Санкт-Петербург. 02 июля 2014 года.

ООО «Лазерный Центр»

Горный С.Г.

Существенно-лазерные процессы обработки металлов.

ПРОЦЕССЫ ЛАЗЕРНОЙ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ

Теодор Майман (Maiman) – «….как только мы научимся управлять лазерным лучом, применения лазеров будут ограниченны только фантазией инженеров».

Лазерная сварка, газолазерная резка, резка в испарительном режиме, сверления отверстий, наплавка, комбинированные (гибридные) технологии, газокислородная резка, термообработка, поверхностное легирование, сварка непрерывным лучом, импульсная сварка, лазерная сварка с глубоким проплавлением, модификация поверхности, маркировка, гравировка и др.

Классификация методов лазерной сварки

А.Г. Григорьянц, И.Н. Шиганов

Принципиальные отличия процессов лазерной обработки металлов

а-стыковое б - замковое; в - стыковое деталей разной толщины; г - угловые; д и е - стыковые при сварке шестерен; ж- стыковые с отбортовкой кромок

Лазерная сварка в труднодоступных местах: а - и б - через отверстия малых диаметров; в - через прозрачное для лазерного излучения окно; г - через тыльную сторону полупроводниковой подложки; д - с помощью инструмента из сапфира; 1- свариваемые детали; 2 - луч лазера; 3 - стеклянная крышка; 4 - трубчатый корпус

«КОНСТРУКТИВНЫЕ» ПРЕИМУЩЕСТВА

«ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ" ПРЕИМУЩЕСТВА

Сверление1. Вейко В.П.

2. Анисимов С.И.

3. Медведев А.В,

Сварка1. Swift Hook & Jick2. Arata & Miamoto3. Рыкалин и др.4. Большов и др.

Основные процессы и теории Резка1. Steen2. Коваленко3. Крылов и др.

1

3

4

2

5 V

1 – лазерный луч, 2 – парогазовый канал, 3 – расплавленный металл.

1 – исходный металл, 2 – фронт отвердевания, 3 – расплав, 4 – рез, 5 –пучок лазерного излучения

а) нагрев; в) плавление; в) формирование канала; г). формирование отверстия

Исследование динамики формирования шва

Схема проведения экспериментов по исследованию динамики процесса сварки:1 – лазерный луч; 2 – образец из оптически прозрачного материала; 3 – проплавленный шов; 4 – паровой поток; 5 – скоростная кинокамера СКС-1М; 6 – система светофильтров для поля парового потока; 7 – система светофильтров для поля мишени.

Кинограмма процесса проплавления образцов из модификаций кварцевого стекла с пониженной вязкостью. Фокусировка излучения поверхностная. Фильтры для образца СС8-1С18+нС9. Фильтр для пара НС10.

Временные закономерности лазерной сварки

а – Схема эксперимента по проплавлению «сэндвича»: Кварц – нержавеющая сталь – кварц.1 – луч; 2 – клиновидный образец; 3 – шов; 4 – паровой поток; 5 – кварцевые пластины: 6 – кинокамера; 7 – светофильтр на пар; 8 – светофильтр на сварочную ванну (СС4+СС5+С3С21).б – Кинограмма процесса сварки.

Характер изменения температуры передней стенки канала во времени при непрерывном режиме генерации

2

4

IkE

н

плплкип HTTcE )(

Sm нр 4

SIIpSpFреакт0

00

0

20

4 IEIkp

mF

að

ðåàêò

kpEId

Iad

испв0

041~

IpdI

испв0

0

~Ik испк èñïH

0

0

2

pIdI

Hk

èñï

ê

10

0

2

ñâèñï

ê

VpIdI

Hkf

Оценка временных параметров процесса лазерной сварки

íèñï

Изменение формы зоны проплавления при изменении скорости сварки:а – Непрерывный режим 7.5 кВт, 0.1 мм.1 - 3 мм/с; 2 - 5 мм/с; 3 - 15 мм/с; 4 - 20 мм/с; 5 - 25 мм/с.б – Импульсно-периодический режим 2 кВт, 300 Гц, 1 - 5 мм/с, 2 - 8 мм/с.

10

0

2

ñâèñï

ê

VpIdI

Hkf

0

0

2

pIdI

HkfV

èñï

êñâ

Критерий лазерной сварки с глубоким проплавлением

11 4 EhVdEhVP свсвпр

211 /2/2 EVdhVEVdhVdEhVP свсвсвсвсвэф

ñâïðýô dV/21

2/21

11

ñâñâ

ýô

dVdVEP

h

, мм/с 10 20 30 40 50

0.30 0.37 0.42 0.43 0.44

0.72 0.74 0.76 0.76 0.72ïð

ýô

ñâV

Оценка параметров процесса лазерной сварки.

)/21(11

1 GdVdVEP

hсвсв

српр

GdVсвпрэф /21

свVпр

эф

мм/с 2 5 10 15 20 25 30

0.21 0.28 0.34 0.36 0.37 0.38 0.38

0.51 0.53 0.56 0.55 0.53 0.54 0.52

2

4

6

8

10

0 10 20 30 40 50 60V св , мм/с

h , ммпр

2

4

6

8

10

0 10 20 30 40

V св , мм/с

h , ммГлубина КПД

пр

Обобщенная оценка параметров процесса лазерной сварки

2

0

0 /214

)1(св

исп

эф dVEp

dpIH

Plkm

0,005

0,01

0,015

0,02

2 2,2 2,4 2,6 2,8

P , кВт

m , г

0

0,02

0,04

0,06

0,08

0 10 20 30 40

Vсв , мм/с

m , г

Зависимости потерь материала на испарение при лазерной сварке (длина образца 100 мм).а – от мощности лазерного луча, 1 – Vсв = 15.5 мм/с; 2 - Vсв = 27.5 мм/с. б – от скорости сварки. P = 2 кВт.- - расчетные значения, - экспериментальные данные

Оценка потерь материала при лазерной сварки

301 /214 ñâñâ

èñï

dVVpEId

HE

Относительные потери материала на испарение при лазерной сварке.

