А
Б В
Г Д
Е Ж
З И
К Л
М Н
О П
Р С
Т У
Ф Х
Ц Ч
Ш Э
Ю Я
Реферат: Лазерная и электронно-лучевая обработка материалов.
Лазерная и электронно-лучевая обработка материалов.
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ПО ВЫСШЕМУ ОБРАЗОВАНИЮ
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ
ИНЖЕНЕРНО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ
Кафедра современного естествознания
и экологии
КУРСОВАЯ РАБОТА
по дисциплине “Концепции современного естествознания
(теоретические основы прогрессивных технологий)”
Тема: “Лазерная и электронно-лучевая обработка материалов”
Руководитель: доцент Т.А. Шапошникова
Санкт-Петербург
1999
Аннотация
В данной работе рассмотрены широкие возможности, открывающиеся перед производством, в результате использования принципиально новых технологий лазерной обработки.
В работе обобщены современные представления о лазерной сварке металлов и сплавов на основе сопоставления с традиционными способами сварки, что позволяет установить области эффективного использования лазерного излучения при изготовлении сварных соединений и конструкций.
Выделены некоторые особенности процесса лазерной сварки. Например то, что с помощью зеркальных оптических систем лазерный луч можно направлять в труднодоступные места, подавать на значительные расстояния без потерь энергии, одновременно или последовательно использовать на нескольких рабочих участках. Это создает возможность легкого и оперативного управления процессом лазерной сварки.
В работе также рассмотрены теплофизические показатели лазерной сварки, с учетом специфических особенностей взаимодействия лазерного излучения с металлами при сварке.
Анализируются методы лазерной сварки по трем группам признаков: энергетическим, технологическим и экономическим. По совокупности рассмотренных признаков лазерная сварка делится на:
непрерывную с глубоким проплавлением;
импульсно-периодическую с глубоким проплавлением;
непрерывную лазерную сварку малых толщин;
импульсную лазерную сварку малых толщин.
Рассмотрение технологии лазерной сварки в рамках такой классификации дает возможность детализировать каждый метод, раскрыть его особенности, достоинства и недостатки, а также показать наиболее эффективные области применения.
В работе обобщаются преимущества лазерной сварки перед другими методами,из всего многообразия которых наиболее целесообразно лазерную сварку сравнивать со следующими: дуговой неплавящимся электродом, плазменной, электронно-лучевой и контактной, а также пайкой. Эти методы в наибольшей степени могут быть заменены лазерной сваркой без принципиального изменения конструкции детали.
Делается вывод о том, что лазерная сварка обеспечивает существенное увеличение производительности, хотя широкое применение лазерной сварки в ряде случаев сдерживается соображениями экономического характера. Стоимость лазеров пока еще достаточно высока, что требует тщательного выбора области их применения.
Задание
Лазерная сварка внахлест двух полос из вольфрама толщиной по 0.5 мм на длину 500 мм.
Оглавление
АННОТАЦИЯ
ЗАДАНИЕ
ОГЛАВЛЕНИЕ
1. ВВЕДЕНИЕ
2. ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ ЛАЗЕРНОЙ СВАРКИ
2.1. ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ЛАЗЕРНОЙ СВАРКИ
2.2. ФОКУСИРУЮЩИЕ СИСТЕМЫ ДЛЯ ЛАЗЕРНОЙ СВАРКИ
3. ОСОБЕННОСТИ ПРОЦЕССА ЛАЗЕРНОЙ СВАРКИ
3.1. ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ
3.2. ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ ЛАЗЕРНОЙ СВАРКИ
3.3. ТЕПЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ
4. МЕТОДЫ ЛАЗЕРНОЙ СВАРКИ И ИХ ФИЗИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ
4.1. КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТОДОВ ЛАЗЕРНОЙ СВАРКИ
4.2. ПРЕИМУЩЕСТВА И ОСОБЕННОСТИ ПРОЦЕССА ЛАЗЕРНОЙ СВАРКИ
5. РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ
1. Расчет плотности теплового потока внутри материала
2. Расчет мощности теплового потока внутри материала
3. Мощность излучения, падающего на поверхность детали
4. Максимальная энергия излучения
5. Расчет теоретической производительности
6. Расчет длительности технологического процесса
7. Расчет теоретической энергоемкости
6.ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. ВВЕДЕНИЕ
Лазер открывает возможность развития технологических процессов обработки материалов в ряде областей машино- и приборостроения.
Высокие плотности мощности лазерного излучения, существенно превосходящие другие источники энергии, позволяют не только значительно увеличить производительность обработки, но и получить качественно новые результаты, недоступные традиционным методам обработки.
Одним из применений лазера в машиностроении является соединение элементов сваркой.
Самое широкое применение в промышленности находит электродуговая сварка, выполняемая различными автоматами и вручную. Для защиты расплавленного металла от воздействия газов (кислорода, водорода, азота и др.), оказывающих вредное влияние на механические свойства сварных соединений, используется сварка под флюсом, в среде защитных газов (аргона, гелия, углекислого газа и др.). Распространена также контактная сварка, осуществляемая с использованием джоулевой теплоты. Находят применение диффузионная сварка и сварка трением, выполняемые пластическим деформированием ювенильных поверхностей, а также ультразвуковая сварка, сварка взрывом и др. Большую перспективу обеспечивает развитие электронно-лучевой сварки, выполняемой в вакуумных камерах.
Фундаментальные исследования процесса лазерной сварки металлов, выполненные в ИЭС им. Е. О. Патона, МВТУ им. Н. Э. Баумана и в других организациях, позволили установить характерные особенности процесса, обеспечивающие сочетание высокой производительности и повышенного качества сварных соединений.
В данной работе обобщены современные представления о лазерной сварке металлов и сплавов на основе сопоставления с традиционными способами сварки, что позволяет установить области эффективного использования лазерного излучения при изготовлении сварных соединений и конструкций.
