"ЛАЗЕРНЫЙ ЦЕНТР" (Москва)

ЛАЗЕРНАЯ СВАРКА.

 

Особенности лазерной сварки.

Процесс лазерной сварки связан с интенсивным испарением металла сварочной ванны, который необходимо учитывать при разработке технологии сварки. Введенная в свариваемый металл энергия расходуется на теплосодержание жидкого металла при температуре плавления. Термический КПД проплавления основного металла выражает отношение теплосодержания проплавленного за единицу времени основного металла к эффективной тепловой мощности луча:

(1)

v – скорость перемещения сосредоточенного источника, см/с;

F – площадь проплавления, см²;

– плотность металла, г/см³;

S_m – теплосодержание жидкого металла при температуре плавления, Вт/г;

(2)

– введенная энергия, равная , т.е. равная затратам энергии: вследствие теплопроводности, на плавление и на испарение.

Максимальное (теоретическое) значение термического КПД для линейного источника в неограниченной пластине .

Необходимая для лазерной сварки в режиме глубокого проплавления плотность мощности излучения на поверхности металла составляет: 10⁶ Вт/см² (от 10⁵ до 10⁷ Вт/см² при диаметре луча от 1 до 10^-2мм). Баланс энергии при лазерной сварке ( 10⁵-10⁶ Вт/см²) : плавление- 30 - 35%, испарение -5 -10%, остальное – отвод тепла..

Из уравнения (1) следует, что чем выше погонная энергия q / v, тем больше площадь проплавления. Это действительно справедливо для процессов лазерной сварки, которые осуществляются при плотностях мощности q q*. Для лазерной сварки установлено, что обобщенный параметр – погонная энергия не является определяющей при количественной оценке процесса. Анализ микрошлифов и очертаний зон проплавления показывает, что при постоянном значении погонной энергии можно в широком диапазоне изменять геометрию проплавления с помощью только одного параметра лазерной сварки – степени фокусировки лазерного луча. При этом очертание зоны проплавления изменяется от полукруглого до «кинжального», а при больших отрицательных значениях степени фокусировки, может переходить в «клыкообразное».

Максимуму глубины проплавления соответствует минимальная ширина шва.

 

Влияние параметров лазерной сварки на глубину проплавления.

Процесс лазерной сварки является многофакторным. При лазерной сварке, как и при электроннолучевой, термический кпд составляет 0,484. После выхода процесса лазерной сварки на стационарный режим можно выделить несколько физических явлений, определяющих процесс. Среди этих явлений, главным, определяющим режим глубокого проплавления, является процесс испарения металла с его поверхности. При достижении плотности мощности на поверхности металла достаточной для режима испарения, глубина проплавления определяется скоростью и временем движения вглубь металла фронта испарения. Известно, что скорость волны испарения пропорциональна скорости звука (c) в металле, она тем меньше, чем больше скрытая теплота испарения металла и тем выше, чем больше поверхностная температура.

 

Влияние режимов лазерной сварки на ширину сварного шва.

Ширина сварного шва является важным параметром, так как она:

- позволяет закрыть стык сварного шва при наличии зазора между свариваемыми частями;

- распределяет неровности сварного шва по всей ширине шва.

С другой стороны, чем шире шов, тем больше деформация свариваемых деталей.

Ширина шва определяется скоростью растекания тепла поперек движения источника нагрева – лазерного луча. Длина пути пройденного теплом за время t равно:

где t =d_л / v , а – температуропроводность металла, d_л – диаметр лазерного луча в зоне воздействия, v – скорость лазерной сварки.

Характерные дефекты сварного шва при лазерной сварки.

 

Несплошности сварного шва.

Воздействие лазерного луча характеризуется феноменом «кинжального», или глубокого проплавления с соотношением глубины шва к его ширине 10:1 и более. Увеличение концентрации энергии до 10⁷ Вт/см² приводит к переходу от «кинжального» проплавления к образованию отверстий в металле. Нагрев при концентрациях менее 10⁵ Вт/см² сопровождается обычной полусферической формой плавления металла. В процессе «кинжального» проплавления внедрение луча в металл происходит за счёт испарения и является прерывистым. При исследовании было показано, что образующийся канал заполняется паром, а сверху закрывается плёнкой жидкого металла, которая периодически, с частотой примерно 13 – 14 Гц, прорывается вследствие повышения давления пара в канале. Взаимодействие луча с продуктами выброса (смесью пара и конденсата) в объёме канала приводит к тому, что непрерывно действующий пучок периодически рассеивается на стенках канала. Концентрация мощности луча в момент его рассеивания на стенки падает на 1 – 2 порядка (пропорционально площади внутренней поверхности канала), поэтому такой размазанный по стенкам пучок обеспечивает только плавление стенок. Таким образом, когда канал свободен от паров металла, луч без потерь достигает дна, происходит испарение вещества со дна канала. Когда канал заполнен паром, луч рассеивается и передаёт энергию стенкам, образуя жидкую фазу.

Смыкание канала сверху является причиной специфического дефекта – наличия полостей в объёме проплавления (пустот в корне шва).

Другим распространенным дефектом шва при сварке с кинжальным проплавлением является периодическое изменение глубины сварного шва по его длине, выражающееся в появлении пиков проплавления. Периодические изменения глубины шва связаны с колебаниями объёма жидкого металла сварочной ванны в зоне кристаллизации. Экспериментально установлено, что периодическое изменение глубины проплавления свойственно процессу с «кинжальным» проплавлением и не может быть устранено подбором параметров лазерной сварки без существенного снижения глубины проплавления.

Амплитуда пикообразования пропорциональна погонной энергии q / v. Уменьшение погонной энергии снижает глубину проплавления и уменьшает пикообразование.

Технический диапазон скоростей лазерной сварки – 0,1 – 10 см/с. При скоростях выше 100 м/час (2,7 см/с) уменьшаются размеры шва и околошовной зоны, общий нагрев образца и коробление, повышается стабильность режима лазерной сварки, но появляются подрезы на поверхности шва и вынос металла в корне.

 

Поры в сварном шве.

Поры – округлые, продолговатые или имеющие более сложную форму пустоты, возникающие в процессе первичной кристаллизации сварочной ванны. Поры располагаются между кристаллитами по оси шва или по его сечению. В большинстве случаев поры представляют собой не успевшие выделиться до затвердевания металла пузырьки водорода, азота, водяного пара и окиси углерода. Механизм образования пор связан с изменением растворимости газов в металле при изменении его температуры. Находящийся в расплавленном состоянии металл сварочной ванны может растворять значительное количество водорода и азота, попадающего в металл из атмосферы или из ржавчины, находящейся на поверхности металла. По мере остывания металла растворимость газов скачкообразно (в несколько раз) снижается и, свободно выделившиеся газы, образуют всплывающие наверх пузырьки. Часть пузырьков остается внутри сварного шва, запутывается между кристаллитами, образуя поры. При большой скорости кристаллизации сварочной ванны, характерной для лазерной сварки, рост кристаллитов обгоняет рост и всплывание пузырьков газа, и пузырьки запутываются между кристаллитами. Для снижения пористости рекомендуют замедлять кристаллизацию сварочной ванны, например, за счёт снижения скорости лазерной сварки.

 

 

Вверх