Лазерная сварка металлов

Листать книгу

Страницы: ... ...

Допущено научно-методическим советом в качестве учебного пособия для слушателей, заочных курсов повышения квалификации ИТР
...
Развитие машиностроения и приборостроения неразрывно связано с разработкой и внедрением прогрессивных технологических процессов, основанных на новейших достижениях науки и техники. К числу таких процессов принадлежит лазерная обработка материалов.
...
Процессы лазерной технологии относительно просты в осуществлении, легко управляемы, а высокая пространственно-временная локализованное™ излучения п отсутствие механического воздействия пучка лазера на объект обработки позволяют реализовать различные уникальные операции: сварку, резку, скрайбиро-ваиис, поверхностное упрочнение и другие операции, осуществляемые на легко деформируемых изделиях и деталях, в том числе и вблизи теплочузствительиых элементов.
...
Однако широкое использование лазеров в промышленности и, в частности для сварки, зависит от решения ряда проблем, к которым в первую очередь следует отнести необходимость разработки высококачественных и производительных процессов, удовлетворяющих условиям их автоматизации с управлением от ЭВМ. Производительность и технологические возможности лазеров, особенно при сварке энергоемких металлов, ограничиваются относительно низким КПД процесса. При лазерной сварке многих изделий машиио- и приборостроения возникает проблема загрязнения изделия частицами свариваемых металлов. В книге приведены некоторые решения названных проблем.
...
Учебное пособие представит интерес как для специалистов, впервые знакомящихся с технологией лазерной сварки, так и для специалистов, занимающихся разработкой и внедрением наиболее эффективных методов лазерной материалообработки.
...
Лазерная сварка относится к термическому классу процессов сварки, для которых получение неразъемного соединения достигается местным расплавлением материалов, с последующей кристаллизацией расплава. При затвердевании расплава между атомами материалов устанавливаются прочные химические связи, соответствующие природе соединяемых материалов и типу их кристаллической решетки.
...
Развитие машиностроения и приборостроения неразрывно связано с разработкой и внедрением прогрессивных технологических процессов, основанных на новейших достижениях науки и техники. К числу таких процессов принадлежит лазерная обработка материалов.
...
Процессы лазерной технологии относительно просты в осуществлении, легко управляемы, а высокая пространственно-временная локализованное™ излучения п отсутствие механического воздействия пучка лазера на объект обработки позволяют реализовать различные уникальные операции: сварку, резку, скрайбиро-ваиис, поверхностное упрочнение и другие операции, осуществляемые на легко деформируемых изделиях и деталях, в том числе и вблизи теплочузствительиых элементов.
...
Однако широкое использование лазеров в промышленности и, в частности для сварки, зависит от решения ряда проблем, к которым в первую очередь следует отнести необходимость разработки высококачественных и производительных процессов, удовлетворяющих условиям их автоматизации с управлением от ЭВМ. Производительность и технологические возможности лазеров, особенно при сварке энергоемких металлов, ограничиваются относительно низким КПД процесса. При лазерной сварке многих изделий машиио- и приборостроения возникает проблема загрязнения изделия частицами свариваемых металлов. В книге приведены некоторые решения названных проблем.
...
Учебное пособие представит интерес как для специалистов, впервые знакомящихся с технологией лазерной сварки, так и для специалистов, занимающихся разработкой и внедрением наиболее эффективных методов лазерной материалообработки.
...
Источником тепловой энергии для активации поверхности соединяемых твердых материалов при сварке лазером служит энергия излучения, поглощаемая материалами в зоне воздействия лазерного пучка.
...
В настоящее время лазерную сварку, применяемую в прибо-ро- и машиностроении, можно условно разделить на три вида: микросварка (соединение элементов с толщиной или глубиной про-плавления менее 100 мкм), мини-сварка (глубина проплавления 0,1 — 1 мм) и макросварка (глубина проплавления более 1 мм).
...
