3.2. Теплофизические показатели лазерной сварки

Распространение теплоты при лазерной сварке подчиняется законам теплопроводности. Для возможности анализа тепловых процессов на основе теории теплопроводности в первую очередь необходимо соответствующим образом задать тепловой источник в месте воздействия лазерного излучения. Это можно выполнить с учетом специфических особенностей взаимодействия лазерного излучения с металлами при сварке.

Лазерное излучение, направленное на поверхность материала, частично отражается от поверхности, а частично поглощается материалом. Вследствие поглощения излучения в обрабатываемом материале начинает действовать интенсивный источник теплоты.

По энерговкладу в единицу объема обрабатываемого материала лазерная сварка занимает промежуточное положение между поверхностной термообработкой и резкой. Характер и интенсивность воздействия в первую очередь зависят от плотности мощности лазерного излучения Е (Вт/м²) в зоне обработки, определяемой отношением мощности лазерного излучения Р (Вт) к площади пятна, сфокусированного на поверхности лазерного излучения.

При уровнях Е @10⁸...10⁹ Вт/м² происходит активный локальный разогрев материала, при котором не наблюдается заметного испарения или разрушения материала. Такие источники нагрева используются для термообработки, наплавки, легирования и сварки металлов небольшой толщины 0,5...1,0 мм.

Следует ввести в рассмотрение понятие пороговой плотности мощности Е*, определяющее условие нагрева металла без разрушения. Характерный уровень Е*, с превышением которого начинается активное испарение и разрушение, для большинства металлов составляет 10⁹...10¹¹ Вт/м² в зависимости от теплоты испарения, теплопроводности и длительности нагрева. При значительном превышении плотности мощности Е над пороговой плотностью мощности Е* основная доля энергии лазерного излучения расходуется на интенсивное испарение материала и увеличение внутренней энергии разлетающихся паров, капель и твердых частиц, а энергия, затрачиваемая на плавление металла, относительно мала. Соответственно жидкая фаза в зоне обработки практически отсутствует, и сварка в столь жестком режиме оказывается невозможной.

Снижение плотности мощности до Е@10⁹... 10¹⁰ Вт/м² приводит к увеличению доли жидкой фазы в зоне обработки; происходит интенсивное проплавление, называемое «кинжальным». При перемещении лазерного луча расплавленный металл под действием давления паров и вследствие разности сил поверхностного натяжения в центральной и хвостовой частях сварочной ванны оттесняется в хвостовую часть ванны. При кристаллизации расплавленного металла образуется шов.

Распределение энергии лазерного излучения при сварке в общем случае установившегося режима проплавления можно представить в виде схематизированного изображения на рис. 3.2 (по данным О.А.Величко и др.).

Рис. 3.2. Схема энергозатрат в установившемся режиме проплавления металла сфокусированным лазерным пучком:

/ — сфокусированный луч лазера;

2 — основной металл; 3 — кратер (парогазовая каверна); 4 — жидкий металл; 5—переплавленный металл (сварной шов); 6—плазменный факел.

Здесь Qл — энергия сфокусированного лазерного луча в зоне обработки; Qф — энергия, поглощенная в объеме плазменно-парового факела внутри и над поверхностью кратера (высокотемпературная плазма возникает вследствие ионизации парогазовой среды концентрированным потоком энергии лазерного излучения); энергия, рассеиваемая в окружающую среду излучением из плазменного факела; Qотр — энергия лазерного излучения, отраженная от плоской поверхности основного металла и от дна кратера; Qразр — полная энергия продуктов разрушения, уносимая реактивной парогазовой струёй; Qв — полное теплосодержание жидкого металла в сварочной ванне; Отп — энергия, отводимая теплопроводностью в глубь основного и переплавленного металла.

Эффективность процесса сварки принято характеризовать значением эффективного КПД h_и, представляющим отношение энергии или мощности, поглощенной металлом при сварке, к энергии или мощности, подводимой к свариваемым деталям.

Таким образом, независимо от абсолютного уровня мощности существует область оптимальных режимов сварки в диапазоне 20...40 мм/с, обеспечивающих высокий уровень эффективности расплавления в сочетании с высокой производительностью. Достигаемые при этом значения термического КПД на уровне h_t= 0,35...0,40 значительно превосходят значения, полученные при традиционных способах дуговой сварки, не превышающие, как правило, 0,18...0,22.