Импульсный технологический лазер для высококачественной глубокой сварки

СФ ФИАН

Самарский филиал Федерального государственного бюджетного учреждения науки Физического института им. П.Н. Лебедева Российской академии наук

В течение длительного времени считалось общепризнанным, что импульсное лазерное излучение миллисекундного диапазона длительности применимо для сварки металлов только малых толщин (менее 1 мм). При этом отношение глубины зоны плавления к диаметру близко к единице. На рис.1 показан характерный вид продольного сечения зоны плавления под действием одиночного импульса излучения длительностью 4 мс серийного технологического лазера "Квант-15". Увеличение энергии в импульсе неизбежно приводит к выбросу части расплава и формированию глубокой лунки (рис.2).
Многолетние исследования теплофизических и гидродинамических процессов, протекающих при локальном нагреве и плавлении металлов импульсами лазерного излучения длительностью 10^-3-10^-2 с и имеющие существенно нестационарный характер, позволили решить главную проблему: на основе выявленных закономерностей, связывающих динамические параметры роста парогазового канала с формой импульсов излучения и пространственными характеристиками лазерного пучка, построена физическая модель процесса глубокого плавления металлов импульсным лазерным излучением миллисекундной длительности и впервые показано, что под действием этого излучения может быть получена глубина продвижения фронта плавления более 6 мм без выброса частиц расплава при энергии в импульсе менее 20 Дж (рис.3). На основе выявленных физических механизмов глубокого плавления металлов в СФ ФИАН в 1996 г. создан опытный образец импульсной лазерной технологической установки нового поколения, имеющий значительно более широкие технологические возможности в сравнении с известными моделями.
Рис.1 Рис.2	Рис.3	Основные характеристики опытного образца:
		Средняя мощность излучения, макс.	80 Вт
		Макс. энергия в импульсе излучения	30 Дж
		Макс. частота повторения импульсов	5 с^-1
		Длительность импульсов излучения	2,0-12,0 мс
		Шаг перестройки формы импульсов	0,5 мс
		Параметр качества лазерного пучка, не хуже	30 мм·мрад
		Максимальная глубина одиночных сварных соединений:
		в сталях	5,0 мм
		в меди	1,0 мм
		Максимальная глубина шовной сварки:
		в сталях	3,5 мм
		в меди	0,8 мм
		Максимальная глубина одиночных отверстий:
		в сталях, в латуни	6,0 мм
		в меди	1,2 мм
		Потребляемая электроэнергия	380 В, 12 кВт
		Габаритные размеры:
		станок	1000×960×1200 мм
		источник питания	720×620×1900 мм
		дополнительный блок	720×800×1100 мм
		Вес:
		станок	200 кг
		источник питания	615 кг
		дополнительный блок	260 кг
Области применения: механическое производство; автомобильная промышленность; подшипниковая промышленность; электротехника; сборка приборов и механизмов.		Преимущества: глубокая сварка и пробивка отверстий; высокое качество излучения; точная регулировка формы импульса; простота конструкции; компактность.
Использование установки нового поколения в технологии сварки позволяет реализовать на достаточно крупногабаритных деталях уникальное преимущество импульсного режима, связанное с возможностью исключения термической деформации. Поскольку параметры непрерывного излучения и скорость перемещения вдоль траектории шва в режиме кинжального проплавления задаются условиями реализации этого режима, то удельный энерговклад w∼qd/V [Дж/см2] не может быть сделан меньше некоторой величины w* . Здесь: q - плотность мощности излучения на участке фокусировки, d - диаметр зоны фокусировки на поверхности детали, V -скорость перемещения сфокусированного пучка. Тепловая мощность P∼qd², вводимая излучением и время τ∼l/V, в течение которого формируется шов длиной l, жестко связаны между собой. В случае импульсного излучения режим глубокого проплавления реализуется для каждого одиночного импульса и вводимая тепловая мощность может быть сделана сколь угодно малой за счет уменьшения частоты следования импульсов. Время формирования шва не связано с динамикой процесса плавления и может выбираться независимо, например, по критерию минимизации неравномерности нагрева детали. В результате величина остаточных деформаций также может быть сделана малой за счет уменьшения градиентов температуры в объеме детали и снижения полного энерговклада.
Контакты: Гусев А.А. gusev_aa@fian.smr.ru Физический институт им. П.Н. Лебедева, Самарский филиал.