Для первых двух видов сварки, получивших наибольшее распространение в промышленности, используют преимущественно импульсные лазеры с чрезвычайно удачным сочетанием свойств излучения, небходимых для осуществления локальной сварки. Для получения литой зоны с заданными размерами требуется определенная энергия. Чем выше плотность мощности пучка в зоне нагрева, тем меньше необходимо времени для ввода этой энергии и расплавления требуемого объема металла, и тем меньше размеры зоны термического влияния (ЗТВ). Сочетание коротких импульсов излучения с высокой концентрацией энергии в малом пятне облучения — большие преимущества лазерной импульсной сварки, особенно при соединении легко деформируемых деталей. Для обеспечения технической чистоты импульсную сварку чаще всего осуществляют без значительного перегрева материала, т. е. исключая его-интенсивное испарение. В этом случае передача теплоты в глубь свариваемых деталей происходит в основном за счет теплопроводности (теплопроводностный режим сварки).
...
В связи с промышленным выпуском непрерывных лазеров в последнее время получает развитие и лазерная макросварка. Механизм формирования сварного шва при воздействии мощного непрерывного излучения (сотни — тысячи ватт) во многом подобен механизму формирования при электронно-лучевой сварке и характеризуется в основном газодинамическими явлениями в зоне расплава. При сварке излучением мощного (до 4
...
Процесс сварки излучением непрерывных и импульсно-перио-дических лазеров мощностью до 1 кВт не связан с интенсивным испарением материала из сварочной ванны и во многом подобен теплопроводностному режиму сварки. Глубина проплавления при этом несколько превышает глубину проплавления при сварке импульсными твердотельными лазерами и составляет 0,5 — 1,5 мм.
...
Источником тепловой энергии для активации поверхности соединяемых твердых материалов при сварке лазером служит энергия излучения, поглощаемая материалами в зоне воздействия лазерного пучка.
...
В настоящее время лазерную сварку, применяемую в прибо-ро- и машиностроении, можно условно разделить на три вида: микросварка (соединение элементов с толщиной или глубиной про-плавления менее 100 мкм), мини-сварка (глубина проплавления 0,1 — 1 мм) и макросварка (глубина проплавления более 1 мм).
...
Для первых двух видов сварки, получивших наибольшее распространение в промышленности, используют преимущественно импульсные лазеры с чрезвычайно удачным сочетанием свойств излучения, небходимых для осуществления локальной сварки. Для получения литой зоны с заданными размерами требуется определенная энергия. Чем выше плотность мощности пучка в зоне нагрева, тем меньше необходимо времени для ввода этой энергии и расплавления требуемого объема металла, и тем меньше размеры зоны термического влияния (ЗТВ). Сочетание коротких импульсов излучения с высокой концентрацией энергии в малом пятне облучения — большие преимущества лазерной импульсной сварки, особенно при соединении легко деформируемых деталей. Для обеспечения технической чистоты импульсную сварку чаще всего осуществляют без значительного перегрева материала, т. е. исключая его-интенсивное испарение. В этом случае передача теплоты в глубь свариваемых деталей происходит в основном за счет теплопроводности (теплопроводностный режим сварки).
...
В связи с промышленным выпуском непрерывных лазеров в последнее время получает развитие и лазерная макросварка. Механизм формирования сварного шва при воздействии мощного непрерывного излучения (сотни — тысячи ватт) во многом подобен механизму формирования при электронно-лучевой сварке и характеризуется в основном газодинамическими явлениями в зоне расплава. При сварке излучением мощного (до 4
...
Процесс сварки излучением непрерывных и импульсно-перио-дических лазеров мощностью до 1 кВт не связан с интенсивным испарением материала из сварочной ванны и во многом подобен теплопроводностному режиму сварки. Глубина проплавления при этом несколько превышает глубину проплавления при сварке импульсными твердотельными лазерами и составляет 0,5 — 1,5 мм.
