Министерство образования и науки Российской Федерации

Рязанский государственный радиотехнический университет

Кафедра ЛТ

Методические указания к лабораторной работе №1

Изучение лазерной технологии сварки с помощью твердотельного лазера с импульсной ламповой накачкой

Рязань - 2011 г.

Цели работы:

1. Знакомство с технологической цепочкой сваривания деталей с помощью импульсно-периодического твердотельного лазера с импульсной ламповой накачкой

2. Освоение навыков автоматизированного проектирования сопряженного с лазерной технологией сварки и резки металлических листов

3. Экспериментальное сваривание учебных деталей с помощью технологического твердотельного лазера

Приборы и принадлежности:

Лазерная технологическая установка ИПТТЛ-50, ПК компьютер, ПО AutoCad, Компас – 3D и SurfCam, исходный чертеж детали на бумажном носителе, металлические заготовки из разных материалов, штангенциркуль.

1. Теоретическое введение

1.1. Теоретические основы лазерной сварки

Рассмотрим физические процессы, лежащие в основе взаимодействия мощного лазерного излучения с мате­риалами. Понимание этих процессов важно для выяснения воз­можностей применения и выявления пределов применимости лазерных методов обработки материалов. Соответствующие механизмы взаимодействия лежат в основе применения лазе­ров для обработки материалов. Часть энергии лазерного излучения, падающего на поверх­ность образца, поглощается в нем, а часть отражается. Погло­щенная энергия вызывает нагрев поверхности. Следует рас­смотреть несколько режимов воздействия, которые зависят от длительности воздействия и плотности мощности лазерного излучения. Так, например, потери тепла в результате тепло­проводности малы, если лазерные импульсы очень короткие, но эти потери могут стать существенными для импульсов с боль­шой длительностью.

Нагрев в результате поглощения мощных лазерных пучков может протекать с высокой скоростью. Поверхность быстро прогревается до температуры плавления. Плавление под дей­ствием лазерного излучения представляет интерес с точки зре­ния применения лазеров для сварки. Иногда желательно рас­плавить максимальное количество материала без испарения поверхности. Плавление в отсутствие испарения происходит в довольно узком интервале параметров импульса лазерного из­лучения. Если плотность мощности лазерного излучения слиш­ком велика, то испарение поверхности начинается до того, как материал успевает расплавиться на заметную глубину. Из это­го следует, что существует максимальный предел плотности мощности излучения, при которой желательно проводить плав­ление. Соответственно, при заданной энергии импульса лазерно­го излучения часто оказывается желательным увеличить дли­тельность импульса.

Процесс плавления материала под действием лазерного из­лучения зависит от теплового потока в этом материале. Вели­чина теплового потока в свою очередь зависит от теплопровод­ности материала k. Однако тепловой поток определяется не только теплопроводностью, поскольку изменение температуры зависит также от удельной теплоемкости материала с. Скорость нагрева обратно пропорциональна удельной теплоемкости, рас­считанной на единицу объема материала, которая равна ρс, где ρ - плотность материала. Основной фактор, определяющий теп­ловой поток, равен k/ρс. Размерность этого фактора (см²/с) такая же, как размер­ность коэффициента диффузии. Следовательно, фактор k/ρc характеризует процесс «диффузии» температуры (или, строго говоря, количества тепла) и называется коэффициентом температуропро­водности К.

В решения всех задач нестационарного распространения тепла входит величина k/ρc, которая определяет, с какой ско­ростью происходит в материале поглощение и передача тепло­вой энергии. При сварке высокая температуропроводность обыч­но обеспечивает большую глубину проникновения фронта плав­ления в отсутствие теплового удара или растрескивания мате­риала. Значения коэффициента температуропроводности раз­личных металлов и сплавов приведены в табл. 1.