2. Основы технологии лазерной сварки
2.1. ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ЛАЗЕРНОЙ СВАРКИ
В понятие «технология» входит целый комплекс мероприятий по изменению формы, размеров и свойств материалов, которые в конечном счете приводят к получению изделий с заданными техническими требованиями. При разработке технологического процесса решаются как чисто технические, так и организационно-экономические задачи.
Наиболее важными вопросами при разработке технологии являются: выбор соответствующего оборудования; оптимизация параметров сварки; выбор номенклатуры изделия; конструирование оптимального типа соединения; отработка технологических приемов сварки различных типов соединений.
Одним из основных этапов проектирования любого технологического процесса является выбор соответствующего оборудования. От правильного выбора оборудования в значительной степени зависит качество получаемого изделия, производительность процесса и экономический эффект применения данного метода.
Оборудование для лазерной обработки вообще и для сварки в частности включает в себя следующие основные элементы:
технологический лазер;
систему отклонения и фокусировки луча;
систему наблюдения;
оснастку для крепления и перемещения детали;
средства контроля за параметрами процесса.
Все эти элементы входят в состав лазерной технологической установки (рис. 2.1).
Рис. 4.1. Структурная схема лазерной технологической установки:
1 — технологический лазер; 2 — лазерное излучение; 3 — оптическая система; 4 — обрабатываемая деталь; 5 — устройство для закрепления и перемещения детали; 6 — датчики параметров технологического процесса; 7 — программное устройство; 8 — датчики параметров излучения.
Основным элементом оборудования является технологический лазер, отличающийся надежностью и простотой эксплуатации в жестких условиях производства, а также имеющий высокий ресурс работы и воспроизводимость параметров излучения.
Выбор типа лазера для осуществления той или иной сварочной операции должен осуществляться с учетом следующих положений и рекомендаций:
на основании чертежа детали и технического задания на ее изготовление определить технологические операции, при выполнении которых потребуется лазер;
установить требуемую глубину проплавления и ширину шва; учесть при этом состав свариваемого материала;
оценить масштабы производства, его тип и требуемую производительность;
определить возможности предприятия по затратам на приобретение и эксплуатацию того или иного типа лазера;
рассчитать экономическую эффективность от применения лазерной сварки;
оценить возможности предприятия по площадям, культуре производства и подготовленности кадров.
Отклоняющие системы служат для изменения направления луча от источника до детали. При проектировании или выборе этих систем необходимо учитывать следующие положения и требования.
1. Взаимное расположение детали и источника излучения необходимо проектировать с таким расчетом, что бы расстояние между ними было минимально возможным. Также необходимо сводить к минимуму количество отклоняющих элементов. При соблюдении этого условия достигается снижение потерь излучения на отражение и рассеивание.
2. Для изменения направления излучения с длиной волны, лежащей в видимой или ближней инфракрасной части спектра, используют призмы полного внутреннего отражения и интерференционные зеркала с многослойными диэлектрическими покрытиями. Такие системы применимы в основном для твердотельных технологических лазеров с длиной волны 1,06 мкм и невысокой мощностью излучения.
3. В системах с мощными газовыми лазерами с длиной волны излучения 10,6 мкм применяют металлические, преимущественно медные зеркала. При использовании С02-лазеров мощностью до 200 Вт возможно применение стеклянных зеркал с покрытиями из золота или алюминия.
4. При выборе или конструировании отклоняющих систем необходимо учитывать возможность их нагрева вследствие поглощения излучения. При относительно небольших мощностях излучения, особенно в непрерывном режиме работы лазера, это может привести к термическим деформациям оптических деталей, к изменению их оптической силы и, следовательно, к изменению параметров сфокусированного пучка, а также к увеличению аберраций.
Фокусирующая система служит для создания необходимой плотности мощности на поверхности детали.
Система наблюдения служит для наблюдения, контроля и наведения излучения на обрабатываемую точку.
Существуют две основные схемы систем наблюдения:
1. Система наблюдения соосна с фокусирующей системой.
2. Система наблюдения расположена под углом к фокусирующей системе.
Соосная система выполняется путем соответствующей установки отклоняющих зеркал и призм, полупрозрачных зеркал или зеркал с отверстиями. Такая схема применена в системе наблюдения СОК-2, которой оснащены установки серий КВАНТ. Для точного наведения луча на место сварки в оптических системах с совмещенными фокусирующими объективами и микроскопом применяется сетка с перекрестием, обеспечивающим максимальную точность наведения. Соосные системы наблюдения применяются преимущественно для лазеров с длиной волны излучения в ближней инфракрасной области.
Помимо рассмотренных функций оптическая система может обеспечивать перемещение; расщепление; сканирование и модуляцию луча.
В большинстве случаев относительное перемещение детали и источника нагрева осуществляется за счет движения детали. Однако в случае высоких скоростей сварки и увеличенных габаритов деталей удобнее использовать систему перемещения луча. Это позволяет уменьшить массу подвижных узлов, что облегчает управление их перемещением, способствует повышению точности обработки.
Перемещение луча достигается следующими методами (рис. 2.2, а, б, б).
Рис. 2.2. Схема перемещения луча при неподвижной детали:
а — перемещение отклоняющего зеркала вдоль детали; б — колебания отклоняющего зеркала; в — круговое вращение системы зеркал
1. Использование системы подвижных зеркал, перемещаемых по соответствующим координатам.
2. При небольших перемещениях используют изменение угла наклона зеркала по отношению к оптической оси.
3. Для обеспечения кругового перемещения применяют систему вращения зеркала вместе с объективом. Если радиус окружности не превышает радиуса поля зрения объектива, то круговую траекторию движения фокального пятна можно получить путем смещения объектива и его вращения относительно оси луча.
2.2. ФОКУСИРУЮЩИЕ СИСТЕМЫ ДЛЯ ЛАЗЕРНОЙ СВАРКИ
Излучение на выходе из резонатора технологического лазера представляет собой пучок диаметром от нескольких миллиметров до десятков миллиметров и не обеспечивает высокой степени концентрации энергии и требуемого характера распределения плотности мощности. Для реализации высокопроизводительного процесса лазерной сварки применяют различные оптические системы преобразования параметров лазерного излучения.