...
Процесс лазерной сварки происходит по следующей схеме: излучение лазера, как правило, направляется на фокусирующую систему, после которой формируется в пучок меньших размеров и попадает на свариваемые детали, где частично отражается, а частично проникает внутрь материала, поглощается, вызывая его нагрев и плавление.
...
Для сварки металлов широкое применение нашли следующие типы технологических лазеров: импульсные, в качестве активных сред которых используются стекло или алюмоиттриевый гранат (АИГ) с неодимом; непрерывные твердотельные АИГ-лазеры и газовые ССЬ-лазеры, активной средой которых служит молекулярный углекислый газ в смеси с азотом и гелием.
...
При промышленном использовании лазеры дополнительно содержат различные функциональные устройства, которые вместе с лазером составляют технологическую установку. Независимо от типа лазера сварочные установки чаще всего состоят из ряда аналогичных блоков (рис. 1). Лазер 1
...
СТРУКТУРНЫЕ СХЕМЫ ЛАЗЕРНЫХ СВАРОЧНЫХ УСТАНОВОК И ИХ ПАРАМЕТРЫ
...
Структурная схема твердотельного лазера для сварки (рис. 2) содержит блок питания /, обеспечивающий импульсный или непрерывный режим горения лампы накачки 2,
...
Рис. 2. Структурная схема твердотельного лазера для сварки
...
Формула (1) в общем случае выражает приближенную зависимость между параметрами излучения, она точна лишь для излучения с равномерным распределением мощности во времени и в пятне облучения.
...
Для сварки обычно используют излучение лазеров, сформированное в зоне обработки материала в сплошное круговое пятно радиусом г0. В этом случае площадь пятна облучения 5 = яг02 и формула (1) принимает вид
...
Основные технические характеристики отечественных сварочных установок, построенных па базе импульсных твердотельных лазеров, приведены в табл. 1.
...
Для передачи энергии излучения лазера к месту сварки, формирования пучка с заданной плотностью мощности и конфигурацией, регулирования параметров излучения служат оптические системы, состоящие в общем случае из фокусирующих, отражающих и преломляющих оптических элементов.
...
В сварочных установках наиболее распространена оптическая система, состоящая из коллиматора и фокусирующего объектива (рис. 4). Сферические линзы 1
...
где В и £3 — соответственно конфокальные параметры* лазерного пучка до преобразования и после преобразования линзами /, 2 и 3
...
Остальные обозначения в формулах (3) — (5) даны в соответствии с обозначениями на рис. 4 и с учетом принятого в оптике правила знаков.
...
Контуры лазерного пучка, распространяющегося в свободном пространстве (огибающая каустики пучка), могут быть рассчитаны по формуле
...
положение перетяжки в резонаторе. Такие сведения могут быть получены из работ [5, 10]. Перетяжка лазерного пучка, сформированного симметричным резонатором, находится в центре резонатора, а сформированного плоскосферическим резонатором — на поверхности плоского зеркала.
...
Анализ уравнений (3) — (6) позволяет сформулировать некоторые практические рекомендации по настройке оптических систем сварочных установок.
...
1. Положение перетяжки сфокусированного пучка г/ в общем случае не совпадает с положением фокальной плоскости фокусирующего объектива. На практике 2з
...
лом могут частично рассмеяться и поглотиться продуктами разрушения металла, а также частично поглотиться металлом в процессе вторичных актов переотражения на микро- и макронеодиород-ностях участка облучения.
...
Учитывая, что при сварке (<7Л=Ю5-М06 Вт/см2) эффектами рассеяния и поглощения лазерного излучения в плазменном облаке можно пренебречь, измерение коэффициента отражения R
...
Измерение характеристик отраженного излучения при сварке металлов может быть выполнено методом зеркальной полусферы, имеющей отверстие для ввода лазерного пучка.
...