2P кВт

20свV

Компонент Fe Cr Ni Примечание

Основной материал 0.706 0.182 0.110

мм/с

Расчетный состав металла шва 0.718 0.178 0.099

Экспериментально определенный

состав шва0.72-0.74 0.174-0.176 0.09-0.10

iii pp

ièñï

i BHp i èñï

i

RT

iii

iii p

p

i

iMM mmi

i

1

iii

Термодинамическая оценка химического состава металла шва при сварке

14max

Eph эф

непр

1max4 E

GPh эф

ср

21 /21

14 GdVEV

Idh

ñâñâ

ñð

max111maxmax 16

~1644

IE

dI

Ed

GIEd

dh

bh эф

импэф

срэф

30~dh

10

0

2

ñâèñï

ê

VpIdI

Hkf

2max1 PB

Ah

Оценка предельных параметров лазерной сварки.

2max801

80

Ph

7,0

max Ph

Сравнение экспериментальных расчетных данных предельной глубины лазерной сварки

Лазерно-дуговая сварка

Осциллограмма тока и напряжения дуги.

Зависимость глубины провара от скорости сварки

0ÒÒñP ïëÄ

ïëïëêèïË HÒÒñP

Рд Рл Pл/Рд Рд:Рл

Fe 8098 8924 1.10 47,5%:52,5%

Ti 7093 7997 1.12 47%:53%

Al 1925 6507 3.38 22,8%:77,2%

Особенности лазерно-дуговой сварки

1- Лазерно-дуговая сварка, 2-Лазерная сварка

Металлургия и металловедение газолазерной

резки

Fe > 40%

Временные закономерности газолазерной резки

1. Лазерный луч

2. Линза

3. Сопло

4. Образец

5. Продукты выноса

6. Коллиматор

7. Фотоприемник

8. Усилитель

9. Осциллограф

I D H Eэф E c T T Hпл пл ( )*

Re* VГ

I P bhэф эф EV

Pdh

DH

Г

эф Re*

h b const V hb V hb b constV b QГ Г Г 2 2

hdVE hV d V E hV d V E P hV Dd V Hэф 1

h

PTdV

DHdV

QdV dV

эф

пл

1

11

Re*

Оценка параметров процесса газолазерной резки

Сравнение расчетных и экспериментальных данных по газолазерной резки сталей.

çâÒ

ýô cEI

*max Re

ïëïëêèïÒ HTTcE

ïëT êèïT ñ maxýôIМатериал

0К 0K г / см3 Дж/г 0К см2/с см2/с Вт/см2

Алюминий 933 2793 2,7 1,08 0,35 0,5х 10-2 5,9х106

Титан 1941 3442 4,5 0,74 0,075 0,01 5,8х105

2

max

*

max

max

1Re

VVIc

VIT

kP

h

ýôçâýô

ïë

Предельные параметры процесса газолазерной резки

Предельные кривые зависимости максимальной толщины разрезаемого материала для алюминия (а) и титана (б).

1- теоретическая; 2-экспериментальная

Внешний вид кромки реза.

а). при реализации предельно возможной скорости резки.б). при резке со скоростью меньше предельно возможной.

Сверление отверстий

EHhDèñï

4

2

E – энергия лазерного излучения

V(r) =r h2 h

Eah

h6

42

3

24

a

0v h

ha8

drV(r)2P

r

hh hhh

qchLa

22

2

34

3

- из условия сохранения массы расплава

- кинетическая энергия движения расплава

P qL c

htrp

s

- мощность вязких сил

- мощность сил отдачи

Дифференциальное уравнение сверления отверстия

Уравнения лазерного клеймения (гравировки)

V(r) =r h2 h

Eah

h6

42

3

24

a

0v h

ha8

drV(r)2P

r

P qL c

htrp

s

V(r)=r hh

Ea lh

h49

32

P lahhv

23

32

3

P qL c

htrp

s2as als

hh hhh

qchLa

22

2

32

98

hh h

hh

qchLa

22

2

34

3

Для круга Для линии

hLa

8qct

2

p

a

qcL

tTTp

43

*

ï ë

Для линииДля круга

Ограничения на параметры изображения при проекционной гравировке (клеймении)

ВЫВОДЫ:

1. Существуют процессы лазерной обработки металлов сущностью которых является релаксационные колебания нагрева, плавления и последующего вытеснения расплава из зоны воздействия.

2. Все процессы лазерной обработки металлов характерный размер воздействия которых в направлении распространения лазерного излучения, превышает характерный размер в перпендикулярном направлении, имеют релаксационно колебательную природу.

3. На основании единого подхода к рассмотрению этого круга процессов можно получить ряд технологических решений и ограничений, и, возможно, описать их на основе одних и тех же уравнений.

4. Предлагается назвать такие процессы лазерной обработки металлов «существенно лазерными» или «интринсиктивными».