[ENG]
СФ ФИАН
Самарский филиал Федерального государственного бюджетного учреждения науки Физического института им. П.Н. Лебедева Российской академии наук
Новости
Филиал
Структура
Дирекция
Лаборатория когерентной оптики
Лаборатория лазерно-индуцированных процессов
Лаборатория физико-химической кинетики
Теоретический сектор
ЦЛА
Сотрудники
Семинар
Публикации
2022
2021
2020
2019
2018
2017
2016
2015
2014
2013
2012
2011
2010
2009
2008
2007
2006
2005
2004
2003
2002
2001
Патенты
Оборудование
Разработки
История
О Самарском филиале ФИАН
О В.А. Катулине
Страницы истории ФИАН
Фотографии разных лет
Видеозаписи
Образование
Сотрудничество с вузами
Конкурс-конференция
SPIE Samara Student Chapter
экскурсии по лабораториям
Библиотека
Контакты
Импульсный технологический лазер для высококачественной глубокой сварки

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.