Непрерывная лазерная сварка.

Если применение лазерной импульсной сварки в некоторых отраслях промышленности можно считать решенным вопросом, то разработка и внедрение методов непрерывной лазерной сварки находятся на первоначальном этапе. Возможности сварки лазерным лучём в значительной мере определяются мощностью источника энергии. В настоящее время непрерывные газовые СО2-лазеры мощностью 5-10кВт и более открывают широкую перспективу для использования в машиностроении.

Исследования тепловых процессов при лазерной сварке с помощью СО2-лазера мощностью 5-6кВт показали следующее:

Важным показателем процесса сварки является эффективный КПД процесса

-где -мощность излучения переданная в металл, -мощность излучения;

,т.к. частично луч отражается и рассеивается в окружающее пространство. При лазерной сварке низкоуглеродистой стали , при сварке титанового сплава . По этому параметру лазерная сварка не уступает дуговой.
другим показателем процесса сварки является термический КПД :

Где -мощность лазерного излучения, идущая на плавление металла при сварке;

,т.к. часть энергии рассеивается за счет теплопроводности, т.е. идет на нагрев металла вблизи сварного шва без плавления.

Термический КПД при лазерной сварке существенно выше, чем при дуговой. Например, при лазерной сварке сталей и титановых сплавов , а при дуговых видах сварки не превышает, как правило, . Это обусловлено тем, что нагрев металла имеет локальный характер из-за высокой плотности лазерного излучения.

Непрерывная лазерная сварка высокое качество сварного шва при высокой производительности процесса. Например, скорость сварки для сталей достигает 21м/мин,

для титановых сплавов 3м/мин. Это выше, чем у традиционных методов сварки. Глубина сварного шва может достигать 2 см и более. Рассмотрим влияние различных факторов на различные параметры непрерывной лазерной сварки.

Одним из важнейших параметров сварного соединения является глубина сварного шва. По этому параметру можно судить о предельной толщине свариваемых деталей. Глубина сварного шва зависит прежде всего от мощности излучения. Эта зависимость имеет следующий вид-см. ниже. Она построена по результатам исследования различных материалов.

Из рис.видно, что при Ри>1кВт наблюдается значительное увеличение сварного шва, т.е.глубины проплавления. Это происходит из-за увеличения глубины проникновения лазерного излучения, т.к.наблюдается режим проплавления материала с испарением и выплеском расплава.

 

 

Важным параметром процесса лазерной сварки является скорость сварки, т.е. скорость движения луча по поверхности материала в процессе получения сварного соединения (V).

Этот параметр является показателем производительности лазерной установки при выполнении технологической операции. Скорость сварки зависит прежде всего от мощности лазерного излучения (Pи) и глубины сварки(H). Взаимосвязь этих параметров можно проиллюстрировать графически.

Зависимости V=f(Pи) для нержавеющей стали при использовании CO2- лазеров непрерывного излучения для H=const.

Из рис() видно, что с увеличением мощности излучения Pи скорость сварки возрастает почти по линейному закону. Таким образом, производительность установки при лазерной сварке прямо пропорциональна мощности излучения и теоретически может увеличиваться бесконечно путем увеличения этой мощности. С увеличением глубины сварного шва Н, скорости сварки V заметно уменьшается. Причем связь этих величин для лазерной сварки удобно рассматривать в сравнении с электронно-лучевой сваркой.

 

Рис..Зависимости H=f(V) при Pи=10 кВт=const для нерщавеющей стали.

 

При скорости V=1.2-1.0 (м/мин) глубина сварного шва составляет~70%. Глубины проникновения электронного пучка. Это объясняется образованием поглощающей плазмы при лазерной сварке. При скорости >10(м/мин) различие между лазерной сваркой и лучевой практически отсутствует, т.е. лазерная сварка может успешно соперничать с электронно-лучевой сваркой, но при этом не требуется применение сложной вакуумной системы.

Показателем эффективности процесса непрерывной лазерной сварки является погонная энергия сварки, т.е. затраченной на единицу длины сварного шва. Погонная энергия может быть определена по формуле

(Дж/м), где P-мощность берётся равной либо мощности подводимой к излучателю Pвх, либо мощности потребляемой из сети Рс.

Например: если необходимо сравнить по этому параметру различные виды лазерного излучения, то берётся , если необходимо сравнить различные типы излучателей при одинаковом лазерном излучении, то надо брать ; если необходимо сравнить различные лазерные установки или их высоковольтные источники питания, то целесообразно брать .

Очевидно, что на практике необходимо стремиться к уменьшению этого показателя. Действительно, чем меньше значение We, тем эффективнее используется энергия лазерного излучения(либо энергия подводится к выключателю, либо потребляется из сети). Погонная энергия зависит от большого количества различных факторов: rф, V, H, B, Pи, расфокусировка и др. При этом надо добиваться такого сочетания этих параметров, чтобы значение погонной энергии было минимальным. Решение такой задачи дело непростое, но необходимое при использовании лазерной технологии. Для этой цели удобно использовать методы многофакторного анализа и поиска оптимальных решений.