Фокусирующие линзы и зеркала. С целью повышения плотности мощности лазерного излучения осуществляют его фокусировку. Для фокусировки применяется как прозрачная оптика проходного типа (линзы), так и отражательная металлооптика (зеркала).
Фокусирующие прозрачные линзы используются при малых мощностях лазерного излучения (до 1...3 кВт). При повышенных мощностях лазерного излучения все шире начинают использоваться зеркальные фокусирующие системы из металлооптики, обеспечивающие значительно больший срок службы. Зеркальные фокусирующие системы используются в виде одиночного фокусирующего зеркала или какого-либо варианта двухзеркального объектива Кассегрена.
Лазерная сварка с фокусировкой одиночным зеркалом может осуществляться, когда фокусирующее сферическое зеркало установлено под углом к оси падающего излучения. Может использоваться дополнительно плоское зеркало, которое необходимо при обработке крупногабаритных деталей. Если обрабатываемые детали имеют небольшие размеры, то лазерное излучение можно направлять непосредственно на фокусирующее сферическое зеркало (по траектории отраженного от плоского зеркала излучения). Также может использоваться плоское кольцевое зеркало, а фокусирующее сферическое зеркало установливаться соосно с падающии излучением. Эту метод фокусировки целесообразно использовать в тех случаях, когда лазерное излучение имеет кольцевое сечение.
Большими возможностями фокусировки мощного лазерного излучения для технологических целей обладают двухзеркальные объективы(рис.2.3)
Рис. 2.3. Классическая схема
объектива Кассегрена:
1 — параболоидальное зеркало;
2 — гиперболоидальное зерка-
ло; 3 — лазерный кольцевой
луч.
.
Объектив Кассегрена состоит из большого вогнутого параболоидального и малого выпуклого гиперболоидального зеркал и обладает хорошими фокусирующими свойствами для достижения высокой концентрации энергии лазерного излучения. Однако этот объектив для фокусировки лазерного излучения не применяется, так как имеет существенные недостатки:
1) когда внутренний диаметр кольцевого луча меньше диаметра малого зеркала, происходит экранирование излучения малым зеркалом;
2) изготовление зеркальных поверхностей второго порядка весьма сложно, трудоемко и дорого;
3) на малом зеркале достигается высокая концентрация энергии излучения, что может вызывать тепловые деформации поверхности зеркала и ухудшение вследствие этого фокусирующих характеристик.
Зеркальная оптика для мощных технологических лазеров обычно изготавливается из чистой меди, обеспечивающей высокие значения коэффициентов отражения и теплопроводности.
Металлические зеркала изготавливают достаточно массивными и жесткими, чтобы они могли выдержать высокий уровень лазерного излучения и не допустили значительных тепловых деформаций поверхности зеркал.
Для снижения тепловых деформаций и повышения стойкости в лазерах большой мощности применяют искусственное охлаждение медных зеркал водой. Использование защитных и многослойных просветляющих покрытий позволяет увеличивать стойкость зеркал при хранении и эксплуатации.
Лазерное излучение сравнительно небольшой мощности (до 1...3 кВт) фокусируется обычно линзами из оптически прозрачных материалов.
3. ОСОБЕННОСТИ ПРОЦЕССА ЛАЗЕРНОЙ СВАРКИ
3.1. ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ
Одним из наиболее широко распространенных технологических процессов в производстве является сварка. Сварка предназначена для получения неразъемных соединений и осуществляется локальным приложением различных видов энергии: электрической, механической, химической и др.
Лазерное излучение обеспечивает высокую концентрацию энергии, существенно превосходящую другие источники энергии, используемые для сварки. На рис. 3.1 приведены значения плотности мощности лазерного излучения, получаемого в оптических квантовых генераторах, часто называемых просто лазерами. Плотность мощности представляет собой отношение мощности источника к его площади и характеризует концентрацию источника нагрева. Из сопоставления лазерного источника нагрева с другими сварочными источниками следует, что лазерный луч на несколько порядков превосходит по концентрации остальные источники теплоты, используемые для сварки.
. .,
Рис. 3.1. Концентрация энергии различных тепловых источников (плотности мощности):
ГП — газовое пламя; ДП — дуговая плазма; ЭЛ — электронный луч; ИР — искровой разряд; СД — сварочная дуга; ЛИ — лазерное излучение
Достаточно высокую концентрацию энергии также обеспечивает электронный луч, используемый в настоящее время для сварки ответственных конструкций. Электронно-лучевая сварка осуществляется в вакуумных камерах, что является в настоящее время необходимым условием устойчивого проведения процесса
Лазерная сварка в отличие от электронно-лучевой не требует вакуумных камер. Процесс лазерной сварки осуществляется в атмосфере воздуха либо в среде защитных нейтральных газов (Аг, Не), в среде углекислого газа (С02) и др. Поэтому создается возможность использования лазерной сварки для соединения элементов конструкций любых габаритов.
Особенностью лазерного излучения является возможность легкой его транспортировки. С помощью зеркальных оптических систем лазерный луч можно направлять в труднодоступные места, подавать на значительные расстояния без потерь энергии, одновременно или последовательно использовать на нескольких рабочих участках. Эти характерные особенности лазерного излучения создают возможность легкого и оперативного управления процессом лазерной сварки. К этому следует добавить простоту управления энергетическими характеристиками лазерного излучения.
В отличие от электронного луча, дуги и плазмы на лазерный луч не влияют магнитные поля свариваемых деталей и технологической оснастки, что позволяет получать устойчивое качественное формирование сварного шва по всей длине.
Для сварки металлов используются твердотельные и газовые лазеры. Различают технологические лазеры импульсно-периодического и непрерывного действия.
Из твердотельных лазеров для сварки применяют лазеры на рубине (в качестве твердого активного элемента в нем использованы стержни из кристалла искусственного рубина). Эти лазеры генерируют обычно импульсно-периодическое излучение на длине волны (= 0,69 мкм с длительностью импульсов ( ( 10-3... 10-9 с,
Более высокими значениями мощности отличаются твердотельные лазеры с активным элементом в виде стержней из стекла с примесью неодима. Эти лазеры способны генерировать большую энергию в десятки джоулей.