Таблица 1

Температуропроводность и тепловая постоянная времени
Материал	Температуро­проводность, см2/с	Тепловая постоянная времени (мс) при толщине образца (см)
		0,01	0,02	0,05	0,1
Серебро	1,70	0,015	0,059	0,368	1,47
Алюминиевые сплавы:
Технически чистый алюминий	0,850	0,029	0,118	0,74	2,94
Сплав 2024	0,706	0,035	0,142	0,89	3,54
Литейный сплав Аl3	0,474	0,053	0,2111	1,32	5,27
Медные сплавы:
Электролитическая медь (99,95%)	1,14	0,022	0,088	0,55	2,19
Патронная латунь	0,378	0,066	0,265	1,65	6,61
Фосфористая бронза	0,213	0,117	0,470	2,93	11,74
Железные сплавы:
Технически чистое же­лезо	0,202	0,124	0,495	3,09	12,38
Нержавеющая сталь 303	0,056	0,446	1,786	11,16	44,64
Углеродистая сталь (1.22С, 0,35Мn)	0,119	0,210	0,840	5,25	21,01
Никелевые сплавы:
Технически чистый никель	0,220	0,114	0,454	2,84	11,36
Монель	0,055	0,455	1,818	11,36	45,46
Инконель	0,039	0,641	2,564	16,03	64,10

Обычно температуропроводность сплавов ниже, чем температуропроводность чистого металла, который является основной компонентой сплава. Особенно низкие температуропроводности имеют нержавеющая сталь и некоторые никелевые сплавы. Низкие значения коэффициента температуропроводности ограничивают глубину проникновения тепла и могут сузить сферу применения лазерной сварки.

Глубина, на которую тепло проникает в течение времени t, приближенно определяется следующим соотношением:

D=(4Kt)^1/2 , (1)

где D - глубина проникновения тепла и K - коэффициент тем­пературопроводности. Рассмотрим конкретный пример. В металле с коэффициентом температуропроводности, равным 0,25 см²/с, в течение импульса длительностью 90 нс (типичное значение для лазера с модуляцией добротности) тепловой по­ток может проникнуть лишь на глубину ~3^.10^-4 см. В то же время в течение импульса длительностью 100 мкc (типичное значение для лазера в режиме свободной генерации) тепловой поток может проникнуть в некоторых металлах на глубину ~0,01 см.

Высказанные предположения приводят к понятию тепловой постоянной времени, которая для пластины толщиной х равна x²/4K. Значение этой постоянной характеризует длительность импульса, необходимую для того, чтобы обеспечить требуемую глубину проникновения теплового потока.

Для того чтобы обеспечить эффективное плавление выбран­ного металлического образца, длительность лазерного импуль­са должна примерно соответствовать тепловой постоянной вре­мени этого образца. В табл.1 приведены тепловые постоян­ные времени ряда образцов. Тепловые постоянные времени тонких образцов (0,01—0,02 см) не превышают (либо, по мень­шей мере, сравнимы) длительности импульсов лазеров, рабо­тающих в режиме свободной генерации (она составляет не­сколько миллисекунд). Тепловые постоянные времени во всех случаях значительно больше длительности импульсов, харак­терных для лазеров с модуляцией добротности (равной ~10^-7с). Это означает, что лазеры с модуляцией добротности практиче­ски не обеспечивают эффективного плавления. Для сварки при­годны либо непрерывные лазеры (например, СО₂-лазеры и ла­зеры на АИГ с неодимом), либо лазеры, у которых длитель­ность импульса по порядку величины равна нескольким милли­секундам (например, лазеры, работающие в режиме свободной генерации).

В более толстых образцах металлов (~0,1 см) с низкой тем­пературопроводностью тепловые постоянные времени оказы­ваются настолько большими, что тепловой поток не успевает проникнуть в толщу образца; для металлов с высокой темпе­ратуропроводностью тепловые постоянные времени составляют несколько миллисекунд, и за время импульса лазера в режиме свободной генерации тепловой поток успевает распространиться через пластины из таких металлов (серебра, чистого алюминия и меди).

В еще более толстых металлических образцах (толщиной >0,1 см) значения тепловых постоянных времени становятся очень большими (несколько миллисекунд даже для металлов с наи­более высокой температуропроводностью) и намного превы­шают достижимые длительности лазерных импульсов. Отсюда следует, что лазерная сварка металлических образцов толщи­ной более 0,1 см и более становится затруднительной. Для того чтобы удержать световой пучок на заданном месте в течение более длительного времени, можно, конечно, использовать непрерыв­ный лазер, однако этот метод обычно не применяется, посколь­ку тепловой поток при этом распространяется на слишком большой участок. При этом происходит коробление материала, а скорость сварки существенно снижается.

