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
...
лучения при относительно низком КПД лазерного нагрева металл-лов значительно сужает технологические возможности лазерной сварки и препятствует росту ее производительности. Кроме того, нестабильный процесс лазерной сварки может привести к недопустимому изменению глубины проплавления, сильному испарению и выплеску материала.
...
Основную причину нестабильного режима лазерной сварки материалов обычно связывают с колебаниями температуры поверхности свариваемых материалов. Повышение этой температуры до 7'>7"к вызывает сильный перегрев сварочной ванны, а снижение температуры {Т<ТК)
...
Уравнение (43) описывает связь максимальной температуры нагрева материала равномерно распределенным источником теплоты с параметрами лазерного излучения и оптико-физическими характеристиками материала.
...
Изменение максимальной температуры А7\ описываемое уравнением (43), вследствие флуктуации параметров £л, щ,
...
ОЦЕНКА ВОЗМОЖНЫХ ИСТОЧНИКОВ НЕСТАБИЛЬНОГО РЕЖИМА
...
Числовой расчет производных (45) для случая сварки ковара (а=0,046 см2/с, 6=0,19 Вт/(см.°С), Л=0,25, Г=Г„ = 2870°С)> лазерным излучением с параметрами £л = 5Дж, т=5 мс, Го
...
Расчет показывает, что наибольшее влияние на режим сварки оказывают флуктуации параметров R
...
При разработке промышленной технологии лазерной сварки выбирать конструкцию соединения, свариваемые материалы и параметры лазерного излучения следует с учетом достижения максимальной производительности процесса сварки.
...
описывающему расчет энергозатрат излучения на нагрев до температуры кипения Тк
...
Из анализа уравнений (47) и (49) следует, что для увеличения скорости сварки необходимо уменьшать энергию импульса излучения Ял, увеличивать среднюю мощность излучения и уменьшать коэффициент отражения 7? и радиус пятна облучения г0.
...
Рассмотрим эффективный КПД лазерной сварки металлов при возврате отраженного излучения. Выражение для энергии, вводимой в металл при «-кратном возврате, имеет следующий вид:
...
Увеличение ввода энергии лазерного излучения в металл можно характеризовать эффективным КПД лазерной сварки ч„, равным отношению поглощенной металлом энергии излучения при п-кратном возврате к энергии лазерного излучения Еп.
...
Эффективность использования отраженного излучения можно характеризовать также коэффициентом 6Я, равным отношению энергии Еп,
...
На рис. 14 для иллюстрации эффективности возврата показаны пятна облучения на воздухе образцов из меди, мельхиора и никеля. Возврат отраженного излучения осуществлялся зеркальной полусферой, характеризуемой коэффициентом отражения /г=0,9. Образец устанавливали таким образом, чтобы центр зоны обработки был совмещен с центром полусферы, а нормаль к поверхности образца составляла некоторый угол с осью лазерного излучения для обеспечения однократного возврата зеркальной составляющей отражения. Диффузная составляющая отражения при этом возвращалась многократно (до затухания). Обработка проводилась импульсами лазерного излучения с одинаковой для каждого материала энергией (Си — 20 Дж; МН19, № — 10 Дж) как с применением системы возврата (а), так и без нее (б).
...
На фотографии видно, что без возврата отраженного излучения медный образец не расплавлен (заметна лишь окисленная зона воздействия лазерного излучения), а на образцах из никеля и мельхиора имеется слабое (очаговое) плавление поверхностного слоя металла. Применение системы возврата обеспечило нормальное (для условия сварки без выплеска) плавление меди и мельхиора и сильное (с выплеском металла) плавление никеля. Аналогичные результаты по плавлению, но Оез использования возврата отраженного излучения, могут быть достигнуты лишь при увеличении энергии импульса излучения для меди и мельхиора в 2,5 раза, а для никеля в 2 раза. Приведенные цифры могут быть коли-
...
На рис. 14 для иллюстрации эффективности возврата показаны пятна облучения на воздухе образцов из меди, мельхиора и никеля. Возврат отраженного излучения осуществлялся зеркальной полусферой, характеризуемой коэффициентом отражения /г=0,9. Образец устанавливали таким образом, чтобы центр зоны обработки был совмещен с центром полусферы, а нормаль к поверхности образца составляла некоторый угол с осью лазерного излучения для обеспечения однократного возврата зеркальной составляющей отражения. Диффузная составляющая отражения при этом возвращалась многократно (до затухания). Обработка проводилась импульсами лазерного излучения с одинаковой для каждого материала энергией (Си — 20 Дж; МН19, № — 10 Дж) как с применением системы возврата (а), так и без нее (б).