Большими технологическими возможностями отличаются твердотельные лазеры с активным элементом из иттрий-алюминиевого граната с добавкой неодима. Эти лазеры могут генерировать излучение не только в импульсно-периодическом, но и в непрерывном режиме на длине волны излучения (= 1,06 мкм.
Большую перспективу для лазерной сварки представляют газовые лазеры, в которых в качестве активной среды используется диоксид углерода С02. Эти лазеры способны развивать в настоящее время среднюю мощность от нескольких сотен ватт до десятков киловатт в непрерывном и импульсно-периодическом режимах генерации излучения с длиной волны ( = 10,6 мкм. В этих лазерах достигается достаточно высокий КПД преобразования электрической энергии в энергию излучения (10...20% и более).
Лазерное излучение является когерентным, монохроматичным, обеспечивающим малую расходимость и, следовательно, имеет возможность высокой степени фокусировки для достижения больших значений концентрации энергии излучения. Благодаря этому на поверхности материала, обрабатываемого сфокусированным лазерным излучением, происходит локальный нагрев. При этом обеспечиваются высокие скорости нагрева и охлаждения, существенно превосходящие эти параметры при тради-ционных методах теплового воздействия, малый объем расплавленного металла, весьма незначительные размеры околошовной зоны термического влияния. Эти особенности теплового воздействия предопределяют специфику физико-химических и металлургических процессов в металлах при лазерной сварке и характерные свойства полученных сварных соединений.
3.2. ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ ЛАЗЕРНОЙ СВАРКИ
Распространение теплоты при лазерной сварке подчиняется законам теплопроводности. Для возможности анализа тепловых процессов на основе теории теплопроводности в первую очередь необходимо соответствующим образом задать тепловой источник в месте воздействия лазерного излучения. Это можно выполнить с учетом специфических особенностей взаимодействия лазерного излучения с металлами при сварке.
Лазерное излучение, направленное на поверхность материала, частично отражается от поверхности, а частично поглощается материалом. Вследствие поглощения излучения в обрабатываемом материале начинает действовать интенсивный источник теплоты.
По энерговкладу в единицу объема обрабатываемого материала лазерная сварка занимает промежуточное положение между поверхностной термообработкой и резкой. Характер и интенсивность воздействия в первую очередь зависят от плотности мощности лазерного излучения Е (Вт/м2) в зоне обработки, определяемой отношением мощности лазерного излучения Р (Вт) к площади пятна, сфокусированного на поверхности лазерного излучения.
При уровнях Е (108...109 Вт/м2 происходит активный локальный разогрев материала, при котором не наблюдается заметного испарения или разрушения материала. Такие источники нагрева используются для термообработки, наплавки, легирования и сварки металлов небольшой толщины 0,5...1,0 мм.
Следует ввести в рассмотрение понятие пороговой плотности мощности Е*, определяющее условие нагрева металла без разрушения. Характерный уровень Е*, с превышением которого начинается активное испарение и разрушение, для большинства металлов составляет 109...1011 Вт/м2 в зависимости от теплоты испарения, теплопроводности и длительности нагрева. При значительном превышении плотности мощности Е над пороговой плотностью мощности Е* основная доля энергии лазерного излучения расходуется на интенсивное испарение материала и увеличение внутренней энергии разлетающихся паров, капель и твердых частиц, а энергия, затрачиваемая на плавление металла, относительно мала. Соответственно жидкая фаза в зоне обработки практически отсутствует, и сварка в столь жестком режиме оказывается невозможной.
Снижение плотности мощности до Е(109... 1010 Вт/м2 приводит к увеличению доли жидкой фазы в зоне обработки; происходит интенсивное проплавление, называемое «кинжальным». При перемещении лазерного луча расплавленный металл под действием давления паров и вследствие разности сил поверхностного натяжения в центральной и хвостовой частях сварочной ванны оттесняется в хвостовую часть ванны. При кристаллизации расплавленного металла образуется шов.
Распределение энергии лазерного излучения при сварке в общем случае установившегося режима проплавления можно представить в виде схематизированного изображения на рис. 3.2 (по данным О.А.Величко и др.).
Рис. 3.2. Схема энергозатрат в установившемся режиме проплавления металла сфокусированным лазерным пучком:
/ — сфокусированный луч лазера;
2 — основной металл; 3 — кратер (парогазовая каверна); 4 — жидкий металл; 5—переплавленный металл (сварной шов); 6—плазменный факел.
Здесь Qл — энергия сфокусированного лазерного луча в зоне обработки; Qф — энергия, поглощенная в объеме плазменно-парового факела внутри и над поверхностью кратера (высокотемпературная плазма возникает вследствие ионизации парогазовой среды концентрированным потоком энергии лазерного излучения); энергия, рассеиваемая в окружающую среду излучением из плазменного факела; Qотр — энергия лазерного излучения, отраженная от плоской поверхности основного металла и от дна кратера; Qразр — полная энергия продуктов разрушения, уносимая реактивной парогазовой струёй; Qв — полное теплосодержание жидкого металла в сварочной ванне; Отп — энергия, отводимая теплопроводностью в глубь основного и переплавленного металла.
Эффективность процесса сварки принято характеризовать значением эффективного КПД (и, представляющим отношение энергии или мощности, поглощенной металлом при сварке, к энергии или мощности, подводимой к свариваемым деталям.
Таким образом, независимо от абсолютного уровня мощности существует область оптимальных режимов сварки в диапазоне 20...40 мм/с, обеспечивающих высокий уровень эффективности расплавления в сочетании с высокой производительностью. Достигаемые при этом значения термического КПД на уровне (t= 0,35...0,40 значительно превосходят значения, полученные при традиционных способах дуговой сварки, не превышающие, как правило, 0,18...0,22.