Низкие значения коэффициента температуропроводности означают, что тепловой поток не успевает проникнуть вглубь материала. Трудности могут возникнуть и при слишком высо­кой температуропроводности, так как тепло слишком быстро отводится от поверхности, а это может привести к уменьше­нию количества расплавленного материала.

Важно! Для того чтобы обеспечить оптимальные условия сварки различных материа­лов, следует правильно подбирать параметры лазерного импульса. Так, на­пример, при сварке меди для снижения потерь тепла, обуслов­ленных высокой температуропроводностью, надо повысить мощ­ность лазерного излучения и уменьшить длительность импуль­са. Для того чтобы обеспечить достаточную глубину проникно­вения тепла при сварке нержавеющей стали, необходимо выби­рать лазер с меньшей мощностью и более длинным импульсом излучения.

Эффективность лазерного плавления (а, следовательно, и сварки) зависит от характера распространения фронта плавле­ния через образец в течение времени действия импульса при выполнении условий, гарантирующих минимальное испарение поверхности. На рис. 1 показано изменение во времени поло­жения фронта плавления в массивном никелевом образце при плотности поглощенной мощности 10⁵ Вт/см². Спустя ~ 4 мс от начала импульса начинается испарение поверхности. Существу­ет предельная глубина проникновения фронта плавления в усло­виях отсутствия испарения поверхности. Для того чтобы уве­личить эту глубину, можно слегка изменить параметры лазер­ного импульса. Для этой цели обычно снижают плотность мощ­ности и увеличивают длительность импульса. Конечный резуль­тат очень чувствителен к изменению параметров импульса. Для того чтобы найти оптимальное соотношение между глубиной плавления и отсутствием испарения поверхности, необходима тщательная подгонка параметров импульса.

Наиболее интересен такой режим сварки, при котором не происходит испарения поверхности. Плавление в отсутствие испарения поверхности может быть осуществлено лишь в очень узком интервале значений параметров лазерного импульса. Если плотность мощности лазерного излучения слишком высока, то испарение поверхности начнется до того, как будет проплавлена существенная толща материала. Отсюда следует, что сущест­вует максимальный предел плотности мощности, пригодной для плавления материалов. Другими словами, при заданной энергии лазерного импульса часто оказывается выгодным добиваться увеличения длительности импульса для того, чтобы располагать временем, необходимым для проникновения фронта плавления в образец.

Рис. 1. Расчетная глубина плавления никеля как функция времени при плотности поглощенной мощности 10⁵ Вт/см².

Не менее важным параметром является коэффициент отра­жения от металлической поверхности. Его значением фактиче­ски определяется доля энергии падающего излучения, которая поглощается и может быть использована для плавления. По определению коэффициент отражения равен отношению мощ­ности излучения, отраженного от поверхности, к мощности падающего излучения. Таким образом, коэффициент отражения является безразмерным параметром, величина которого лежит в пределах 0-1. На рис. 2 приведена зависимость коэффициентов отра­жения некоторых металлов от длины волны. Результаты полу­чены для гладкой поверхности металлов. В общем случае зна­чения коэффициента отражения зависят от различных условий, в том числе от степени обработки поверхности и наличия на ней окисных пленок. Поэтому приведенные на рис. 2 данные не могут рассматривать­ся как абсолютно точные для выбранного конкрет­ного металла. В то же время кривые на рис. 2 отражают ряд общих за­кономерностей. Коэффициент отражения всех металлов возрастает по мере смещения в дальнюю ИК-область спектра.

Для длин волн, пре­вышающих 5 мкм, коэффициенты отражения практически всех металлов превышают 90%. В указанной области коэффициент отражения связан с электропроводностью материала. Металлы с высокой электропроводностью обладают максимальными зна­чениями коэффициента отражения в ИК - области спектра. Так, золото имеет более высокий коэффициент отражения, чем алю­миний, а алюминий в свою очередь имеет более высокий коэф­фициент отражения, чем сталь. В такой же последовательности эти материалы располагаются в зависимости от их электро­проводности.