...
На фотографии видно, что без возврата отраженного излучения медный образец не расплавлен (заметна лишь окисленная зона воздействия лазерного излучения), а на образцах из никеля и мельхиора имеется слабое (очаговое) плавление поверхностного слоя металла. Применение системы возврата обеспечило нормальное (для условия сварки без выплеска) плавление меди и мельхиора и сильное (с выплеском металла) плавление никеля. Аналогичные результаты по плавлению, но Оез использования возврата отраженного излучения, могут быть достигнуты лишь при увеличении энергии импульса излучения для меди и мельхиора в 2,5 раза, а для никеля в 2 раза. Приведенные цифры могут быть коли-
...
На рис. 14 для иллюстрации эффективности возврата показаны пятна облучения на воздухе образцов из меди, мельхиора и никеля. Возврат отраженного излучения осуществлялся зеркальной полусферой, характеризуемой коэффициентом отражения /г=0,9. Образец устанавливали таким образом, чтобы центр зоны обработки был совмещен с центром полусферы, а нормаль к поверхности образца составляла некоторый угол с осью лазерного излучения для обеспечения однократного возврата зеркальной составляющей отражения. Диффузная составляющая отражения при этом возвращалась многократно (до затухания). Обработка проводилась импульсами лазерного излучения с одинаковой для каждого материала энергией (Си — 20 Дж; МН19, № — 10 Дж) как с применением системы возврата (а), так и без нее (б).
...
На фотографии видно, что без возврата отраженного излучения медный образец не расплавлен (заметна лишь окисленная зона воздействия лазерного излучения), а на образцах из никеля и мельхиора имеется слабое (очаговое) плавление поверхностного слоя металла. Применение системы возврата обеспечило нормальное (для условия сварки без выплеска) плавление меди и мельхиора и сильное (с выплеском металла) плавление никеля. Аналогичные результаты по плавлению, но Оез использования возврата отраженного излучения, могут быть достигнуты лишь при увеличении энергии импульса излучения для меди и мельхиора в 2,5 раза, а для никеля в 2 раза. Приведенные цифры могут быть коли-
...
чествениой характеристикой эффективности сварки указанных металлов с возвратом отраженного излучения с помощью зеркальной полусферы.
...
Для практического использования способа сварки с возвратом отраженного излучения следует применять специальные оптические световозвращатели. В качестве такого устройства можно использовать полусферическое зеркало, обладающее способностью собирать обратно лучи, выходящие из его центра. Без каких-либо
...
дополнительных приспособлений зеркальная полусфера обеспечивает многократный возврат диффузно отраженного излучения и однократный возврат зеркальной составляющей отраженного излучения. Число возвратов зеркально отраженного излучения может быть увеличено применением дополнительных оптических элементов.
...
При оценке эффективности использования устройств возврата необходимо учитывать характер диаграмм направленности отраженного излучения от конкретных материалов и эффекты возможного размытия пятна облучения в процессе переотражения.
...
Оценку расфокусирующего действия полусферы можно провести путем расчета размытия границ первоначального радиуса пятна облучения г0 в зависимости от числа персотражений. На рис. 15 показан ход лучей, поясняющий это размытие. Лучи, выходящие под различными углами из точки, расположенной на расстоянии г от центра полусферы 0, будут пересекать диаметральную плоскость полусферы в различных точках на расстоянии г'
...
чествениой характеристикой эффективности сварки указанных металлов с возвратом отраженного излучения с помощью зеркальной полусферы.
...
Для практического использования способа сварки с возвратом отраженного излучения следует применять специальные оптические световозвращатели. В качестве такого устройства можно использовать полусферическое зеркало, обладающее способностью собирать обратно лучи, выходящие из его центра. Без каких-либо
...
Рис. 14. Фотография участков облучения образцов из мели (Си), никеля (N4) и мельхиора (МН 19):
...
Для расчета величины размытия светового пятна в процессе перефокусировки отраженного излучения в соответст
...
Изменение коэффициента отражения свариваемого материала может происходить как по мере продвижения лазерного пучка по поверхности материала, так и в течение импульса воздействия.