3.3. ТЕПЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ
Распространение теплоты в материале при сварке описывается по законам теплопроводности. В общем случае изменение температуры произвольной точки твердого тела во времени определяется нелинейным дифференциальным уравнением теплопроводности в частных производных, аналитическое решение которого затруднительно. При введении условия независимости теплофизических свойств материала от температуры дифференциальное уравнение сводится к упрощенному линейному виду, решаемому для ряда случаев в аналитической форме
Для расчета тепловых процессов следует правильно задать источник теплоты, соответствующий рассматриваемому случаю сварки. Как уже отмечалось, лазерный луч, используемый для сварки, отличается высокой степенью концентрации энергии на малом участке поверхности. Это дает основание считать, что в большинстве случаев лазерной сварки источник нагрева действует в очень малом объеме, который для удобства аналитического расчета представляется бесконечно малым объемом.
Для однопроходной лазерной сварки встык с полным проплавлением элементов малой и средней толщины (до 6...10 мм) обеспечивается так называемое “кинжальное” проплавление, практически равномерное по толщине. В этом наиболее распространенном случае лазерной сварки можно считать, что действует сосредото- ченный источник теплоты с равномерным распределением по толщине. Это так называемый линейный источник теплоты (рис. 3.3), сосредоточенный в бесконечно малом объеме равномерно по толщине (по линии О — O^).
.
Рис. 3.3. Расчетная схема линейного источника теплоты
При лазерной сварке с полным проплавлением отдельным импульсом источник теплоты представляется в виде мгновенного линейного.
При импульсно-периодическом лазерном воздействии процесс нагрева тела при сварке описывается непрерывно действующим источником теплоты, который представляется в виде серии действующих друг за другом мгновенных источников теплоты.
При лазерной сварке непрерывным излучением имеет место непрерывно действующий линейный источник. При лазерной сварке перемещающимся относительно деталей лучом в расчет вводится подвижный линейный источник (рис 3.4.).
Рис. 3.4. Изменение мощности лазерного излучения во времени:
а — импульсное воздействие; б — непрерывное излучение
4. Методы лазерной сварки и их физические особенности
4.1. КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТОДОВ ЛАЗЕРНОЙ СВАРКИ
Лазерной сваркой называется технологический процесс получения неразъемного соединения частей изделия путем местного расплавления металлов по примыкающим поверхностям. Источником нагрева (при расплавлении) служит сконцентрированный поток излучения квантового генератора. В результате плавления и кристаллизации возникает прочное сцепление (сварной шов), основанное на межатомном взаимодействии.
Исходя из данного определения, лазерную сварку относят к методам сварки плавлением. Этот метод входит в группу концентрированных источников энергии, таких, как сжатая дуга, плазма, электронный луч, отличающихся высокой плотностью энергии.
Для эффективного использования любого технологического процесса необходимо представлять его физическую сущность, энергетические и технологические возможности. Особенностью лазерной сварки является широкий диапазон варьирования режимов, обеспечивающих не только возможность сварки различных материалов толщиной от нескольких микрон до десятков миллиметров, но и осуществление принципиально различных механизмов проплавления. Для ориентации в таком многообразии возможностей лазерной сварки необходима классификация ее методов.
Все существующие методы лазерной сварки можно классифицировать по трем группам признаков.
Энергетические признаки. Наиболее общими энергетическими признаками, характеризующими метод сварки, являются плотность мощности Е, измеряемая в Вт/см2, и длительность воздействия излучения (. Под длительностью воздействия понимается продолжительность времени экспозиции при непрерывном излучении и длительность импульса при импульсном излучении.
Плотность мощности, необходимая и достаточная для осуществления процессов сварки, лежит в диапазоне 105...107 Вт/см2. Нижний предел ограничивается плотностью мощности менее 105 Вт/см2, так как в данном случае более эффективны и экономичны другие методы сварки, например дуга или газовое пламя. Верхний предел ограничивают процессы интенсивного испарения, которые приводят к выбросу металла, в результате чего возникают дефекты сварного шва.
Для осуществления того или иного процесса лазерной сварки необходимо определенное сочетание плотности мощности длительностью воздействия излучения на материал.В общем, возможны три основные группы сочетаний, охватывающие весь реальный диапазон технологических режимов лазерной сварки.
Первая группа — плотность мощности Е = 105...106 Вт/см2 и длительность воздействия (> 10-2. Этот диапазон относится к методам сварки с использованием непрерывного излучения лазера с различными длинами волн.
Варьирование сочетанием плотности потока с временем воздействия дает возможность применять разнообразные методы лазерной сварки в этой группе энергетических признаков. В частности, возможна сварка как малых, так и больших толщин практически всех конструкционных материалов, соединяемых сваркой плавлением.
Вторая группа — плотность мощности Е =106...107 Вт/см2, длительность воздействия ( Третья группа — режимы с плотностью мощности Е = 105...106 Вт/см2 и длительностью воздействия 10-3 Технологические признаки. Эти признаки делятся на две основные группы: сварка с глубоким проплавлением и сварка малых толщин.
Под лазерной сваркой с глубоким проплавлением понимается сварка материала толщиной более 1,0 мм. Процесс может осуществляться как в непрерывном, так и в импульсно-периодическом режиме излучения лазера. При непрерывном излучении за счет особого механизма проплавления можно получить узкие глубокие швы при скорости процесса 30...40 мм/с. Сварка по этому методу осуществляется мощными газовыми лазерами с непрерывным режимом излучения. Применяется только шовная сварка по различным геометрическим контурам.
В зависимости от конструкции свариваемых деталей, технологических требований и ряда других факторов возможно осуществление сварки со сквозным проплавлением и без сквозного проплавления. Сквозное проплавление находит более широкое применение при сварке листовых нагруженных конструкций, а несквозное проплавление часто используют для герметизации или для соединения тонких деталей с массивными. При необходимости возможна двусторонняя сварка при несквозном проплавлении каждого прохода.
Аналогично целому ряду традиционных методов сварки плавлением лазерная сварка может осуществляться в различных пространственных положениях, т. е. в нижнем положении, на вертикальной плоскости горизонтальным лучом или в потолочном положении. При этом возможна сварка как с перемещением изделия, так и с перемещением луча.