При расположении облучаемой мишени вблизи оптического центра такой полусферы отраженное мишенью излучение будет перефокусировано полусферой в пятно, сопряженное с пятном излучения, сфокусированным на мишень. Приемник, регистрирующий отраженное излучение располагают так, чтобы центр его приемной площадки (входного зрачка) совмещался с центром перефокусированного пятна излучения. Схема такой установки и методика эксперимента для исследования характера отражения лазерного излучения при импульсной сварке металлов рассмотрены в работе [4].
...
Эксперимент позволяет для каждого случая облучения мишени получить осциллограммы изменения мощности падающего пучка и соответствующие изменения мощности зеркально и диффузно отраженного излучения. Зеркально отраженным излучением считается излучение, поступающее в апертуру фокусирующего объектива, а диффузно отраженным — излучение, отраженное на поверхность полусферы. Значение измеряемых коэффициентов отражения в каждый момент времени определяют как отношение мгновенных интенсивностей соответствующего отраженного и падающего излучений. Таким образом находят диффузную Ra(t)
...
поверхности в исходном состоянии. По мере нагрева материала с шероховатой поверхностью #з растет, а как правило, уменьшается из-за образования отдельных расплавленных участков поверхности металла (микрозеркал). Неоднородность плавления может быть обусловлена неравномерностью распределения интенсивности излучения в зоне обработки или неоднородностью оптических и теплофизических свойств поверхности. Суммарное отражение при этом меняется слабо. В некоторых случаях наблюдается увеличение Я,
...
Развитие процесса плавления приводит к тому, что коэффициент зеркального отражения достигает максимального значения н затем начинает уменьшаться. При этом коэффициент диффузного
...
отражения ведет себя противоположным образом. Такое поведение составляющих коэффициента отражения хорошо объясняется изменением формы поверхности расплавленного металла с образованием лунки в процессе плавления.
...
видимо, обусловлено увеличением поглощения излучения в лунке в результате повторного отражения и значительным перегревом поверхностного слоя расплавленного металла.
...
К концу действия импульса изменение составляющих коэффициентов отражения замедляется. Причем в ряде случаев наблюдается повышение коэффициента суммарного отражения, что соответствует заполнению лунки и охлаждению расплава к концу действия импульса.
...
Характер пространственного распределения отраженного излучения в различные моменты времени импульса также может быть исследован методом полусферы. В этом случае внутри полусферы устанавливают осеснмметричиые светопоглощающие экраны, обеспечивающие перефокусировку излучения, отражаемого мишенью в телесные углы, соответствующие плоским углам 2 0.
...
На рис. 7 приведены результаты измерений отношения мощности излучения Р(2 0), отражаемого в угол 2 6, к мощности излучения Р(180°) при облучении плоских алюминиевых мишеней с гладкой (а)
...
значениями Р(20)/Р(18О°) в зависимости от момента времени наблюдаются при углах 2 0 = 2(Н-6О°. При 2 0>60-ь80° рост кривых замедляется.
...
Приведенные результаты исследования характеристик отраженного при сварке металлов лазерного излучения позволяют сформулировать следующие выводы.
...
4. Основная доля излучения, отраженного при сварке деталей с плоской поверхностью, распространяется в конус с плоским углом при вершине ~90°.
...
Теплофизическая стадия процесса воздействия лазерного излучения на металл заключается в передаче энергии поглощенного излучения £=(1—/?)£л колебаниям решетки металла, его нагреве, плавлении, испарении и остывании нагретой зоны после окончания действия излучения.
...
Поглощение оптического излучения (излучение с длиной волны Х=0,1-Н000 мкм) металлами происходит в слое толщиной 6= 10~6-И0-5 см, соответствующей глубине проникания излучения в металл. Поглощенная в поверхностном слое металла энергия излучения передается другим, более холодным, частям тела с помощью различных видов теплопроводности, из которых для металлов существенной является электронная. Начиная с момента времени 10-9-Н0-8с, размер прогретой зоны —- ЗТВ подчиняется закону Фурье, увеличиваясь пропорционально
...
