РАЗДЕЛ 2
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЛАЗЕРНОГО ПУЧКА С ДУГОВОЙ ПЛАЗМОЙ. КОМБИНИРОВАННЫЙ ЛАЗЕРНО-ДУГОВОЙ РАЗРЯД
При реализации многих из рассмотренных выше процессов лазерно-дуговой обработки материалов лазерный пучок проходит определенное расстояние в плазме столба дуги. Происходящее при этом взаимодействие лазерного излучения с плазмой дугового разряда может приводить к существенному изменению полного энергетического баланса разряда, а также к перераспределению локальных характеристик дуговой плазмы, связанному с локальным характером ее нагрева сфокусированным лазерным пучком. Кроме того, в результате поглощения и рефракции лазерного излучения в плазме может наблюдаться значительное перераспределение интенсивности излучения и в самом лазерном пучке. В том случае, когда мощность, вносимая в плазму дуги лазерным излучением, соизмерима с ее электрической мощностью, реализуется новый тип разряда - комбинированный лазерно-дуговой разряд [30], свойства которого отличаются как от свойств обычной дуги, так и от свойств оптического разряда, поддерживаемого лазерным излучением.
Исследованию дугового разряда и его использованию для нагрева и ускорения газа в дуговых генераторах плазмы (плазмотронах) посвящено большое количество работ (см., например, [93-99] и приведенную там библиографию). Довольно подробно изучены и различные виды оптического разряда [99-101], а также принципы создания на его основе лазерных плазмотронов [102]. Свойства же комбинированного разряда, возникающего при взаимодействии сфокусированного лазерного излучения с плазмой электрической дуги, исследованы недостаточно. Поэтому целью настоящего раздела диссертации является теоретическое описание процессов взаимодействия лазерного пучка с дуговой плазмой, разработка математической модели и детальное компьютерное моделирование комбинированного разряда, генерируемого с помощью лазерно-дугового плазмотрона.
2.1. Физические процессы при взаимодействии сфокусированного лазерного излучения с плазмой столба электрической дуги и математическая модель комбинированного разряда
2.1.1. П о с т а н о в к а з а д а ч и. Рассмотрим дуговой разряд постоянного тока, находящийся под воздействием сфокусированного излучения лазера непрерывного действия, при следующих условиях. Дуга горит с тугоплавкого катода в аксиальном потоке плазмообразующего газа и на начальном участке разряда стабилизируется стенкой цилиндрического плазмоформирующего канала сопла плазмотрона, вдоль оси которого распространяется сфокусированный лазерный пучок (рис. 2.1). Открытый участок разряда (вне плазмоформирующего канала) обдувается коаксиальным потоком защитного газа, давление во внешней среде атмосферное. Указанные условия реализуются, например, в устройствах для лазерно-плазменной (Л+ПД) сварки и обработки материалов, описанных в работах [31, 40-43].
При построении математической модели рассматриваемого разряда будем предполагать, что кольцевой тугоплавкий катод (или система штыревых термокатодов, расположенных по окружности) имеет соосный с плазмоформирующим каналом внутренний тонкостенный цилиндрический насадок радиуса R1 (см. рис. 2.1), образующий вместе со стенкой канала кольцевое электродное сопло, через которое подается часть плазмообразующего газа и протекает весь ток дуги I. Выходное сечение насадка примем за начало расчетного участка разряда (z = 0) и будем полагать, что оно находится на достаточном удалении от рабочего торца катода. Это позволит на первом этапе исключить из рассмотрения прикатодные процессы, считать кольцевой поток дуговой плазмы на срезе катодного насадка осесимметричным и одномерным в направлении оси OZ и тем самым корректно задать входные граничные условия. Предположим также, что остальной
Рис. 2.1. Схема комбинированного разряда в лазерно-дуговом плазмотроне: 1 - тугоплавкий катод (или система катодов); 2 - анод дуги; 3 - сопло плазмотрона; 4 - катодный насадок; 5 - граница плазмы; 6 - граница лазерного пучка
плазмообразующий газ подается через внутреннюю полость насадка (см. рис. 2.1) и поступает в канал холодным, причем его расход G1 может варьироваться независимо от расхода G2 плазмообразующего газа, подаваемого через электродное сопло. Наконец, допустим, что анод дуги расположен достаточно далеко от выходного сечения канала плазмотрона и находится за пределами расчетной области. Это предположение позволит при расчете характеристик плазмы исследуемого разряда не учитывать прианодные дуговые процессы.
Физические явления, происходящие в рассматриваемой системе, можно представить себе следующим образом. Благодаря процессам теплопроводности и вязкости температура осевого потока холодного плазмообразующего газа повышается и он вовлекается в поток дуговой плазмы. В результате на некотором расстоянии ZI от выходного сечения насадка столб дуги схлопывается, т.е. заполняет все сечение плазмоформирующего канала. В зависимости от конструкции катодного узла, радиуса канала RC и его длины LC, расходов G1 и G2 плазмообразующего газа и тока дуги это будет происходить либо на стабилизированном стенкой (ZI < LC), либо на открытом (ZI > LC) участке разряда. Сфокусированный лазерный пучок мощностью Q0 проходит через отверстие катодного насадка и при z = ZI попадает в плазму столба дуги (см. рис. 2.1). Здесь начинается поглощение энергии лазерного излучения, вызывающее дополнительный локальный (в связи с малыми поперечными размерами пучка) нагрев дуговой плазмы. Если мощность, вкладываемая в плазму лазерным излучением, соизмерима с мощностью, выделяющейся в ней за счет протекания электрического тока, то на участке лазерно-дугового взаимодействия может происходить настолько существенное изменение характеристик дуговой плазмы, что рассматриваемый разряд по существу перестает быть дуговым и возникает новый вид разряда - комбинированный лазерно-дуговой разряд. Ослабление пучка за счет поглощения и рефракции в плазме приводит к постепенному снижению его вклада в энергетический баланс комбинированного разряда. В результате, начиная с нек