Сварка с глубоким проплавлением в импульсно-периодическом режиме отличается более высокой энергетической эффективностью проплавления по сравнению с непрерывной сваркой. Однако скорость сварки в этом случае на порядок ниже. Все перечисленные технологические особенности непрерывной сварки свойственны и импульсно-периодической сварке.
Особенности технологии, связанные с высокой скоростью процесса, прецизионностью и рядом других факторов, обусловливают возможность лазерной сварки с глубоким проплавлением только в автоматическом режиме.
Вторая группа технологических признаков объединяет методы, используемые для сварки материалов малых толщин, т. е. толщин менее 1,0 мм. Принципиальным отличием этих методов является сварка на режимах, обеспечивающих только плавление материала, без его интенсивного испарения. В этом случае применяется как непрерывный, так и импульсный режим излучения.
Для непрерывного режима излучения используются как газовые, так и твердотельные лазеры с мощностью излучения в непрерывном режиме до 1,0 кВт.
Импульсный режим осуществляется в основном твердотельными лазерами с энергией излучения от нескольких единиц до десятков джоулей.
Материалы малых толщин можно сваривать как непрерывными швами, так и отдельными точками. При непрерывном излучении используют шовную сварку, а при импульсном как шовную, так и точечную. Шов в данном случае формируется как перекрытие отдельно действующих точек, а сплошность его зависит от степени перекрытия.
Сварку деталей одинаковой толщины выполняют импульсно или в непрерывном режиме со сквозным проплавлением. При сварке внахлест тонких деталей с массивными можно применять несквозное проплавление массивной детали, т. е. тонкая деталь проплавляется насквозь, а массивная не проплавляется. Кроме того, несквозное проплавление может использоваться для скрепления двух массивных деталей при небольших нагрузках в процессе эксплуатации или для обеспечения герметичности.
В отличие от сварки с глубоким проплавлением при сварке малых толщин можно использовать как автоматическую, так и ручную сварку. В последнем случае вручную перемещается деталь, что бывает технологически удобно при получении прецизионных соединений в труднодоступных местах.
Безынерционность луча, высокая концентрация энергии и малое время воздействия позволяет осуществлять сварку в различных пространственных положениях практически без изменения геометрии проплавления, что существенно расширяет технологические возможности этого метода.
Экономические признаки. Интенсификация производства в современных условиях требует учета целого ряда экономических показателей при проектировании или внедрений того или иного технологического процесса.
Лазерная сварка с точки зрения ее классификации также имеет несколько наиболее существенных экономических признаков, характеризующих эффективность рассматриваемых методов.
Одним из таких признаков является скорость сварки. В общем случае скорость любого процесса в первую очередь определяет его производительность. Некоторые методы лазерной сварки, такие, как сварка непрерывным излучением, обладают исключительно высокими скоростями. Применение таких скоростей позволяет в 10... 15 раз увеличить производительность по сравнению с традиционными методами сварки плавлением.
Другим экономическим признаком является экономия материала. При массовом производстве деталей с большой протяженностью шва и глубиной проплавления 5...20 мм эта экономия может быть существенной из-за отсутствия необходимости разделки кромок и использования присадочной проволоки.
Возможность концентрации луча в пятно диаметром до 0,1 мм позволяет использовать такой экономический признак, как локальность обработки. В этом случае осуществляется экономное проектирование деталей с учетом сварки в крайне узкой зоне, а также в труднодоступных местах. Наиболее ярко это проявляется при использовании лазерной сварки в электронной промышленности при изготовлении прецизионных деталей при малой глубине проплавления.
По совокупности рассмотренных признаков лазерная сварка разделяется на:
непрерывную с глубоким проплавлением;
импульсно-периодическую с глубоким проплавлением;
непрерывную лазерную сварку малых толщин;
импульсную лазерную сварку малых толщин.
Используя данную классификацию, можно разработать технологический процесс для всех случаев, где необходимо применение лазерной сварки на существующем или вновь создаваемом лазерном технологическом оборудовании.
Рассмотрение технологии лазерной сварки в рамках такой классификации дает возможность детализировать каждый метод, раскрыть его особенности, достоинства и недостатки, а также показать наиболее эффективные области применения.
4.2. ПРЕИМУЩЕСТВА И ОСОБЕННОСТИ ПРОЦЕССА ЛАЗЕРНОЙ СВАРКИ
Все рассмотренные выше методы лазерной сварки имеют ряд преимуществ перед традиционными методами, анализ которых позволяет найти наиболее эффективное применение того или иного лазерного процесса.
Из всего многообразия методов сварки плавлением наиболее целесообразно лазерную сварку сравнивать со следующими: дуговой неплавящимся электродом, плазменной, электронно-лучевой и контактной, а также пайкой. Эти методы в наибольшей степени могут быть заменены лазерной сваркой без принципиального изменения конструкции детали.
При сравнении следует учитывать основные признаки и классификацию методов лазерной сварки по аналогии с традиционными методами.
Наиболее ярко проявляются преимущества лазерной сварки в сравнении с дуговой; основные из них заключаются в следующем.
1. За счет высокой концентрации энергии и малого пятна нагрева объем сварочной ванны при лазерной сварке в несколько раз меньше. Этот фактор положительно сказывается на целом ряде характеристик как сварного шва, так изделия в целом. В первую очередь, снижение в 2...5 раз ширины шва позволяет расширить ассортимент деталей, где ограничены размеры на расположение шва как с точки зрения теплового воздействия, так и компактности.
Помимо этого, снижение объема расплава и получения швов с большим отношением глубины проплавления к ширине шва (примерно на порядок по отношению к дуговой сварке) дает возможность уменьшить деформации деталей до 10 раз. Снижение же деформаций в свою очередь приводит к значительной экономии как металла (за счет уменьшения размеров допусков), так и к повышению производительности (за счет экономии времени на правку после сварки). Кроме этого, появляется возможность экономно использовать станочное оборудование, исключив механическую обработку после сварки.
