Лазерный мир

И. Ю. Летягин, Д. Н. Трушников, В. Я. Беленький, К.В. Феликан, Ш. Панг // В сборнике: Электронно-лучевая сварка и смежные технологии. Материалы Третьей международной конференции. Под редакцией В. К.Драгунова. 2020. С. 83-91.

Аннотация. За последние несколько лет увеличилась доля применения лазерной обработки материалов в технологических процессах машиностроения. Особенно актуальным является проведение исследований лазерной сварки с глубоким проплавлением, где наблюдается поглощение части мощности луча плазменным облаком и как следствие, существенное снижение глубины проплавления. Одним из направлений проводимых работ является использование амплитудно-временных импульсов тока в плазме в зоне воздействия лазерного луча на металл для контроля процессов в канале проплавления. Исследование вторично-эмиссионных процессов в плазме в зоне воздействия лазерного луча на металл позволило провести численное моделирование процессов при лазерной сварке в зависимости от фокусировки лазерного луча и других технологических параметров лазерной сварки, а также регистрацию вторично-эмиссионного тока с целью контроля геометрических параметров проплавления при лазерной сварке. Данная методика может быть использована при построении методов оперативного контроля процесса сварки.

Введение

Применение лазерной обработки материалов в высокотехнологичных отраслях промышленности для получения высококачественных сварных соединений деталей из конструкционных сталей и сплавов цветных металлов значительно увеличивается.

Основным применением в промышленном производстве среди высоко концентрированных источников энергии являлся электронный луч. В первые десятилетия в качестве источников мощного лазерного излучения для сварки использовались лазеры на углекислом газе, которые имели большие габариты, низкий (не превышающий 20%) КПД и не могли конкурировать с электронным лучом, используемом в установках для электронно-лучевой сварки.

Более широкому внедрению лазерной сварки в промышленное производство способствовало появление мощных оптоволоконных технологических лазеров, которые, по сравнению с лазерами на углекислом газе, обладают более высокой надежностью, относительно малыми габаритами и обеспечивают высокое оптическое качество излучения. Кроме того, длина волны излучения оптоволоконных лазеров на порядок меньше, чем у лазеров на углекислом газе, что обусловливает меньшее потребление энергии, а их непрерывное совершенствование обеспечивают снижение стоимости и увеличение КПД технологических лазерных установок. В качестве недостатков мощных оптоволоконных лазеров следует отметить снижение эксплуатационной надежности резонатора при повышении мощности лазера, а также повышенная чувствительность резонатора к процессам отражения луча, который имеет место при взаимодействии лазерного излучения с обрабатываемым материалом.

В последние годы в качестве мощных технологических лазеров стали применятся дисковые лазеры, принцип работы которых основан на использовании охлаждаемого активного элемента в форме диска. Высокая эффективность охлаждения лазерной среды обеспечивается за счет большой площади поверхности диска, поэтому мощность излучения в пучке дискового лазера может достигать достаточно высоких значений. Важными преимуществами дисковых лазеров является возможность регулирования значения мощности излучения без изменения других параметров, отсутствие чувствительности резонатора к попаданию отраженного лазерного излучения, а также, также модульная конструкция лазера, которая позволяет заменять отдельные модули при сервисном обслуживании.

В настоящее время одной из существенных проблем при лазерной сварке с глубоким проплавлением является поглощение части мощности луча плазменным облаком, образующимся над зоной воздействия лазерного луча на металл, и связанное с этим существенное снижение глубины проплавления по сравнению с электронным лучом той же мощности. При этом эффективность лазерной сварки при соединении толстостенных деталей значительно уступает процессу электронно- лучевой сварки, широко применяющейся при изготовлении изделий ответственного назначения, что сдерживает широкое внедрение лазерной сварки в промышленное производство.

Для снижения экранирующего влияния плазменного облака и, соответственно, увеличения глубины проплавления при лазерной сварке используются такие технологические приемы, как нанесение специальных покрытий на металл перед сваркой, отклонение оси лазерного излучения от нормали в сторону, противоположную скорости сварки, на 20°…30°, колебания лазерного пучка в различных направлениях относительно стыка, применение импульсно-периодического режима работы лазера, сдувание газо-плазменного облака различными газами и их смесями [1-5]. Однако указанные технологические приемы не решают проблемы, связанные с потерями мощности лазерного луча в плазменном облаке над зоной сварки. В связи с этим в последние годы все более возрастает интерес к лазерной сварке в вакууме, которая, несмотря на некоторые ограничения, связанные с использованием вакуумной камеры, позволяет получить по сравнению с лазерной сваркой в среде защитных газов значительно большую глубину проплавления при той же мощности лазерного луча, а также, обеспечивает эффективную защиту зоны сварки от воздействия внешней среды, что является особенно важным при сварке активных металлов [6-8].

Обеспечение при сварке высокой воспроизводимости качества сварных соединений и отсутствия дефектов в сварном шве в большинстве случаев требует осуществления оперативного контроля процесса формирования шва. При электронно-лучевой сварке широкое применение нашли вторично-эмиссионные способы контроля процесса взаимодействия электронного луча с металлом, при которых регистрируются параметры вторично-эмиссионных сигналов из зоны взаимодействия электронного луча с металлом [9-12].

В зоне лазерной сварки в вакууме протекают процессы, аналогичные процессам при электронно-лучевой сварке мощным электронным лучом: интенсивная термоэлектронная эмиссия из конденсированной фазы металла, образование плазменного облака над зоной сварки и наличие широкого спектра колебательных процессов в канале проплавления, образованном мощным концентрированным лучом лазера [13-14].

Полное содержание статьи: https://cyberleninka.ru/article/n/issledovanie-vtorichno-emissionnyh-signalov-iz-zony-vozdeystviya-lazernogo-lucha-pri-lazernoy-svarke-v-vakuume