...
Результат воздействия лазерного излучения на металл в значительной мере определяется исходным состоянием поверхности. Так, например, по осциллограммам изменения Рг
...
Из практики также известно, что существенное различие в результатах сварки может наблюдаться при получении стыковых соединений. Участки стыка металлов, имеющие небольшой зазор или скосы кромок, расплавляются на большую глубину и имеют сравнительно больший кратер, чем участки с хорошо пригнанными кромками.
...
Основная причина нестабильной лазерной сварки металлов, даже при условии стабильных параметров излучения, заключается в нерегулируемом изменении энерговложения, вызванном изменением оптических свойств поверхности облучения.
...
Оценить влияние флуктуации коэффициента /? на характер процесса нагрева можно с помощью уравнения, описывающего изменение скорости нагрева ин
...
КОМПЕНСАЦИЯ ИЗМЕНЕНИЙ ОПТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛА ПРИ СВАРКЕ С ВОЗВРАТОМ ОТРАЖЕННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
...
Нестабильность энерговложения лазерного излучения в обрабатываемый металл при осуществлении возврата отраженного излучения можно характеризовать коэффициентом нестабильности
...
Для иллюстрации возможности саморегулирования режима сварки металлов при возврате отраженного излучения на рис. 17 приведены зависимости 7 от Я,
...
Рис. 18. Внешний вид участков плавления мельхиоровой пластины при однократном и многократном воздействии излучения. Справа от штриховой линии — участок очищенной поверхности
...
Как следует из анализа уравнений (3), (4), (6), поперечные размеры сфокусированного лазерного пучка зависят от конфокального параметра пепреобразованного пучка В.
...
где 60 — угол расходимости излучения основной моды. Флуктуации расходимости лазерного излучения обусловлены, в первую очередь, термооптическими явлениями, происходящими в резонаторе.
...
Основные методы стабилизации расходимости лазерного излучения: термостабилизация охлаждающей жидкости; применение активных элементов со специально заданными термооптическими свойствами; управляемое изменение кривизны зеркал резонатора в соответствии с флуктуациями расходимости излучения.
...
Наряду с этим существует и другой метод стабилизации поперечного размера сфокусированного пучка, который заключается в специальной настройке оптической системы КФО. Из анализа выражений (3) — (6) следует, что характеристики преобразованного пучка определяются не только параметром В,
...
Рис. 18. Внешний вид участков плавления мельхиоровой пластины при однократном и многократном воздействии излучения. Справа от штриховой линии — участок очищенной поверхности
...
Для примера рассмотрим преобразование лазерного излучения основной моды. Переход к многомодовому пучку осуществляется умножением полученных результатов для параметров г иг3 на заданный коэффициент модовости. В резонаторе радиус перетяжки пучка излучения основной моды связан с параметром В
...
С учетом уравнения (4) можно получить аналогичное выражение и для радиуса перетяжки одномодового пучка после его преобразования оптической системой КФО:
...
Рассмотрим практически важный случай построения оптической системы КФО, в которой оптический интервал Аг = 0. При этом выражения (3) и (5) упрощаются и имеют вид.
...
Подставляя (64) в (63), получаем выражение, позволяющее рассмотреть зависимость поперечного размера перетяжки гг
...
В конструкциях различных изделий промышленности для соединения тонколистовых деталей (контактов, держателей, лепестков и т. д.) с выводами, например, цоколя широко применяют тип соединения, показанный на рис. 20. Выводы металлостеклянного или металлокерамического цоколя имеют диаметр 0,3—1 мм и длину до места спая с диэлектриком я=1==5 мм. Толщина листовых деталей соизмерима с диаметром вывода и составляет 0,1— —0,5 мм. Наиболее распространенной схемой лазерной сварки таких деталей является, как показано на
...
Лазерная сварка таких соединений на серийных установках характеризуется следующими особенностями: разрушение диэлектрика или других деталей, расположенных вне зоны сварки, вследствие непосредственного воздействия лазерного излучения, прошедшего мимо листовой детали, либо разрушение металлодиэлектрического спая, вследствие перегрева его теплотой, распространяющейся по выводу от места сварки;
...
низкий КПД сварки, обусловленный высокой отражательной способностью свариваемых материалов; неравномерность нагрева свариваемых деталей с различными отра
...
