Лазерный мир

Н. С. Есенгельдиев, И. А. Бартенев // сборник: Техника и технологии машиностроения. Материалы X Международной научно-технической конференции. Редколлегия: Е.Н. Еремин (отв. ред.) [и др.]. Омск, 2021. С. 132-139.

В данное статье проводится анализ методов повышения эффективности и качества лазерной сварки. Повышение требований к сварным соединениям при производстве ответственных изделий выполненных из цветных и алюминиевых сплавов, поставило ряд проблем, поскольку комплекс физико-химических свойств создает неблагоприятные условия, для сварки и увеличивает вероятность образования ряда дефектов, ведущих к большому проценту отбраковки изделий. Одним из путей решения ряда проблем сварки плавлением, наряду с развитием дуговых способов, является применение высококонцентрированного источника энергии — лазерного луча, позволяющего повысить технологические возможности сварки. Мною предложена математическая модель для разработки производственной технологии лазерной сварки, позволяющая достигать наилучшей производительности сварки.

При дуговой сварке возникающая значительная усадка, а также высокий коэффициент линейного расширения приводят к существенным остаточным деформациям, что увеличивает вероятность искажения габаритных размеров конструкции (закручивание, укорочение, местное вспучивание), снижая ее технологичность. Это отрицательно сказывается на эксплуатационных показателях, и в общем недопустимо при сварке изделий из цветных металлов и алюминия, которые зачастую являются или декоративными элементами оформления или высокоответственными элементами сложных машин и механизмов.

Одним из путей решения ряда проблем сварки плавлением, наряду с развитием дуговых способов, является применение высококонцентрированного источника энергии – лазерного луча, позволяющего повысить технологические возможности сварки.

Сфокусированное лазерное излучение обладает высокой плотностью мощности (до 104 Вт/см2), что позволяет при сварке металлов вне вакуума получать сварные швы с глубоким проплавлением.

Как известно, развитие машиностроение и в особенности приборостроение, тесно связаны с новейшими методами получения неразборных соединений металлов с помощью сварки. Технологии лазерной сварки достаточно просты в использовании и управлении процессом сварки. Наиболее эффективной чертой лазерной сварки является:

1. Высокая пространственно-временная локализованность излучения;

2. Отсутствие механического воздействия пучка лазера на объект обработки.

Источником тепловой энергии для активации поверхности соединяемых твердых материалов при сварке лазером служит энергия излучения, поглощаемая материалами в зоне воздействия лазерного пучка.

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.

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 приборо- и машиностроении, можно условно разделить па три вида: микросварка (соединение элементов с толщиной или глубиной проплавления 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, необходимых 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 (тепло- проводностный режим сварки).

Указанные положительные стороны технологического процесса сварки позволяют использовать эту технологию при различных особо ответственных операциях, не связанные со сваркой и резкой, но и скрайбированием, поверхностным упрочнением и другие операции. Причем, указанные операции могут осуществляться не только с черными металлами, но и так-же на легко деформируемых изделиях и деталях, в том числе и вблизи теплочувствительных элементов.

Однако, при использовании лазерной сварки существует и ряд недостатков, среди них ограничение мощности лазерного излучения при низком КПД лазерного нагрева металла значительно сужают их технологическое применение и значительно препятствует использованию этой технологии.

Для начала определения методов повышения эффективности необходимо определить нестабильность режима сварки. Наиболее частая причина нестабильности режимов лазерной сварки происходит из-за неравномерности температуры свариваемых поверхностей материалов.

При анализе множества лабораторных испытаний было установлено, что при повышении температуры поверхности материала Т до Т>Тк вызывает сильнейший локальный перегрев сварочной ванны, а снижение температуры поверхности материала Т до Т<Тк – уменьшает глубину проплавления материалов.

Для анализа источников колебания температуры поверхности свариваемых материалов, нами предлагается следующая формула (1):

Представленное уравнение (1) показывает зависимость от максимальной температуры нагрева поверхности материала, от равномерно-распределенного источника тепловыделения, с учетом его оптических характеристик.

Далее проведем исследование изменения максимальной температуры поверхности материала ΔТ, с учетом постоянно изменяющихся параметров сварки лазерным лучом (2).

Полное содержание статьи: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=46149762