-за малой емкости), но предотвращает возможность прохода короткого высоковольтного импульса в силовую часть.

В начальный момент времени сопротивление сформировавшейся дуги минимально, а напряжение на ее электродах соответствует холостому ходу источника (max), что приводит к быстрому росту прохождения тока через лампу и возникновению в ней ударной волны. Для того чтобы избежать возникновения ударной волны, способной вывести лампу из строя, в отрицательную цепь лампы вводят блок защиты от ударной волны 6.

В результате проведенных испытаний при значениях f = 150 Гц и I = 17-36 А были получены сравнительные характеристики обработки сталей 65 Г и 40 Х толщиной 4 мм в непрерывном и импульсно-периодическом режимах (таблица).

Источники информации
1. Герасев С. А. , Герасев О.А., Никитин А.М., Опре В.М. Современные системы питания твердотельных лазерных технологических установок.- Л., 1990.

2. Голубев В.С., Лебедев Ф.В. Физические основы технологических лазеров. - М.: Высшая школа, 1987.

Система питания, испытания и контроля работы излучателя СПИК-1. Паспорт УРМ 2.625.004 ПС.

Формула изобретения

1. Способ накачки ламп твердотельного излучателя в импульсно-периодическом режиме, заключающийся в поджиге лампы, формировании дуги, повышении напряжения и, как следствие, увеличении тока через лампу до появления генерации, отличающийся тем, что после поджига лампы подают положительные полуволны с частотой 150 - 180 Гц, формируют устойчиво горящую дугу с током 15 - 17 А, изменяют длительность полуволн от 3,0 до 6,5 мс и формируют импульс мощностью

где = 1,1-1,12 - коэффициент повышения КПД системы при переводе ее из непрерывного в импульсно-периодический режим;
Р_{ср.непр} - средняя мощность непрерывного режима излучения;
n - длительность полуволны периода повторения импульсов, мс;
m - длительность импульса в период одной полуволны, мс.

2. Устройство для накачки лампы твердотельного излучателя в импульсно-периодическом режиме, состоящее из последовательно связанных трансформатора, трехфазного выпрямителя и блока зажигания, при этом блок управления и усилитель постоянного тока последовательно соединены между собой и выпрямителем, а блок подпитки - параллельно выпрямителю, отличающееся тем, что устройство дополнительно снабжено блоком защиты от ударной волны и блоком защиты от высокого напряжения, причем блок защиты от ударной волны включен последовательно параллельно между выпрямителем и лампой накачки, а блок защиты от высокого напряжения - последовательно параллельно между выпрямителем и блоком зажигания, при этом предусмотрен контакторный ключ, установленный между блоком подпитки и выпрямителем.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что блок защиты от ударной волны состоит из параллельно соединенных резистора и диода и последовательно соединенным с ними конденсатора.

4. Устройство по п.2, отличающееся тем, что блок защиты от высокого напряжения состоит из диода, связанного последовательно с параллельно соединенными конденсаторами.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6