Малый объем расплавленного металла и специфическая форма шва также улучшают в целом ряде случаев условия кристаллизации, что повышает свойства сварных швов.
2. Отсутствие электрода, близко расположенного к поверхности сварочной ванны, исключает попадание в нее инородных материалов, что практически во всех случаях наблюдается при дуговой сварке.
3. Острая фокусировка луча и возможность передачи его на значительные расстояния позволяют осуществлять сварку в труднодоступных местах, например в углублениях гофрированных конструкций, внутренних полостей и др.
4. Жесткий термический цикл с высокими скоростями нагрева и охлаждения дает возможность при лазерной сварке, в сравнении с дуговой, существенно сократить зону термического влияния. Это позволяет снизить эффект фазовых и структурных превращений в околошовной зоне, приводящих к разупрочнению, трещине-образованию, снижению коррозионной стойкости и др.
Сравнение лазерной сварки с электронно-лучевой показывает, что во многих случаях эти два метода взаимозаменяемы, однако существует несколько особенностей, которые выгодно отличают лазерную сварку и дают ей определенные преимущества.
1. Для осуществления процесса лазерной сварки не требуется обязательного наличия вакуумных камер или камер с контролируемой атмосферой. Это существенно расширяет технологические возможности лазерного луча, так как снимаются ограничения на размеры свариваемых деталей. Кроме этого, увеличивается производительность процесса за счет сокращения времени на откачку воздуха из камеры, упрощения установки стыка под луч, переналадки и пр. Отсутствие вакуумных камер при производстве крупногабаритных изделий снижает также стоимость технологического оборудования.
2. Существенные трудности встречаются при сварке электронным лучом широко распространенных сталей перлитного и мартенситного класса толщиной более 30 мм из-за отклонения электронного луча от стыка соединяемых деталей. Основной причиной этого дефекта является остаточная намагниченность ферромагнитных сталей, которую они приобретают в процессе обработки, изготовления детали, хранения или транспортировки. Сварка электронным лучом в магнитном поле приводит к отклонению его от стыка. Использование для подобных целей лазерного луча полностью исключает появление указанных дефектов, так как поток фотонов не взаимодействует с магнитным полем.
Необходимо отметить некоторые преимущества лазерной точечной сварки перед электроконтактной и конденсаторной сваркой.
1. Размер сварной точки при лазерной сварке существенно меньше, чем при контактной, что дает возможность соединять миниатюрные детали.
2. Отсутствует механическое давление при получении сварной точки, что позволяет соединять хрупкие и легкодеформируемые детали, а также осуществлять процесс сварки навесу, значительно упрощая оснастку и технологию проведения сварки.
3. Время получения одной точки при лазерной сварке составляет 10-2...10-3 с, тогда как при контактной оно равно 0,5...1 с, т. е. производительность лазерного луча в сотни раз выше.
4. Возможность сварки в труднодоступных местах и через прозрачные среды в замкнутых объемах, что сделать контактной сваркой принципиально невозможно.
5. Возможность сварки материалов с резко отличающимися физическими свойствами и в первую очередь электрическим сопротивлением.
Помимо этого следует отметить ряд преимуществ, принципиально отличающих лазерную сварку от других методов сварки плавлением.
Среди этих преимуществ основным является возможность использования лазерного луча, генерируемого из одного источника, на нескольких рабочих местах за счет его отклонения и расщепления. На рис. 4.1 показан пример использования непрерывно генерируемого луча на двух рабочих местах. В то время как на одном рабочем месте осуществляется сборка, на другом — сварка. Когда сварка закончена, отклоняющее зеркало переводит луч на второе рабочее место, где производится сварка, а на первом снимается готовая деталь и устанавливается новая.
Рис. 4.1. Схема использования одного лазера для сварки на двух рабочих местах:
1- лазер; 2- рабочие места; 3- фокусирующая оптика; 4- поворотное отклоняющее зеркало
Таким образом, повышается коэффициент использования оборудования и производительность труда
Кроме этого, эффективно использование лазерной сварки для соединения разнородных материалов, склонных к образованию интерметаллидных соединений, и композиционных материалов на металлической основе. Тонкое регулирование режимов сварки в широком диапазоне позволяет контролировать время контакта жидких фаз в процессе их взаимодействия.
Следует учитывать также и социальные преимущества, связанные с лазерной технологией вообще: повышение эффективности и. культуры производства; уменьшение трудовых затрат, особенно ручного труда; престижность новой профессии; то обстоятельство, что экологические последствия внедрения лазерной технологии не нарушают условий охраны окружающей среды. Применение лазерной технологии не приводит к увеличению производственного травматизма и профзаболеваний.
Наряду с рассмотренными преимуществами лазерная сварка имеет некоторые особенности, затрудняющие ее универсальное применение наряду с существующими традиционными методами.
1. Прежде всего это высокая стоимость лазерного оборудования и оснастки. Лазер — это сложный физический прибор и независимо от уровня развития технологии изготовления цена его будет значительно превышать стоимость, например, дуговых источников нагрева. Помимо лазера обязательными элементами установки является оптическая система отклонения и фокусировки, приборы контроля параметров режима и различные манипуляторы.
Оптические системы отклонения и фокусировки представляют собой набор металлических зеркал и специальных линз, часто изготовленных из дефицитных дорогостоящих материалов. Стоимость подобных систем достаточно высока. Важной проблемой является обеспечение надежности оптических систем, их стойкости и работоспособности. В частности, предъявляются особые требования к помещениям, где осуществляется лазерная сварка, по запыленности, влажности, вибрации и пр.
Средства контроля лазерного излучения также отличаются целым рядом особенностей, оказывающих влияние на относительно высокую стоимость этих приборов и на специфические условия их эксплуатации.
Оснастку для лазерной сварки отличает высокая точность, возможность перемещения в широком диапазоне скоростей от 1,0 до 50 мм/с и перекантовки деталей в различные положения. Стоимость рассмотренного комплекса оборудования по сравнению с оборудованием для традиционных методов сварки значительно выше.