Повышение эффективности непрерывной лазерной сварки, т.е. снижение We, можно достичь различными технологическими приёмами. Здесь можно привести некоторые примеры.

Существенное влияние на эффективность непрерывной лазерной сварки оказывает состав газовой среды в зоне взаимодействия луча и свариваемого материала(металла). Для иллюстрации можно привести результаты исследования эффективности проплавления стальных пластин при непрерывной лазерной сварке в среде различных газов в виде таблицы. Опыты выполнены при Ри=5 кВт, V=~2 мм/мин.

 

Газ	Н (мм)	Н/В	We*
Не, Гелий	6,1	2,8	1/1,3=0,77
СО2, Углекислый газ	5,1	1,8	1/1,24=0,8
Воздух	4,9	2,1
N2, Азот	4,2	1,9	1/0,94=1,07
Ar, Аргон		0,6	1/0,18=5,55

 

Где - относительное значение погонной энергии, т.е. за единицу принято значение We для воздуха.

Из таблицы видно, что максимальные значения Н-глубины проплавления, Н/В(В-ширина шва) и We получается при сварке в среде гелия, максимальная в среде аргона. При изменении параметров технологического процесса т.е. V,rф, Ри, значения Н, В и We* изменяются, но закономерности представленные в таблице сохраняются.

При лазерной сварке в среде защитных газов часта используют смеси газов. Были выполнены исследования эффективности сварки в смеси аргон-гелий. Было установлено, что при концентрации Не в такой смеси 40%-50% и более погонная энергия снижается до значения, соответствующему чистому Не. Такой результат имеет важное практическое значение, т.к. позволяет снизить затраты дорогостоящего Не на 50%-60% при неизменной эффективности процесса сварки.

Эффективность лазерной сварки зависит от угла наклона лазерного луча к поверхности свариваемых деталей. Наиболее эффективное использование энергии лазерного излучения достигается при угле 70-75%. Эффективность сварки зависит от от конструкции сопла для подачи газовой технологической среды в зону сварки. В этом случае наряду с защитной зоны сварки происходит подавление плазмы и защита фокусирующих элементов от загрязнения порами брызгами металла.

Установлено также, что эффективность лазерной сварки зависит от расположения свариваемых деталей. Например, при вертикальном расположении деталей и качество выше по сравнению с вертикальным расположением луча.

Эффективность и глубина сварки могут быть повышены с помощью присадочного материала подаваемого в зону сварки в виде проволоки или порошка. Это может быть достигнуто также применением сканирования луча.

Увеличение эффективности и глубины сварки достигается также использованием прерывистого луча лазера. При этом частота, длительность, скважность и форма импульсов может быть доведена до оптимальных значений. В этом случае потери энергии на отражение снижаются до минимума, а энергия луча почти полностью поглощается расплавленным металлом без образования плазмы.

В некоторых случаях лазерную сварку необходимо осуществлять с изменением мощности излучения по определенному оптимальному закону(кольцевые и круговые швы).

Результат лазерной непрерывной сварки оценивают по различным параметрам: статистическая прочность свариваемого соединения, статистическая прочность металла шва и различных участков околошовной зоны, ударная вязкость металла шва, наличие дефектов в шве(например, микротрещины, поры, несплавления, несплошности)

В МВТУ им. Н.О.Баумана были выполнены сравнительные исследования дуговой, электронно-лучевой и лазерной сварки различных видов сталей и тщательно очищенных сплавов. Было получено, что при ЛС и ЭЛС в месте шва имеет прочности не выше 96-98% от прочности основного металла. В случае дуговой сварки этот показатель имеет величину 12-15% ниже, чем для ЛС и ЭЛС. Погонная энергия дуговой сварки в 3-6 раз выше погонной энергии лазерной сварки.

 

Сверление отверстий.

При получении отверстий с помощью лазерного излучения используются физические явления, которые наблюдаются на стадии разрушения при взаимодействии лазерного излучения с веществом, т.е. явления интенсивного испарения материала и уноса расплава газовой струёй.

При этом лазерное излучение имеет такие параметры, при которых наблюдается интенсивное испарение материала, но не образуется плазмы.

В настоящее время получили применение два метода лазерной обработки материалов при получении отверстий:

– метод копирования, при котором формируемое отверстие повторяет с той или иной степенью точности форму луча в поперечном сечении,

– метод обхода по контуру, при котором форма обрабатываемой поверхности определяется траекторией относительного перемещения луча и обрабатываемой детали.

Метод копирования.

При таком методе отсутствует относительное перемещение луча и детали в направлении в направлении перпендикулярном оси луча, т.е. излучение воздействует только в одну точку на поверхности детали.