Из этого следует, что процесс нагрева непрерывным или импульсным излучением с длительностью т>10_9с металлических деталей, характерный размер которых превосходит глубину проникания излучения 6, может быть описан в рамках задач теплопроводности с поверхностным источником теплоты, который «следит» за изменением потока излучения с пренебрежимо малым временем запаздывания (Ю-9—10~8с) и нагревает металл.
...
По мере нагрева металла поверхностным источником теплоты температуры различных точек ЗТВ повышаются и как будет показано ниже, достигают максимальных значений на поверхности облучения. При достижении на поверхности материала температуры плавления Гпл начинается процесс его плавления. Дальнейший подвод энергии лазерного излучения обусловливает продвижение изотермы плавления в глубь тела и рост температуры его поверхности: Т>Тпл.
...
лор, неметаллических включений и Других дефектов материала, •служащих активными зародышами парообразования и вскипания.
...
Для инженерных оценок и расчетов процесса лазерной сварки металлов интерес представляют прежде всего интегральные характеристики стадии нагрева и плавления: распределение температуры в ЗТВ, глубина прогрева и глубина проплавлення, верхняя температурная граница и др.
...
Решение задач нагрева металлов лазерным излучением при сварке сводится к отысканию решений системы уравнений, состоящей в общем случае из дифференциального нелинейного уравнения теплопроводности и нелинейных краевых условий с поверхностным источником теплоты. Менее корректно, но значительно проще, теплофизика лазерной сварки рассматривается при линеаризации этих уравнений. Несмотря на ряд допущений, этот подход дает удовлетворительное качественное, а во многих случаях и количественное представление о стадии нагрева.
...
Линейная задача нагрева полубесконечного тела (приближение полубесконечного тела применимо, например, для пластины конечной толщины Н,
...
Из физических представлений процесса нагрева твердых тел поверхностным источником теплоты следует, что в начальной стадии нагрева поток теплоты в глубь материала (в направлении оси z)
...
Распределение температуры в заключительной стадии нагрева (/"</<т) описывается выражениями (15) — (17) для равномерного источника теплоты н (20) — (25) для гауссова источника.
...
Для типичных случаев лазерной сварки в приборостроении г0=0,5 мм, а=0,1 см2/с (сталь, никель, железо-ппкелевые сплавы) и а=\
...
Из сравнения температурных зависимостей (28) — (30) следует, что темп нагрева поверхности тела до максимальной температуры выше при действии импульса излучения вида (13). Кроме того, этот источник теплоты обеспечивает длительное поддержание максимально:! температуры нагрева, что способствует увеличению г л у б и н ы П
...
До сих пор рассматривался лазерный нагрев металлов в течение действия излучения (/<т). Анализ температурного поля в материале пойле окончания действия излучения позволяет учесть дополнительный прогрев материала теплотой, запасенной в верхних слоях тела. Допи.|Н1
...
Распределение температуры после окончания воздействия лазерного излучения для одномерных задач нагрева может быть рассчитано по формуле
...
Стационарное температурное поле в материале, нагреваемом круговым источником теплоты при цл
...
При анализе процесса лазерной сварки необходимо также знать скорости изменения температуры в ЗТВ. В общем случае скорость нагрева (1Т/с11
...
Скорость изменения температуры на поверхности облучения (г=0), как следует из уравнения (40), можно рассчитать по формуле
...

Металлические покрытия, нанесенные химическим способом
Пайка металлов в приборостроении
Руководство для обучения газосварщика и газорезчика: Практическое пособие
Лазерная сварка металлов
Марочник сталей и сплавов
Марочник сталей и сплавов
Марочник сталей и сплавов

"Сварка-ЛИБ" - Техническая библиотека сварщика | Сварка, термообработка, материалы, металлы и сплавы

admin

Лазерная сварка металлов