Теоретическое введение.

ЛАЗЕРНАЯ ТОЧЕЧНАЯ СВАРКА МЕТАЛЛОВ.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 8.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: изучение процесса лазерной точечной сварки металлов для различных типов соединений.

ПРИБОРЫ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ: лазерная установка «Квант-12», металлографический микроскоп, образцы для сварки, измеритель энергии ИКТ-1Н, осциллограф, фо­тодиод ФД-24К, шлифовальные и полировальные порошки, реактив для травления.

При взаимодействии с поглощающей средой световой поток частично отражается от поверхности, а частично проникает внутрь материала, погло­щаясь в нем. Изменение плотности светового потока q, т.е. количества свето­вой энергии, приходящейся на единицу поверхности материала в единицу времени, в поглощающей среде описывается законом Бугера - Ламберта.

(1)

где q₀ - плотность падающего светового потока на поверхности материала: А - поглощательная способность материала; А= 1-R (R. - коэффициент отражения); a (x) - коэффициент поглощения света в среде.

Координата x отсчитывается от поверхности вглубь материала. Формула (1) соответствует случаю нормального скин-эффекта. Она применима к самым различным материалам. Конкретные значения входящих в неё величин А и a, а также механизмы поглощения света и перехода его в тепло могут при этом сильно отличаться для различных материалов. В металлах кванты света поглощаются в основном электронами проводимости, которые рассеивают поглощенную энергию на тепловых колебаниях решетки за время t_ei» 10^-11 ¸ 10^-10 сек.

Этот процесс протекает в слое толщиной d»10^-6 ¸10^{-5 см.}

Пространственное распределение поглощенного светового потока в металле для оптических частот соответствует закону Бугера – Ламберта (1). Это обу­словлено тем, что для оптических частот путь, проходимый электроном в металле за один период колебания поля, значительно меньше глубины проникновения излучения d=1/a, в результате чего выполняется закон Ома и скин-эффект является нормальным.

При этом a(x) = a = соnst

q(x)=q₀Aexp(–ax) (2)

а значение величин a и А определяются выражениями

(3)

(4)

где и - заряд и эффективная масса электрона;

n₀ - концентрация свободных электронов в металле;

- частота столкновения электронов, при которых происходит изменение импульса; c₀- скорость света в вакууме.

Для большинства металлов в оптическом диапазоне длин волн характерны высокая отражательная способность R=1-А (от 70% до 95%) и большой ко­эффициент поглощения a»10 ⁵¸10 ⁶ см ^-1.

Высокая плотность мощности на поверхности свариваемых деталей, обеспечиваемая лазерными источниками излучения, обуславливает высокий темп нагрева, что облегчает сварку металлов, обладающих большой тепло­проводностью (медь, серебро) и высокой температурой плавления (вольфрам, тантал, молибден). При сварке металлов световое пятно, полу­чаемое на поверхности свариваемых деталей при фокусировке излучения, является поверхностным источником нагрева, так как излучение поглощается тонким поверхностным слоем толщиной в несколько сотых долей микро­на. При плотностях мощности 10 ⁵¸10 ⁶ Вт/см² и длительности порядка 10^-3¸10^-2 сек передача тепла в глубину свариваемых материалов осуществ­ляется в основном за счет теплопроводности.

Стадии развития процессов проплавления при различных плотностях мощности излучения показаны на рис. 1. Зона проплавления в этом случае имеет форму близкую к сферической.

Практически при лазерной сварке в большинстве случаев наблюдается интенсивное испарение металла. Это приводит к тому, что под давлением пара поверхность сварочной ванны прогибается. Участок этой поверхности непосредственно воспринимающий энергию излучения, опускается (рис. 1б).

Если при этом поверхностное натяжение расплавленного металла еще пре­пятствует его выплеску, то после окончания действия излучения еще не застывший металл заполняет образовавшееся углубление. В результате проги­ба сварочной ванны глубина проплавления увеличивается по сравнению с нагревом без заметного испарения. Форма зоны проплавления становится конической (рис.1 б,в).

Рис. 1. Стадии развития процессов проплавления при различных плотностях мощности излучения.

а) - проплавление за счет теплопроводности, q=10 ⁵¸10 ⁶ Вт/см²

б) - прогиб сварочной ванны, q=5×10 ⁵¸5×10 ⁶ Вт/см ²

в) - глубокое проплавление, q=10 ⁶¸10 ⁷ Вт/см²

1 - излучение лазера; 2 - свариваемые детали; 3 - расплавленный металл; 4 - застывшая сварочная ванна; 5 - объем заглубления; 6 - временное отверстие, полученное за счет испарения.

Увеличению глубины проплавления при интенсивном испарении с поверхности сварочной ванны способствует перемешивание верхних, нагретых до наибольшей температуры, и нижних, более холодных слоев расплавленного металла, которое возникает из-за неравномерного на­грева в пределах светового пятна. При увеличении плотности мощности в центре светового пятна до величины порядка 5×10 ⁶¸ 5×10⁷ Вт/см² в свароч­ной ванне образуется узкое глубокое отверстие, металл из которого частично испаряется, частично вытесняется к периферии ванны (рис.1в). После окон­чания действия импульса временное отверстие заполняется металлом, рас­плавленным в периферийной зоне светового пятна, где плотность мощности была недостаточно для интенсивного испарения. Увеличению эффекта глу­бокого проплавления способствует пичковая структура импульсных твердотельных лазеров, так как за время действия одного пичка плотность мощно­сти в центре светового пятна может достигать 10⁷¸10⁸ Вт/см. Изменение энергетических характеристик лазерного излучения позволяет осуществлять сварку пользуясь различными механизмами проплавления, выбор которых зависит от свойств свариваемых материалов и характера соединения.

При воздействии светового потока на поверхность свариваемых деталей часть его отражается. Для всех металлов коэффициент отражения увеличива­ется с увеличением длины волны света. В таблице 1 приведены коэффициен­ты отражения некоторых металлов.

В процессе нагрева поглощательная способность многих металлов заметно увеличивается с ростом температуры. Например, у серебра и меди при воздействии излучения с длиной волн 1,06 мкм она увеличивается примерно в два раза при нагреве от комнатной температуры до температуры плавления. В то же время у стали изменение оптических характеристик в том же интер­вале температур невелико.

На рис.2 показаны зависимости глубины и диаметра зоны проплавления не­которых металлов, от энергии излучения лазера на стекле с неодимом (при по­стоянных длительности импульса и диаметре светового пятна).

Следует отметить, что увеличение длительности лазерного импульса способ­ствует более полному удалению из сварочной ванны нерастворенных газов и уменьшает возможность образования пористости после застывания металла. Наиболее благоприятной формой импульса излучения при сварке является трапециидальная или треугольная с относительно крутым передним и поло­гим задним фронтом.

Таблица 1.

Дата добавления: 2014-12-26