Очевидно, что прямое повреждение теплочувствительной детали может быть исключено, если зона сварки расположена в области расходящегося пучка, как показано на рис. 20. Огибающая каустика лазерного пучка описывается формулой (6), используя которую, можно получить выражение для расчета плотности энергии лазерного излучения па теплочувствительной детали №т;
...
Рис. 20. Схема сварки осесимметричиых соединений:
...
Рассмотренный прием сварки не исключает возможности повреждения теплочувствительной детали в зоне спая с выводом из-за перегрева спая теплотой, распространяющейся по выводу от места сварки. Глубину проплавления и минимально допустимую величину п
...
разнородных и разнотолщинных материалов. Сварку в большинстве случаев необходимо выполнять в труднодоступных местах, вблизи теплочувствительных деталей; при сварке чаще всего недо-.пустимы выплески и испарение материалов.
...
Как показала практика, лазерная сварка наиболее полно отвечает поставленным требованиям и внедряется в производство несколькими путями.
...
Традиционный подход заключается в замене существующих способов пайки и нелазерных методов сварки. При этом доработка конструкций соединений, как правило, незначительна, а эффективность внедрения обусловлена в основном экономией материалов (припой), снижением трудозатрат, повышением надежности
...
соединений.! Примером такого внедрения могут служить электронные и электромеханические узлы, представленные на рис. 21, где места сварки показаны стрелкой.
...
Другой подход к внедрению лазерной сварки связан с разработкой технологии сварки прибора одновременно с разработкой его конструкции. В этом случае могут быть учтены специфические требования лазерного источника нагрева, упрощена конструкция прибора, расширены его фунциональные и эксплуатационные возможности и т. д. Примером такого подхода может служить результат разработки конструкции катодного узла электронной лампы, содержащего десять тонкостенных оксидных катодов, соединенных с держателями с помощью лазерной сварки (рис. 22). На рис. 23 отражены обощеииые конструктивно-технологические требования,
...
разнородных и разнотолщинных материалов. Сварку в большинстве случаев необходимо выполнять в труднодоступных местах, вблизи теплочувствительных деталей; при сварке чаще всего недо-.пустимы выплески и испарение материалов.
...
Как показала практика, лазерная сварка наиболее полно отвечает поставленным требованиям и внедряется в производство несколькими путями.
...
Традиционный подход заключается в замене существующих способов пайки и нелазерных методов сварки. При этом доработка конструкций соединений, как правило, незначительна, а эффективность внедрения обусловлена в основном экономией материалов (припой), снижением трудозатрат, повышением надежности
...
соединений.! Примером такого внедрения могут служить электронные и электромеханические узлы, представленные на рис. 21, где места сварки показаны стрелкой.
...
Другой подход к внедрению лазерной сварки связан с разработкой технологии сварки прибора одновременно с разработкой его конструкции. В этом случае могут быть учтены специфические требования лазерного источника нагрева, упрощена конструкция прибора, расширены его фунциональные и эксплуатационные возможности и т. д. Примером такого подхода может служить результат разработки конструкции катодного узла электронной лампы, содержащего десять тонкостенных оксидных катодов, соединенных с держателями с помощью лазерной сварки (рис. 22). На рис. 23 отражены обощеииые конструктивно-технологические требования,
...
Рис. 21. Пример лазерной сварки деталей электронных и электромеханических узлов
...
которые следует выполнять при разработке корпусов изделий приборо- и машиностроения, герметизируемых лазерной сваркой. В представленной конструкции соединения корпус — основание учтены рассмотренные выше требования по минимизации пятна облучения.
...
Автоматизация сварочных процессов — важнейший этап современного технического перевооружения сварочного производства. В настоящее время во многих отраслях промышленности действуют установки, оснащенные различными средствами механизации и автоматизации, что позволяет многие операции сварочного процесса производить в полуавтоматическом или автоматическом режиме. Выпускаемые промышленностью сварочные лазеры также оснащены различной контрольно-измерительной аппаратурой, а некоторые образцы оборудования содержат и микропроцессорные системы, что в целом значительно облегчает условия работы оператора, способствует повышению качества и производите.чыю-сти сварки.
...
Однако современный подход комплексной автоматизации производственных процессов, базирующийся, как известно [11.
...
