ТЕОРИЯ сварочных процессов

Взаимодействие лазерного излучения с веществом

Падающий на поверхность вещества световой пучок частично поглощается, а частично отражается. Из оптики известно, что доля энергии отраженного излучения зависит от длины световой волны и состояния поверхности вещества. В табл. 3.2 представлены зна­чения коэффициентов отражения световых волн от чистых, не окисленных полированных поверхностей металлов (при полном отражении этот коэффициент равен единице). Приведенные в табл. 3.2 данные свидетельствуют о том, что значительная доля светового потока отражается от чистой поверхности.

Таблица 3.2. Коэффициенты отражения волн, генерируемых различными лазерами, от металлических поверхностей

Рабочее тело

Длина

волны,

мкм

Материал отражающей поверхности

лазера

Аи

Ag

Си

Мо

А1

Сг

Fe

Ni

Аргон

0,488

0,415

0,952

0,437

0,455

-

-

-

0,597

Рубин

0,6943

0,930

0,961

0,831

0,498

-

0,56

0,58

0,676

Неодимовое

стекло

1,06

0,981

0,964

0,901

0,582

0,733

0,57

0,65

0,741

Углекислый

газ

10,6

0,975

0,989

0,984

0,945

0,970

0,93

0,92

0,941

Для реальных поверхностей, покрытых оксидами и имеющих худшую чистоту обработки, значение коэффициента отражения уменьшается. С ростом температуры вещества на его поверхности стимулируется образование оксидов и других соединений, кото­рые также увеличивают поглощение. Подача в зону обработки ки­слорода или других газов интенсифицирует этот процесс. В ре­зультате можно добиться того, что 20...40 % энергии светового пучка будет поглощено веществом.

Еще большего поглощения энергии лазерного излучения мож­но добиться при нанесении на поверхность веществ с малыми ко­эффициентами отражения (например, газовой сажи, краски, водо­растворимых полимерных покрытий), но в этом случае возможно взаимодействие нанесенного вещества с основным материалом, что не всегда допустимо.

Поглощенное веществом лазерное излучение передает свою энергию электронам вещества, в связи с чем глубина проникания световой энергии в вещество соответствует средней длине свобод­ного пробега электрона, составляющей 5...50 нм для большинства распространенных веществ. Дальнейшая передача энергии из этой зоны в глубь вещества осуществляется вследствие теплопроводно­сти. В отличие от электронного луча энергия лазерного излучения при взаимодействии с веществом в основном превращается в теп­лоту, а доля возникающего при этом рентгеновского излучения пренебрежимо мала.

Лазерное излучение относительно небольшой интенсивности может произвести лишь весьма ограниченные изменения поверх­ности вещества: экспозицию специальных светочувствительных

материалов или выцветание некоторых красок. По мере увеличе-

4 2

ния плотности мощности лазерного излучения до 10 Вт/см (что достаточно просто и быстро осуществляется путем его фокусиров­ки) возможны нагрев и плавление поверхностных слоев материала. Последующее увеличение плотности мощности приводит к уве­личению глубины проплавления; одновременно начинает все больше проявляться эффект испарения веществ.

При увеличении плотности мощности лазерного излучения до 5 6 2

значений 10 ...10 Вт/см доля испаренного вещества начинает рез­ко увеличиваться, образуются отдельные капли и частички вещест­ва, которые под действием паров выбрасываются из зоны обработ­ки. Повышение плотности мощности излучения до максимально

8 2

достижимого значения (примерно до 10 Вт/см для лучших систем фокусировки луча) приводит к интенсивному испарению вещества с минимальным количеством жидкой фазы и выносом его в виде паров из зоны обработки. Для некоторых веществ возможна субли­мация, т. е. переход из твердого состояния сразу в пар. Схема изме­нения характера взаимодействия светового потока с веществом в зависимости от плотности мощности излучения приведена на рис. 3.11.

I II III

Рис. 3.11. Схема взаимодействия лазерного излучения с веществом: I - нагрев; II - плавление; III - испарение

При достаточно высокой плотности мощности излучения в фокальном пятне луча лазера может возникнуть так называемый оптический разряд. Это явление обычно происходит в газах при нормальном давлении и внешне напоминает высокочастотный электрический разряд. Физическая основа образования оптическо­го разряда - возникновение в фокальном пятне термической плазмы вследствие нагрева газа. Неравномерность распределения по объему плазмы заряженных частиц приводит к резкой неравно­мерности распределения электрического потенциала в этом объе­ме и как следствие - к электрическому пробою. Пробой имеет характер миниатюрного взрыва и сопровождается яркой вспыш­кой. Поскольку на образование оптического разряда расходуется большое количество энергии лазерного излучения, в ряде случаев это приводит к нестабильности технологического процесса, в частности сварки; поэтому возникновение оптического разряда стараются предотвратить. Для этого чаще всего прибегают к обду­ву лазерного луча в фокальном пятне потоком газа, перпен­дикулярным направлению луча.