Рис. 2. Коэффициент отражения различ­ных металлов как функция длины волны.

А — полированное серебро; В — медь; С — алю­миний; D—никель; F—углеродистая сталь.

Количество света, поглощаемого металлической поверхно­стью, пропорционально 1-R, где R - коэффициент отражения. На длине волны СО₂-лазера (10,6 мкм) коэффициент отраже­ния R ≈ 1 и величина 1-R становится малой. Отсюда следует, что лишь небольшая часть падающей на поверхность энергии излучения СО₂ лазера поглощается и может быть использована для плавления ме­талла.

В инфракрасной области спектра важную роль имеет зна­чение 1-R для разных материалов. Так, например, при длине волны 10,6 мкм значение 1-R для серебра или меди составля­ет ~0,02, тогда как для стали оно равно ~0,05. Отсюда следу­ет, что сталь поглощает примерно в 2,5 раза больше падающей на ее поверхность энергии по сравнению с серебром или медью. На практике это означает, что при помощи СО₂-лазера сталь сваривается значительно легче, чем металлы типа меди или алюминия.

Большое значение имеет также правильный выбор длины волны. В области более коротких волн значение величин 1-R существенно выше, чем на длине волны СО₂-лазера. В частно­сти, для стали при λ=1,06 мкм величина 1-R составляет ~0,35, что в семь раз выше, чем при λ,=10,6 мкм. Отсюда сле­дует, что если на поверхность стали падают пучки лазеров на АИГ с неодимом и СО₂-лазеров, имеющие одинаковую интен­сивность, то, по крайней мере, в начальной стадии, из пучка лазера на АИГ с неодимом поглощается в семь раз больше энергии. Поэтому во многих случаях сварочные операции вы­полняются легче более коротковолновым лазером.

Итак, качество лазерной сварки зависит от параметров лазерного пучка и свойств свариваемого образца. Важную роль играет температуропроводность образца. Высокая температуропровод­ность гарантирует эффективную передачу тепла и, как правило, обеспечивает большую глубину сварки. При высоком коэффи­циенте отражения может уменьшиться энергия, поглощенная поверхностью металла. В то же время при воздействии доста­точно мощного лазерного пучка коэффициент отражения может скачкообразно снизиться в течение действия лазерного импуль­са, и в результате на поверхности поглотится большая часть энергии лазерного импульса даже при высоком начальном ко­эффициенте отражения. Для сварки хорошо отражающих ме­таллов требуется больше энергии, чем для сварки металлов с менее высокими коэффициентами отражения. Отражение от поверхности можно снизить путем нанесения покрытия, но такая мера не всегда эффективна, поскольку покрытие может испа­риться. Коэффициент поглощения, а, следовательно, и глубина плавления зависят от степени обработки поверхности. Глубина плавления снижается при полировке поверхности.

Очень важно отметить, что лазер нельзя рассматривать как самостоятельный элемент, а следует его считать лишь частью системы, которая как единое целое выполняет требуемую опе­рацию. При этом должны быть учтены следующие важные мо­менты:

1) подбор операций, которые могут быть выполнены с по­мощью лазера;

2) экономическая целесообразность применения лазера;

3) выбор подходящего типа лазера;

4) тщательная разработка конструкции зажимного приспо­собления, обеспечивающего перемещение образца;

5) создание оптической системы для наведения пучка на образец;

6) контроль эффектов воздействия пучка с целью управле­ния параметрами лазера при помощи петли обратной связи;

7) безопасность системы.

Входящий в состав системы лазер должен удовлетворять следующим требованиям:

1) длина волны должна обеспечивать хорошее поглощение излучения в образце;

2) уровень мощности должен быть достаточно высоким для того, чтобы обеспечить плавление;

3) длительность импульса должна быть достаточно большой для того, чтобы обеспечить проникновение тепла вглубь мате­риала;

4) в тех случаях, когда требуется получить сварной шов, необходимо иметь достаточно высокую частоту повторения им­пульсов;

5) плотность мощности и длительность импульса следует выбирать так, чтобы в выбранном режиме работы не происхо­дило чрезмерного испарения поверхности.

