Лазерные технологии в науке и производстве (обзор). Технологические особенности лазерной сварки и пайки различных материалов.

Научная библиотека Комментарии к записи Лазерные технологии в науке и производстве (обзор). Технологические особенности лазерной сварки и пайки различных материалов. отключены

С.К. Сперанский, И.В. Родионов // Вопросы электротехнологии. 2019. № 4 (25). С. 18-37.

В обзорной статье рассмотрены лазерные, гибридные и комбинированные схемы сварки. Показаны методы сварки различных конструкционных материалов, отличающихся по своим физическим и механическим свойствам. Приведены механизмы формирования сварного шва, разные по типу теплопроводности или парогазового канала, а также рассмотрено влияние различных защитных газов на качество сварного соединения. Описаны особенности применения газовых СО2— и твердотельных Nb:YAG-лазеров для соединения материалов.

На пути создания нового устройства от эскиза до реального производства возникают различные научно-технические задачи. Среди них выделяется основная – создать изделие из легких и прочных материалов с помощью перспективных технологий и поставить процессы на поточное производство. Поэтому разработка экономичного и надежного способа соединения деталей является важной практической задачей [1-6].

Выбор для этой цели лазеров и процессов лазерной обработки является технологическим инструментом успешного решения многих ключевых задач. С помощью лазеров можно минимизировать ширину кромки при плавлении, улучшить внешний вид конструкции, а с точки зрения машиностроения – обеспечить высокую воспроизводимость процесса [1-9].

Стыковые соединения и соединения внахлест обычно сваривают при помощи импульсных или непрерывных лазеров. В зависимости от сочетания плотности мощности и длительности воздействия лазерного излучения на материал морфология точечного или валикового сварного шва формируется по типу теплопроводности или парогазового канала (рис. 1).

По первому типу лазерное излучение падает на металлическую пластину, взаимодействует со свободными электронами в металле. Абсорбция лазерной энергии приводит к повышению энергии свободных электронов, находящихся внутри зоны взаимодействия, и они сталкиваются с другими движущимися электронами, узлами кристаллической решетки, ее дефектами, структурными неоднородностями, передают им энергию. В результате при таком соударении лазерная энергия переходит в тепловую энергию решетки, и температура поверхности пластины возрастает [2, 8].

С ростом температуры твердого тела поглощение лазерного излучения увеличивается. При достижении температуры плавления абсорбция начинает возрастать и значительно увеличивается, когда температура в облучаемой лазером области достигает точки кипения. С этого момента почти вся лазерная энергия тратится на испарение, а потери на теплопроводность становятся несущественными. Остаточное давление от испарений приводит к образованию каверны или парогазового канала. При этом над поверхностью появляется яркий светящийся факел – плазма выбрасываемых испаряющихся атомов металлов и частиц конденсированного пара. Разбрызгивание капель расплава иногда происходит из-за попадания сильной струи испарений в парогазовый канал [10-15].

Возникновение данных эффектов приводит к рефракции (искривлению световых лучей вследствие преломления в оптически неоднородной среде), появляющейся из-за разницы между оптическими плотностями факела и окружающей среды, а также к рэлеевскому рассеянию (рассеянию света в мутных средах) из-за образования ультрадисперсных частиц. При высоком плазменном факеле и, как следствие, существовании низкого показателя преломления глубина проплавления значительно уменьшается. Механизм формирования глубины проплавления меняется от типа образования парогазового канала к типу теплопроводности (в фокальном пятне) за счет отражения луча и смещения вниз фокального пятна. При отсутствии высокого факела или области низкого показателя преломления (а именно толщины области взаимодействия плазменного факела с лазерным лучом) достигается глубокое проплавление. Глубина проплавления сварного шва определяется, главным образом, глубиной парогазового канала и частично нисходящим потоком расплава вокруг его основания [16].

Сварные швы с глубоким проплавлением формируются при увеличении длительности импульса вблизи фокального пятна, образуемого с помощью системы фокусирующих линз. Изменяя форму импульса (на медленно возрастающую и падающую во времени мощность), можно достичь снижения разбрызгивания и уменьшение пористости. Сварные швы с глубоким проплавлением эффективно формируются при сварке непрерывными лазерами с высокой мощностью.

Глубина проплавления уменьшается также и с увеличением скорости сварки. Но и на высоких скоростях она остается большой, если используется мощный узкий пучок. На низких скоростях доминирующим параметром становится мощность лазера. Однако при этом легко формируется пористость, в то время как на больших скоростях она отсутствует. Разбрызгивание металла приводит к недостаточному наполнению шва [17-20].

Лазерная сварка обычно выполняется при помощи мощного лазера. В твердотельных Nb:YAG-лазерах стержневого типа с ростом выходной мощности качество излучения ухудшается за счет появления тепловых искажений в цилиндрическом теле рабочей среды лазера. В то же время СО2-лазеры могут сохранять высокое качество луча даже при большой мощности [14, 20, 21].

Большинство недостатков лазерной сварки в среде СО2 обусловлены большой длиной волны излучения (10,6 мкм). Прозрачные в видимом диапазоне спектра стекло и кварц оказываются непрозрачными для лазерного излучения с этой длиной волны. Поэтому такие оптические системы транспортировки излучения в рабочую зону сварки как кварцевые волокна в этом случае использовать нельзя, и лазерный луч может быть доставлен в рабочую зону только при помощи зеркальных отражателей.

Когда лазерный пучок попадает на материал, часть его излучения отражается

от поверхности материала. Количество отраженного излучения зависит от вида материалов, состояния и температуры его поверхности и длины волны лазерного излучения. Соответственно от этих величин зависит и поглощение лазерного излучения. В таблице приведены значения поглощения некоторых материалов при комнатной температуре в двух диапазонах длин волн, соответствующих излучению СО2-лазера (10,6 мкм) и Nb:YAG-лазера (1,06 мкм). В целом заметна тенденция к снижению поглощения материалами излучения с уменьшением его длины волны. Небольшое количество энергии СО2 лазеров поглощается на поверхности металла. В то же время лучи СО2 лазера значительно поглощаются большинством керамических поверхностей. Обычнос ростом температуры поверхности поглощение излучения увеличивается. Во время лазерной сварки образование ванны расплавленного металла усиливает поглощение энергии падающего лазерного излучения. В режиме лазерной сварки с образованием парогазового канала многократное отражение лазерного луча от стенок узкого и глубокого канала значительно усиливает эффективную передачу энергии материалу [22-25].

Во время СО2-лазерной сварки пучок высокой мощности, попадая на поверхность материала, вызывает его интенсивное испарение. Далее лазерный пучок взаимодействует с испаряющимся материалом и лазерной плазмой, которая образуется непосредственно над парогазовым каналом и внутри него. Падающая лазерная энергия I0 частично поглощается в плазме обратным тормозным излучением, что ведет к ее ослаблению.

Полное содержание статьи: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=43019039

Рекомендуем для Вас


© Интернет журнал "ЛАЗЕРНЫЙ МИР", 2019
Напишите нам:
laser.w@yandex.ru

Back to Top