К технологическим преимуществам мощного когерентного ла­зерного излучения следует отнести возможности:

1) передачи энергии в виде светового луча на расстояние (в том числе и через прозрачную разделительную перегородку или по специальному оптическому волноводу);

2) устранения непосредственного силового и электрического контакта источника энергии с изделием в месте обработки;

3) плавного регулирования энергии в пятне нагрева путем из­менения фокусировки луча;

4) получения высокой плотности мощности (концентрацию энергии) в пятне нагрева благодаря «острой» фокусировке излуче­ния;

5) достижения высоких температур в зоне воздействия излуче­ния;

6) получения как импульсов энергии весьма малой длительно-

—9

сти (до 10 с), так и непрерывного излучения;

7) обеспечения малых зон обработки, размеры которых не пре­вышают нескольких микрометров;

8) оперативного перемещения луча системой развертки при не­подвижном объекте обработки с высокой точностью и скоростью;

9) модуляции мощности луча во времени по заданному закону;

10) осуществления технологического процесса в любой опти­чески прозрачной для излучения среде.

Исследование перечисленных особенностей лазерного излучения привело к возникновению групп технологических процессов, в основе которых лежат те или иные физические явления и эффекты.

Лазерная сварка как технологический процесс, связанный с локальным плавлением, находит все более широкое применение, конкурируя как с традиционными способами сварки, так и с элек­тронно-лучевой сваркой.

Импульсные твердотельные лазеры применяют для сварки ма­лоразмерных деталей в микроэлектронике, приборостроении, где важно получать малоразмерные швы с минимальным разогревом окружающего зону сварки материала. Такую сварку можно вести как отдельными точками, так и герметичными швами при после­довательном наложении точек с их перекрытием.

Мощные газовые лазеры позволяют проплавлять за один про­ход, как и при электронно-лучевой сварке, значительную толщину изделий. Экспериментально установлено, что для проплавления

й, мм 20 ■

О 5 10 15 20 Р, кВт

стали на глубину до 5 мм требуется 1 кВт мощности излучения на 1 мм толщины изделий. Однако, как следу­ет из рис. 3.12, при дальнейшем уве­личении мощности лазерного луча глубина проплавления увеличивается меньшими темпами и для сварки из-

Рис. 3.12. Проплавление ста - делий толщиной более 20 мм требу-

ли при сварке СС>2-лазером ются уже весьма мощные лазеры,

потребляющие из сети (с учетом

КПД) сотни киловатт электрической мощности. Электронно­лучевая сварка пока позволяет сваривать за один проход изделия из металла значительно большей толщины (до 100 мм) при меньшей потребляемой от сети мощности.

Так же, как и электронно-лучевая сварка, лазерная сварка дает узкий шов кинжального типа с малыми деформациями сваривае­
мых деталей, что позволяет применять этот способ для соединения окончательно обрабатываемых узлов и деталей.

Прогресс в создании мощных потоков энергии когерентного лазерного излучения идет по пути наращивания мощности излуче­ния с соответствующим увеличением потребляемой электрической мощности. Это, в свою очередь, ведет к техническому усложне­нию лазерного сварочного оборудования, снижению его надежно­сти и технико-экономических показателей и в итоге не позволяет в полной мере реализовать принципиальные возможности лазерной технологии. Лазерная сварка получила дальнейшее развитие в ви­де создания гибридных способов сварки (двухлучевой лазерной, лазерно-дуговой, лазерно-индукционной, лазерно-плазменной, светолазерной), которые находят все большее применение в про­мышленности вследствие своей высокой технико-экономической эффективности. Соединение различных способов сварки с лазер­ной в единый технологический процесс позволяет частично устра­нить недостатки каждого способа и расширить технологические возможности сварочного процесса. Совместное использование ис­точников тепла для гибридных способов сварки дает возможность при значительно меньшей мощности лазерного излучения достичь такой же производительности процесса, как и при обычной лазер­ной сварке. Необходимо также отметить, что использование гиб­ридных способов сварки позволяет повышать производительность процессов металлообработки не за счет дорогостоящей энергии лазерного излучения, а за счет более дешевой энергии второго ис­точника тепла. В этом состоит одно из основных преимуществ гибридных способов соединения и обработки металлов.

* Лазерная сварка неметаллических материалов (в основном стекла и керамики) возможна благодаря тому, что излучение лазе­ра на СО2 с длиной волны 10,6 мкм достаточно хорошо поглоща­ется этими материалами и может быть использовано для их нагре­ва, плавления и последующей сварки. По сравнению с га­зопламенным нагревом, обычно используемым для сварки и пайки стекла, лазерное излучение позволяет увеличить интенсивность нагрева места сварки или пайки (но не более 100 К/с ввиду воз­можности термического растрескивания стекла) и уменьшить зону нагрева, что дает возможность создавать миниатюрные стеклян­ные сварные конструкции.

Резка материалов лазерным излучением может быть основана на локальном плавлении материала и его дальнейшем удалении под действием сил тяжести, конвективного потока или газовой струи. Если же расплавленный материал перегрет и упругость его

паров достаточно высока, образующиеся пары могут быть удалены из зоны резки струей инертного газа и процесс резки может про­исходить более эффективно. При лазерной резке можно получать узкие резы с минимальной зоной термического влияния.

В случае если разрезаемый материал содержит связанную или кристаллизационную воду (органические соединения, минералы), локальный интенсивный нагрев лазерным излучением приводит к разрыву молекулярных связей и испарению воды и других жидких компонентов. В результате испарения этих компонентов внутри материала может возникнуть высокое внутреннее давление, что приводит к образованию микротрещин и выбросу частиц материа­ла. Аналогично протекает процесс резки пористых материалов, содержащих газы, и химических соединений, деструктирующих с образованием газообразных продуктов. На таком принципе осно­вана резка слоистых пластиков, дерева, содержащих кристалличе­скую воду веществ.

Эффективность резки может быть значительно повышена в ре­зультате введения в зону резки активного газа, например кислоро­да. Экзотермическая реакция между разрезаемым материалом и кислородом значительно увеличивает выделение энергии в месте взаимодействия излучения с материалом. На этом принципе осно­ван процесс газолазерной резки. Кислород в этом процессе осуще­ствляет следующие функции:

1) обеспечивает в результате реакции окисления выделение ос­новной части энергии, необходимой для резки;

2) значительно увеличивает поглощательную способность ма­териала вследствие создания на его поверхности оксидов, имею­щих меньший коэффициент отражения по сравнению с основным металлом;

3) снижает поверхностное натяжение расплавленных металлов, имеющих жидкотекучие оксиды;

4) благодаря газодинамическому давлению способствует уда­лению расплавленных оксидов из зоны резки;

5) охлаждает кромки разрезанного материала.

При газолазерной резке металлов лазер непрерывного из­лучения на углекислом газе мощностью до 5 кВт позволяет в струе кислорода резать листы из малоуглеродистых сталей толщиной до 10 мм, из легированных и коррозионно-стойких сталей - до 6 мм, из никелевых сплавов - до 5 мм, из титана - до 10 мм. Металлы, образующие тугоплавкие оксиды с малой вязкостью, газолазерной резкой разделяются плохо, так как удаление оксидов из зоны резки в этом случае затруднено. К таким металлам относятся алюминий и его сплавы, магний, латунь, хром и целый ряд других металлов, которые выгоднее резать плазменной резкой.

ТЕОРИЯ сварочных процессов

Граничные условия

Чтобы решить дифференциальное уравнение теплопроводно­сти, необходимо задать распределение температур в начальный момент времени (начальное условие) и условия взаимодействия тела с окружающей средой на его границах (граничные условия). Начальное условие определяется …

Основные допущения и упрощения, принятые в классической теории распространения теплоты при сварке

На современном уровне развития математики аналитическое решение уравнения теплопроводности в общем виде (5.21) еще не найдено, однако при введении некоторых допущений и упрощений можно получить пригодные для практического использования ча­стные …

Дифференциальное уравнение теплопроводности

Сложный процесс изменения температуры точек тела с коор­динатами jc, у, z во времени t описывается дифференциальным уравнением теплопроводности. Для вывода этого уравнения необ­ходимо рассмотреть баланс теплоты в некотором элементарном объеме …

Как с нами связаться:

Украина:
г.Александрия
тел./факс +38 05235  77193 Бухгалтерия
+38 050 512 11 94 — гл. инженер-менеджер (продажи всего оборудования)

+38 050 457 13 30 — Рашид - продажи новинок
e-mail: msd@msd.com.ua
Схема проезда к производственному офису:
Схема проезда к МСД

Оперативная связь

Укажите свой телефон или адрес эл. почты — наш менеджер перезвонит Вам в удобное для Вас время.