Наиболее важным параметром для лазерной сварки являет­ся мощность, приходящаяся на единицу площади поверхности свариваемого образца. Ее величина определяется выходной мощностью лазера и характеристиками фокусирующей оптики.

Сварной шов, получаемый с помощью импульсно-периодического лазера, образуется в результате перекрытия отдельных точеч­ных соединений, и поэтому для формирования шва необходимо иметь достаточно высокую частоту повторения импульсов.

Импульсно-периодический лазер со средней мощностью 100 Вт, работающий в режиме повторяющихся импульсов, может быть использован для сварки некоторых металлов. Непрерывный лазер, используемый для тех же целей, должен обладать мощностью, равной уже нескольким сотням Ватт. Это связано с тем, что высокая пиковая мощность в импульсе приводит к снижению эффективного коэффициента отражения от поверхности и более эффективному использованию энергии лазерного излучения.

Советы практика. Рассмотрим теперь ряд практических моментов, касающихся лазерной сварки. Для обеспечения хороших результатов свар­ки необходимо создать плотный контакт между свариваемыми образцами, чтобы расплавленные материалы этих образцов могли взаимно перемешиваться. Как правило, пучок должен в равной мере воздействовать на оба образца. Необходимо обеспечить надлежащее расположение и крепление свариваемых образцов. Соответствующая операция получила название фиксации. Методы фиксации могут изменяться в широких пределах в зависимости от размеров и формы свариваемых образцов. Если, например, требуется приварить крышку сосуда, то фиксируют крышку в требуемом положении и затем вращают обе детали относительно пучка, который фокусируется на область контакта между крышкой и сосудом.

Если необходимо сварить встык два плоских куска металла, их подгоняют и тщательно прижимают один к другому, а затем передвигают, таким образом, чтобы граница раздела между ними проходила через фокальное пятно лазерного пучка. Все способы фиксации свариваемых образцов рассмотреть здесь, безусловно, нельзя. Мы лишь отметим, что от фиксации зави­сит результат работы всей лазерной сварочной системы.

На рис. 3. а приведены приближенные пра­вила оценки допуска на точность фиксации дета­лей при сварке встык.

Рис. 3. Допуск на точность деталей встык (а) и внахлест (б).

Ве­личина допуска выражена через толщину сварива­емого материала t. Свари­ваемые части следует рас­полагать так, чтобы зазор между ними не превы­шал 0,15t, а расстыковка по высоте не превышала 0,25t. Края частей долж­ны быть прямолинейны­ми и иметь прямоугольное сечение. В соответствии с рисунком желательно, чтобы части прижимались одна к другой. Соблюдение указанных условий га­рантирует полную проверку стыкового соединения. Рис. 3. б иллюстрирует оценку допуска при соединении внахлест.

В настоящее время су­ществует много областей применения, в которых лазерная сварка достигла промышленного уровня. Она успешно конкурирует с такими хорошо извест­ными методами сварки, как дуговая сварка, свар­ка сопротивлением и свар­ка с помощью электронно­го пучка. Во многих слу­чаях применение лазер­ной сварки сулит определенные преимущества, которые могут оказаться решающими для конкретной области применения.

К числу преимуществ лазерной сварки относятся следующие:

1. Отсутствие контакта со свариваемым образцом (следова­тельно, отсутствие загрязняющих примесей).

2. В отличие от электронно-лучевой сварки, для которой необходим вакуум, лазерная сварка может производиться в атмо­сфере.

3. Малый размер зоны, подвергающейся тепловому воздей­ствию, что чрезвычайно важно в тех случаях, когда сварка должна осуществляться в непосредственной близости от чув­ствительных к нагреву элементов (например, мест спая метал­ла со стеклом).

4. Сварка может проводиться в местах, которые недоступны для других методов сварки (например, при восстановительном ремонте внутри отпаянного вакуумного объема).