2. Лазерную сварку отличает невысокая энергетическая эффективность, так как КПД лазерных установок в редких случаях превышает 10%.
3. К особенностям лазерной сварки, затрудняющим ее внедрение, относится сложность устройств лазерной техники, требующая высокой технической культуры обслуживающего персонала.
4. Наконец, необходимо отметить, что существует целый ряд альтернативных традиционных методов сварки, способных в значительной степени удовлетворить техническим требованиям, которые предъявляются к процессу лазерной сварки. Эти альтернативные технологии в настоящее время часто экономически эффективней лазерной, но главная их конкурентноспособность — это отработанность и внедренность.
Эти особенности ограничивают применение лазерной сварки такими специальными случаями, когда использование традиционных методов сопряжено с определенными трудностями. Вопрос о применении лазерной сварки должен решаться в результате всестороннего технико-экономического анализа, рассматривающего альтернативные технологии в динамике их развития наряду с развитием лазерной технологии, а также долгосрочные прогнозы и тенденции развития отраслей машиностроения и народного хозяйства в целом.
5. Расчетная часть
1. Расчет плотности теплового потока внутри материала
q= Tпл ((( / 4a tu)1/2
Tпл =3653 К
(= 1.69 Вт/см К
a= 0.65 см2/с
Расчет глубины прогретого слоя
zпр=2.36 (аtu)1/2
Где
zпр - cуммарная толщина деталей в месте проварки
В моем случае проваривается полностью только одна деталь, проварка другой осуществляется на 0.4 мм
zпр=0.05+0.04=0.09 см
То есть эффективный радиус облученной зоны (r) будет равен zпр =0.09 см
tu= (0.09/2.36)2 /0.65= 2.23(10-3 с
q= 3653(1.69((/4(0.65(2.23(10-3)1/2 = 12.9(104 Вт/см2
2. Расчет мощности теплового потока внутри материала
p=qS
S=( r2
Где
r- эффективный радиус облученной
зоны (рис. 9.1) 2 r
рис. 9.1 Схема эффективного облучения поверхности детали.
S=3.14(0.092=2.5(10-2
p=12.9(104(2.5(10-2= 3.23(103 Вт=3.23 кВт
3. Мощность излучения, падающего на поверхность детали
p0=P/A
Где
А-коэффициент поглощения материала
А=0.32
p0=3.23(103/0.32= 10.09(103
4. Максимальная энергия излучения
w= p0 tu (=Рпол/Рпот(100 %
w=10.09(103(2.23(10-3= 22.5 Дж
Установка для лазерной обработки- Квант 10
(=3.23(103/6(103(100%=54.6%
5. Расчет теоретической производительности
КПЭ
V=L/t=(1-K)(D(f (рис. 9.2)
Где v
K=(D-S)/D - коэффициент перекрытия,
D - диаметр сварной точки,
S - шаг обработки, D
f - частота следования импульсов,
L - полная длина сварного шва,
t - время формирования шва. zпр
К=0.2+0.5
V= (1-0.3)(0.18(1=0.126 см/с z
Рис. 9.2 Схема
образования сварного шва.
6. Расчет длительности технологического процесса
t=L/V
t=50/0.126=3.97(102 с
7. Расчет теоретической энергоемкости
Q=pt
Где
р- полезная мощность
t - длительность технологического процесса
Q=3.23(103(3.97(102= 1.3(106
6.ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Современное состояние проблемы показывает, что в настоящее время отработана технология лазерной сварки металлов малых и средних толщин до 5...10 мм. Однако широкое применение лазерной сварки в ряде случаев сдерживается соображениями экономического характера. Стоимость лазеров пока еще достаточно высока, что требует тщательного выбора области их применения. Экономически эффективное применение лазерного излучения определяется разумным выбором объекта сварки, где использование традиционных методов нецелесообразно.
Лазерную сварку следует рекомендовать к применению, когда ставится задача получения прецизионной конструкции, форма и размеры которой практически не должны изменяться в результате сварки. При этом достигается значительное упрощение технологии изготовления сварных конструкций за счет выполнения лазерной сварки в качестве заключительной операции без последующей правки или механической обработки для достижения требуемой точности.
Лазерная сварка обеспечивает существенное увеличение производительности, так как процесс осуществляется на скоростях 100...200 м/ч и более, что в несколько раз превышает скорости наиболее распространенного традиционного способа дуговой сварки.
Лазерная сварка не требует вакуумных камер в отличие от электронно-лучевой сварки. Это является основанием рекомендовать лазерную сварку для соединения элементов конструкций любых габаритов. Учитывая также, что при лазерной сварке возникают минимальные деформации, — этот процесс можно рекомендовать для сварки крупногабаритных конструкций малой жесткости с труднодоступными швами.
Отличительной особенностью лазерной сварки является возможность соединения трудносвариваемых материалов, в том числе разнородных. Перспективным представляется развитие комбинированных методов сварки, сочетающих энергию лазерного излучения с дугой, с плазмой и другими традиционными источниками энергии.
Тенденция развития лазерной техники и технологии, постоянное их совершенствование приводят к тому, что лазерная сварка становится конкурентноспособной в различных отраслях промышленности.
Список литературы
Веденов А.А., Физические процессы при лазерной обработке материалов. М.: Энергия, 1985.
Дьюри У. Лазерная технология и анализ материалов. М.: Мир, 1986.
Кокора А.Н. Сварка в машиностроении, Справочник. Т. 2. М.: Машиностроение, 1978.
Крылов К.И. Применение лазеров в машиностроении и приборостроении. М.: Машиностроение, 1978.
Лазерная и электронно-лучевая обработка материалов. /Рыкалин Н.Н., Углов А.А., Зуев И.В. и др. М.: Машиностроение, 1985.
Основы электронно-лучевой обработки материалов. /Рыкалин Н.Н., Углов А.А., Зуев И.В. и др. М.: Машиностроение, 1978.
Реди Дж. Промышленные применения лазеров. М.: Мир, 1981.
Рыкалин Н.Н., Углов А.А. Лазерная обработка материалов. М.: Машиностроение, 1975.
|
