Сварка материалов непрерывным лазерным излучением

Для лазерной сварки характерны малые размеры сварного соединения и зоны термического влияния, а также высокая скорость процесса. Глубины швов при лазерной и электронной сварках примерно одинаковы. Но при лазерной сварке глубина проникновения луча в непрозрачный материал меньше, чем электронного. Лазерная сварка чувствительна к составу атмосферы, в которой ведется процесс.

Глубина сварки зависит от скорости подачи детали и максимальна при покоящемся образце. Рассмотрим процесс образования паровой ванны при лазерной сварке. При интенсивности I > I _исп. материал образца начинает испаряться. В результате этого в фокусе луча образуется кратер (каверна), глубина которого со временем растет.

По мере углубления каверны все большая часть энергии будет поглощаться на боковых стенках, а доля интенсивности, приходящаяся на дно, будет падать. Поэтому при кинжальной сварке (при сварке сфокусированным излучением) процесс кипения возобновляется и в глубокой каверне. При прекращении кипения расплавленный вокруг каверны металл заливает ее, глубина каверны уменьшается, и кипение возобновляется. Т.о. существует в зависимости от параметров состояние, когда на испарение тратится минимум энергии необходимый для поддержания паровой ванны и предотвращения затопления ее расплавом. При выключении излучения жидкость затопляет полость каверны, т.к. объем расплава превосходит объем парового канала. В мишени обычно остается лишь небольшое углубление.

Рассмотрим такое квазистационарное состояние, когда h значительно превосходит r ₀ (радиус луча). Решая тепловую задачу о распределении T вокруг однородно нагретой нити радиусом r ₀ и длиной h (модель каверны) получаем приближенно:

На радиусах r >> h распределение становится близким к сферическому источнику:

.

Радиус r отсчитывается от центра источника. Можно оценить h и ширину зоны расплава r _пл, воспользовавшись тем, что температура стенок и дна каверны должна быть близка к температуре кипения T = T _к. Тогда:

,

где c = ln (h/r₀). Далее полагаем, что h/r₀ ~ 10 и с» 2,3. Эти значения характерны для практики. Известно, что возможно как r _пл(P) > h, так и r _пл(P) < h. В первом случае согласно ->

Во втором случае r _пл определяется при T = T _пл. Коэффициент формы шва (кинжальность), который есть h/2r _пл. в первом случае при r _пл >h находим из (2-10) и (2-11):

.

Видно, что при малой мощности при T _к ~ (2¸3) T _пл кинжальность меньше или порядка 1. С ростом мощности он слабо растет и достигает 1 при мощности

.

Сравнивая это выражение с выражением для критической мощности, необходимой для осуществления режима испарения мы видим, что .

Для ряда металлов это отношение близко к единице, т.е. на пороге глубокого проплавления (P = P _к) глубина парового канала порядка ширины зоны проплавления. C ростом мощности коэффициент формы слабо (логарифмически) растет.

Если h/2r_пл >> 1, то r _пл следует определять:

.

Т.о., с ростом P растет h и r_пл, но глубина растет несколько быстрее, т.е. кинжальность увеличивается.

Теперь учтем движение образца относительно луча.. Будем приближенно считать, что на некотором расстоянии l от цилиндрической каверны радиусом r₀ T _l = T _¥ = 0. Тогда

.

Это соотношение справедливо при достаточно высокой скорости сварки, когда ширина нагретой зоны перед лучом c/u << h. Для многих металлов при h ~ 1 см влияние движения образца относительно луча сказывается начиная с u ³ 1 мм/с. Но сварку обычно проводят при u ~ 1 см/с. Поэтому h существенно зависит от u. При c/u > r ₀ (малая скорость) h падает с ростом u логарифмически. При c/u < r ₀ h обратно пропорциональна u. А при c/u» r ₀ некоторые авторы предлагают эмпирическую зависимость . В любом случае энергетические затраты на поддержание каверны по сравнению со случаем покоящегося образца существенно возрастают.

Дата добавления: 2015-06-27