Спиральные пучки света.

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:

С.В. Каюков weld@fian.smr.ru;
Физический институт им. П.Н. Лебедева, Самарский филиал.


   <О ФИАНе>      <наверх>      <стартовая>