Физические основылазерной сварки

Технологический процесс лазерной сварки основан на тепловом действии светового излученияна материал.Этотпроцесс можно условно разделить на четыре стадии.

1. Поглощение света и передача энергии тепловым колебаниям решетки твердого тела.

2. Нагревание металла без интенсивного испарения и выброса расплава из зоны нагрева (включая плавление).

3. Разрушение материала путем интенсивного испарения и выброса расплава из зоны нагрева (абляция).

4. Остывание (кристаллизация) материала после воздействия лазерного излучения.

Характер теплового воздействия излучения в основном зависит от плотности мощности лазерного излучения q в зоне обработки.

(4.2)

где: P – мощность лазерного излучения в КВт, S – площадь пятна, сфокусированного на обрабатываемой поверхности в мм².

При q ≈ 10²…10³ Вт/мм² происходит локальный разогрев поверхности. Нет заметного испарения и разрушения материала заготовки.

Приq ≈ 10⁴…10⁵ Вт/мм²основная доля излучения расходуется на испарение материала заготовки и на увеличение внутренней энергии разлетающихся паров, капель и твердых частиц. В зоне обработки практически отсутствует жидкая фаза, сварка практически невозможна.

При q ≈ 10³…10⁴ Вт/мм² лазерное излучение попадает на поверхность металла, частично отражается, частично поглощается и идет на нагрев, при котором активного испарения или разрушения материала не происходит. На поверхности металла образуется жидкая ванна, которая растет в размерах до тех пор, пока тепло, подводимое в процессе лазерной сварки, превышает тепло, отводимое вглубь металла. Увеличение распространения сварочной ванны, за счет увеличения объема расплавленного металла идет по теплопроводностномурежиму (концентрическими окружностями) от первоначального источника нагрева. Происходит интенсивное (кинжальное) проплавление.При окончании воздействия лазерного излучения металл сварочной ванны кристаллизуется

Обобщённая схема формирования сварного соединения показана на рис.4.5, на котором видно, что сварочная ванна имеет характерную форму, вытянутую в направлении сварки.

Рис. 4.5. Продольное сечение сварочной ванны 1 – лазерное излучение; 2 – плазменный факел; 3 – парогазовый канал; 4 – хвостовая часть сварочной ванны; 5 – закристаллизовавшийся металл; 6 – свариваемый материал; Vсв - скорость сварки (скорость перемещения лазерного луча).

В головной части ванны расположен парогазовый канал 3, заполненный парами металла. Эта область наиболее яркого свечения. На передней стенке канала существует слой расплавленного металла, который испытывает постоянные возмущения. Здесь наблюдается характерное искривление передней стенки в виде ступеньки, которая периодически перемещается по высоте канала. Удаление расплавленного металла с передней стенки осуществляется при перемещении ступеньки сверху вниз.

Перенос расплавленного металла из головной части в хвостовую происходит преимущественно по боковым стенкам канала в горизонтальном направлении. Кроме этого наблюдаются восходящие потоки движения по мере углубления канала.В хвостовой части ванны расплавленный металл завихряющимися потоками поднимается вверх и частично выносится на поверхность сварочной ванны.Над поверхностью сварочной ванны во время процесса наблюдается ярко светящееся облако – плазменный факел 2, размеры и яркость свечения которого периодически изменяются.

Основной силой, воздействующей на расплавленный металл и обеспечивающий его перенос, считается сила реакции паров. Под действием этой силы жидкий металл перемещается как сверху вниз по передней стенке канала, так и в горизонтальном направлении вокруг канала. Перенесённый расплавленный металл обнажает участки металла с более низкой температурой на передней стенке канала, после чего процессы плавления и переноса повторяются. Таким образом, процессы массопереноса расплавленного металла в сварочной ванне оказывают существенное влияние на формирование шва, образование характерных дефектов и механические свойства сварного соединения.

Основными параметрами, характеризующими процесс лазерной обработки, являются мощность, длина волны, когерентность, направленность, монохроматичность, поляризация излучения, а также длительность воздействия (и частота следования и продолжительность импульсов).