Необходимая форма сечения луча может быть получена с помощью оптических систем с использованием диафрагм, масок и шаблонов. Это позволяет повысить точность круглых отверстий, а также получать отверстия некруглой формы.

Например:

Если в таком случае поставить диафрагму с круглым отверстием, то точность получаемого отверстия существенно повышается.

При использовании метода копирования обычно применяют импульсные лазеры.

Метод обхода по контуру.

Контурная обработка может быть применена для расширения и вырезания отверстий любой формы поперечного сечения.

 

При использовании такого метода обычно используют как импульсные лазеры, так и лазеры непрерывного излучения.

В первом случае непрерывный контур получается в результате последовательного наложения отверстий друг на друга: с некоторым смещением.

Здесь будем рассматривать применение только импульсных лазеров, т.к. применение лазеров непрерывного действия выделено, как самостоятельная технологическая операция – лазерная резка.

Этот вопрос рассматривается далее.

Определение размеров отверстий.

При получении отверстий с помощью импульсных лазеров важно уметь заранее рассчитывать размеры этих отверстий в зависимости от энергии импульса излучения и других факторов.

В процессе лазерной обработки отверстие увеличивается в глубину в основном за счёт испарения, а по диаметру – за счёт плавления стенок и вытеснения жидкости избыточным давлением паров. Процесс увеличения отверстия удовлетворительно описывается той математической моделью, основы которой мы рассматривали ранее (при изучении физических процессов взаимодействия лазерного излучения с веществом).

Используя приведённые там соотношения можно получить следующие формулы для расчёта глубины и диаметра отверстия к моменту окончания импульса излучения, полагая t=t_и и W_и=Р_и·t_и.

все величины известны.

Из формул видно, что глубина и диаметр отверстия зависят от энергии излучения нелинейным образом. Кроме этого существенное влияние оказывает величина tg γ.

При этом практическое значение имеет величина отношения:

 

Из этой формулы видно, что чем меньше tg γ, тем больше h/d. Т.е. отверстие в большей степени увеличивается в глубину, чем в диаметре.

Так-как tg γ≠0, поэтому по мере углубления отверстия происходит расфокусировка пучка излучения, если фокальная плоскость совмещена с поверхностью образца. Это приводит к уменьшению плотности светового потока на дне отверстия. В результате существуют предельные размеры отверстия, которые достигаются при неограниченном числе импульсов с заданной энергией W_и. Эти размеры можно определить следующим образом. Рост отверстия прекращается если плотность энергии на дне отверстия не будет превышать плотности энергии, соответствующей нижней границе разрушения W_s1 . Т.е. можно записать

 

Отсюда

 

Исходя из геометрических построений предельная глубина определяется по формуле

 

 

Для ориентировочных расчётов можно принять W_s1=q₁*· t_и 10³ Дж/см²

Например: W_и=1 Дж (наш лабораторный лазер), r_Ф=2·10^{-3 см,} tg γ=0,2

Получаем d_пред=0,04 см, h_пред=0,2 см.

 

Способы лазерной обработки

материалов при получении отверстий.

Способ многоимпульсной обработки.

Многоимпульсный способ обработки получил наибольшее распространение. При этом получение отверстия достигается путём воздействия не одиночного импульса, а серии из большого количества n импульсов. При этом происходит постепенное (послойное) углубление отверстия до необходимой величины.

Следует отличать три важные особенности многоимпульсного способа обработки.

Первая особенность – Этот способ позволяет получать отверстия серией коротких импульсов с высокой плотностью энергии, период следования которых значительно больше времени остывания материала. В результате резко уменьшается зона термического влияния, а также уменьшается доля расплава в продуктах разрушения. (т.е. удаление материала происходит преимущественно в виде паров). Это позволяет получать отверстия в хрупких материалах без опасности их растрескивания, а также обеспечить высшую точность и качество отверстий.

Вторая особенность – заключается в возможности изменения взаимного расположения обрабатываемой детали и фокусирующей оптической системы в процессе получения одного отверстия. При этом оказывается возможным сохранить примерно постоянной плотность энергии на движущейся границе испарения по всей глубине отверстия. Это достигается относительным смещением оптической системы и образца перед очередным импульсом на величину, равную толщине слоя, испарённого за предыдущий импульс. В результате повышается точность обработки.

Последняя особенность – при многоимпульсном способе обработки повышается воспроизводимость результатов обработки за счёт уменьшения влияния нестабильности различных параметров. Например, замена одного импульса с энергией W_и на n импульсов с энергией W_и /n при одной и той же нестабильности характеристик лазера приводит с увеличением n к уменьшению среднеквадратичных отклонений размеров отверстий в раз.

 

Области применения этого способа:

многоимпульсный способ применяется для решения двух различных технологических задач:

а) Получение максимально глубоких отверстий без особо жёстких требований к их точности (не выше 3-го класса) и форме.

б) Получение прецизионных отверстий (3-го класса точности и выше)

 

Рассмотрим более подробно оба режима обработки.