В методологическом аспекте сварочная установка совместно с контрольно-измерительной аппаратурой и автоматической системой управления (АСУ) должна представлять собой гибкий автоматический модуль сварки (ГАМС), работающий без участия оператора как индивидуально, так и в составе автоматической .шипи, участка, цеха. При этом, ГАМС должен выполнять следующие функции: 1) сварку (нагрев и плавление материала) в соответет-
...
которые следует выполнять при разработке корпусов изделий приборо- и машиностроения, герметизируемых лазерной сваркой. В представленной конструкции соединения корпус — основание учтены рассмотренные выше требования по минимизации пятна облучения.
...
вии с заданными показателями качества; 2) перестройку технических средств ГАМС, например перестройку параметров установки при выполнении сварки нескольких соединений узла, отличающихся режимами сварки; 3) информационно-управляющую связь ГАМС с системами управления своего и верхних уровней управления; 4) подготовку ГАМС к работе и его переналадку при изменении номенклатуры свариваемых узлов; 5) диагностирование состояния технических средств ГАМС, предупреждение аварийных ситуаций и т. д.
...
Первые две функции ГАМС характеризуют специфику технологического процесса сварки (ТПС) и могут рассматриваться как функции, выполняемые подсистемой АСУ ТПС. Разработка и построение АСУ ТПС является основным этапом создания ГАМС.
...
Ниже рассмотрены некоторые вопросы, связанные с построением управляемых процессов лазерной сварки, причем основное внимание уделено управлению параметрами излучения.
...
Процесс нагрева и плавления материала при сварке может быть представлен в виде многомерного нелинейного стохастического объекта, на который воздействуют управляющие и возмущающие переменные. Структурная схема такого процесса показана на рис. 24, где состояние объекта управления — технологической системы (ТС), ее материального входа (подлежащие сварке детали), выхода и внешней сре
...
Контролируемые переменные состояния подаются на вход АСУ, с выхода которой поступают управляющие сигналы, передаваемые в общем случае на исполнительные механизмы ТС (0)
...
Управление входными переменными ТПС, как правило, невозможно, что связано с быстротечностью процесса сварки и отсутствием реальной возможности изменить свойства деталей, поступивших на сварку. Следовательно, управление ТПС должно строиться на воздействии АСУ па исполнительные механизмы ТС.
...
Разработка модели функционирования* АСУ ТПС заключается в представлении формализованной связи входных, выходных н управляющих воздействий:
...
Конкретный вид уравнения (70) будет определяться выбранными показателями целей функционирования АСУ ТПС, связь которых с параметрами состояния может быть найдена путем математического моделирования ТПС, т. е. формализованным представлением связей вида
...
проведем анализ детерминированной модели процесса импульсной лазерной сварки металлов, выполняемой на воздухе или в защитной среде, когда допустимые изменения параметров этой среды не оказывают существенного влияния на качество сварки.
...
Наиболее важные показатели качества лазерной сварки изделий приборостроения — прочность и выплеск металла из сварочной ванны.
...
Для сварки без выплесков обычно применяют теплопроводно-стный режим, при котором максимальная температура Т
...
В модельное уравнение (43) параметры внешней среды формально не входят, однако их влияние учитывается в связи с флук-туациями параметров лазерного излучения (;£л, г0, т). Возможные изменения этих параметров в течение действия одного импульса излучения составляют ±10%, а при длительной работе лазера Ел
...
АНАЛИЗ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ПРОЦЕССА ИМПУЛЬСНОЙ ЛАЗЕРНОЙ СВАРКИ
...
Таким образом, анализ этой математической модели показывает, что для достижения выбранных показателей качества сварки необходимо учитывать влияние всех параметров лазерного излучения и коэффициента отражения излучения от зоны сварки. Модель управления процессом лазерной сварки с учетом сделанных выше замечаний может быть выражена общим уравнением:
...
Поскольку во время нагрева и плавления материала флуктуации параметра г0 могут привести к сильному изменению показателя качества сварки Т,
...
Для регулирования энергии излучения можно использовать способ, основанный на изменении напряжения накачки £/„. При этом необходимо учитывать существующую взаимосвязь параметров £л и т, а напряжение накачки выбирать из уравнения иИ — 1
...
щем виде закон изменения площади пятна облучения на поверхности неподвижных относительно фокусирующего объектива деталях выражается зависимостью
...
Очевидно, рассмотренный способ изменения параметра г0 может быть использован и для продольного смещения лазерного пучка, вызванного необходимостью сварки на новом участке, расположенном в другой плоскости.
...

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