По продолжительности воздействия технологию лазерной сварки можно разделить на три группы:

1. непрерывная - соотношения между энергией и длительностью воздействия дают возможность получать различные проплавления – малые и большие толщины, для всех конструкционных материалов;

2. импульсно-периодическая - возможны режимы глубокого проплавления с энергетическими затратами, меньшими, чем при непрерывной лазерной сварке;

3. импульсная - сочетание энергии и длительности импульса для сварки малых толщин проплавлением, без режима испарения.

Рассмотрим особенности взаимодействия лазерного излучения, с твердой фазой металла и процесс плавления.

На первоначальной стадии взаимодействия, направленное на обрабатываемую поверхность металла лазерное излучение частично отражается от нее, частично проникает в глубину материала(x~10^-6…10^-7 м), поглощается свободными электронами проводимости, которые рассеивают энергию на тепловых колебаниях решетки за время релаксации 10^-9…10^-12 с, что описывается законом Бугера – Ламберта:

(4.3)

где: q(x)- изменение плотности мощности излучения, проникающего в материал на глубинуx; q_o– плотность мощности излучения, падающего на поверхность материала; α – показатель поглощения; R_отр–коэффициентотражения.

В диапазоне длин волн от ближней ультрафиолетовой до дальней инфракрасной области для большинства металлов характерны высокий коэффициентотраженияибольшойпоказательпоглощенияα ~ 10⁶-10⁷ м^-1.

(4.4)

где: А- коэффициент поглощения.

Для лазерного излучения при длине волны излучения λ =10, 6 мкм величина А определяется уравнением Хагена- Рубенса:

(4.5)

где: σ ₀ - удельная электропроводность металла, зависящая от температуры.

C ростом температуры коэффициент отражения падает и соответственно растет коэффициент поглощения.

Эффективность того или иного вида лазерной обработки в первую очередь определяется плотностью мощности лазерного излучения в зоне обработки q_o.

Коэффициент поглощения металлов и, соответственно, энергетическая эффективность процесса лазерной сварки может быть увеличена за счет изменения химического состава, увеличения шероховатости, температуры поверхности и дины волны лазерного излучения (табл. 4.2).

Таблица 4.2

Коэффициенты отражения металлов для разных длин волн излучения.

Металл	Коэффициенты отражения Rотр для различных длин волн излучения
	0, 7 мкм	1, 06 мкм	10, 6 мкм
Al	0.87	0.93	0.97
Cr	0.56	0.58	0.93
Cu	0.82	0.91	0.98
Ni	0.68	0.75	0.95
Ag	0.95	0.97	0.99
Сталь	0.58	0.63	0.94
Ti			0.96

Как видно из рис.4.6, в начальный момент времени практически весь поток энергии отражается от поверхности (R~1). Однако с увеличением температуры поверхности значение коэффициента отражения падает, и таким образом возрастает коэффициента поглощения металла.

Рис. 4.6. График зависимости коэффициента отражения (R) от температуры (Т) металла.

Теплопередача направлена в глубину сварочной ванны, тем самым увеличивая ее объем и глубину проплавления сварного шва. После окончания теплового воздействия жидкий металл заполняет углубление до полной кристаллизации сварочной ванны с формированием сварного шва.

Необходимоиметьввиду, чтоприлазернойсваркеметалловимеется характерный уровень порогового значенияплотностимощностиq_п=10⁵...10⁷ Вт/см², послепревышениякоторогоначинаются скачкообразное плавление, испарение без активного разрушения материала с образованием парогазового канала

Продолжительность существования канала зависит от соотношения сил, действующих в канале.

При сварке больших толщин, благодаря высокой концентрации энергии непрерывноголазерного излучения обеспечивается полное сплавление кромок при минимальном объёме расплавленного металла, незначительные размеры протяженности околошовной зоны термического влияния. Это достигается высокими скоростями нагрева и охлаждения металла сварочной ванны и околошовной зоны, образованию благоприятной микро- и макроструктуры металла шва, благодаря отсутствию грубозернистой литой структуры и ярко выраженного фронта встречной кристаллизации.

Растрескиванияшва не происходит, что объясняется специфической его формой и малыми тепловыми сокращениями слоев металла в этой зоне вследствие интенсивных тепловых потоков.

⇐ Предыдущая20212223242526272829Следующая ⇒

Поделиться: