Лазерный мир

В первой части статьи о возможностях системы лазерной сварки Фотон Компакт [1] были приведены результаты измерений глубины проплавления h стальных образцов в зависимости от плотности мощности излучения P и длительности импульса τ . В этой части будет рассмотрено влияние формы импульса на величину h.

Функция pulse shaping, т.е. программирование формы импульса, появилась в промышленных импульсных твердотельных Nd:YAG лазерах в 1990-ых годах и в те же годы были проведены первые исследования влияния формы импульса на характеристики сварного шва, в частности на глубину проплавления металлов [2]. В последующих работах [3,4] исследовалась возможность не только увеличить глубину проплавления, но и улучшить качество сварного шва, т.е. установить, возможно ли подобрать такую форму импульса, при которой уменьшаются известные дефекты сварного шва, такие, как растрескивание, пористость, пузыри.

Следует, однако, отметить, что измерения, проведенные на однотипных системах и, в общем, в сравнимых условиях эксперимента, давали различающиеся результаты, поскольку на глубину зоны плавления оказывают влияние и энергетические, и пространственные параметры излучения. Например, в работе [5] показано, что глубина проникновения излучения в парогазовый канал, образующийся при воздействии лазерного импульса, существенно зависит от апертурного угла объектива. Поэтому вполне обоснована необходимость исследования влияния параметров лазерного импульса на результаты работы для каждого типа промышленной системы лазерной сварки.

В этой статье описывается исследование влияния формы импульса на глубину проплавления стали 12Х18Н10Т, выполненные на Nd:YAG лазере Фотон Компакт (производство фирмы Лазерный центр, Россия). Ниже приведены основные характеристики этой системы лазерной сварки:

Максимальная энергия в импульсе  Eмакс = 50 Дж
Длительность импульса  τ = 0,1…20 мс
Диаметр пятна d = 0,3…2 мм
Частота повторения импульсов f = 0,5…10 Гц
Числовая апертура оптической системы А=0,164

При изменении формы лазерного импульса энергия перераспределяется таким образом, что воздействие на материал может сопровождаться, например, постепенным нагревом с максимальным выделением в конце импульса, либо, наоборот – достижением пиковой мощности в начале импульса и последующим постепенным охлаждением материала.

В современных лазерных системах миллисекундного диапазона формирование импульса производится дискретным изменением тока через лампу накачки. Различие в системах, в данном случае, состоит лишь в количестве шагов дискретизации n. В системе Фотон Компакт – n=8, в следующей модификации Фотон Компакт — 2 количество шагов увеличено до n=32.

В проведенной серии экспериментов было исследовано влияние на глубину проплавления импульсов следующих форм (рис.1):

1-прямоугольный импульс
2-треугольный нарастающий импульс
3-треугольный убывающий импульс
4-треугольный с нарастанием в начале и последующим убыванием

Рис.1 Форма лазерных импульсов.

Схема экспериментальной установки и методика измерений приведена в первой части сообщения [1]. Описываемая здесь серия измерений проводилась при следующих условиях:

длительность импульса τ = 7мс;
диаметр пятна d = 0,35 мм;
шаг дискретизации формы импульса  τ _д = 0,875мс

Результаты измерений показаны на рис.2

Рис.2 Зависимость глубины проплавления h от плотности мощности P для импульсов разных форм. Цифры на графике соответствуют номеру формы импульса на рис.1
Красная сплошная линия – линейная аппроксимация для точек до области кратерообразования, пунктирные линии – области кратерообразования для соответствующих форм импульса.

Физические процессы, протекающие в зоне воздействия лазерного излучения миллисекундной длительности, подробно и обстоятельно описаны в [6]. Опираясь на результаты этих исследований, можно интерпретировать полученные данные следующим образом. Хорошо видно, что график состоит их трёх участков, соответствующих разным физическим процессам происходящих при воздействии импульса излучения на образец:

1 — P < 7,2 х 10⁵ Вт/см² — линейный участок, связанный с процессами нагрева металла и формирования буферного объема расплава; на этом участке вся энергия импульса, независимо от формы, тратиться на образование первоначальной ванны расплава,

2 — P > 7,2 х 10⁵ Вт/см² — линейный участок, характеризующийся процессом роста парогазового канала и быстрым увеличением глубины h,

3 — участок графика, связанный с процессом выброса материала и образованием кратера – для формы импульса 2, при которой пиковая мощность достигается в конце импульса, этот процесс начинается при P = 0,87 х 10⁶ Вт/см² , для импульсов форм 1,3 и 4 – при P ≈ 1,3 х 10⁶ Вт/см² .

Максимальная глубина проплавления без образования кратера h = 0,95мм  была получена для импульсов форм 3 и 4 при P = 1,3 х 10⁶ Вт/см² .  При этом следует отметить, что  для импульса с формой 4 дальнейшее увеличение плотности мощности ведет к  быстрому росту парогазового канала с медленным углублением кратера. При Р = 2,25 х 10⁶ Вт/см² получена глубина проникновения h=1.5 мм с кратером глубиной 0,3 мм.

Литература:

[1] Глубина проплавления металла при сварке лазером Фотон Компакт  http://лазер.рф/2018/11/34534-22

[2] H. N. Bransch, D. C. Weckman, H. W. Kerr. Effects of Pulse Shaping on Nd:YAG Spot Welds in Austenitic Stainless Steel. WELDING RESEARCH SUPPLEMENT, JUNE 1994

[3] P.V. Suresh Varma. Effect Of Nd-YAG Laser Pulse shaping on Weld Bead Characteristics of Commercial Materials. Weldfab tech times, 75007/2017

[4] R. Hajavifard, M. Motahari , H. Özden , H. Miyanaji , S. Kafashi. The Effects of Pulse Shaping Variation in Laser Spot Welding of Aluminum. 44th Proceedings of the North American Manufacturing Research Institution of SME, Vol. 5, 2016, pp. 232–247

[5] С. В. Каюков, А. А. Гусев, “Влияние апертурного угла на эффективность плавления стали импульсным лазерным излучением миллисекундной длительности”, Квантовая электроника, 30:4 (2000), 337–341

[6]  С. В. Каюков. Расширение возможностей импульсных YAG-лазеров миллисекундного диапазона длительности в технологии сварки.  Квантовая электроника, 30, №11(2000), 941-948