Новости лазерных технологий.

Исследование эффективности применения мощного волоконного лазера на основе иттербия для лазерной сварки металлов выполнили: д.т.н. Григорьянц А.Г., к.т.н. Мисюров А.И., д.ф.-м.н. Родионов Н.Б. и Зайцев А.В.
В качестве промышленных источников для лазерной сварки и резки долгое время применяли два основных типа лазеров — газовые СО2 и твердотельные YАG.
Такие источники не отличались надежностью, их эксплуатация была связана с значительными расходами, а также требовала специальных знаний.
В настоящее время на рынок уверенно входит новый тип лазеров — волоконный, и по всем признакам следует ожидать существенных изменений на рынке лазерных технологий. К основным преимуществам волоконных лазеров можно отнести высокую надежность, большой ресурс работы, высокий электрооптический кпд, компактность, простоту эксплуатации. Из этого далеко не полного перечня характеристик волоконных лазеров видно, что они обладают высоким потенциалом технологических возможностей.
Однако до сих пор не было проведено детальных исследований технологических процессов, осуществляемых с помощью этих лазеров.
Цель данной работы — оценка эффективности применения волоконных лазеров для лазерной сварки металлов. Исследования проводили на предоставленном фирмой НТО «ИРЭ-Полюс» волоконном иттербиевом лазере ЛС-3,5 с длиной волны 1,07 мкм и максимальной выходной мощностью излучения 3,5 кВт.
При воздействии лазерного излучения на поверхность обрабатываемых металлов и сплавов важной характеристикой является поглощательная способность материала в процессе воздействия. Эффективность передачи энергии лазерного излучения обрабатываемому материалу определяется значением эффективного коэффициента поглощения, который фактически характеризует эффективный кпд процесса лазерной обработки. Тепловые потери, обусловленные теплопереносом в твердой фазе и перегревом жидкого металла, определяются термическим кпд.
Понятия эффективного и термического кпд процесса лазерной сварки позволяют однозначно характеризовать оптимальные режимы обработки, обеспечивающие максимальную эффективность использования энергии лазерного излучения.
Теоретическая оценка уровня эффективного кпд, выполненная Г. Карслоу и Д. Егером на основе теории движущихся источников теплоты, носит приближенный характер и нуждается в экспериментальном уточнении.
Надежные экспериментальные данные о тепловой эффективности процесса лазерной сварки волоконным лазером практически отсутствуют.
В ряде опубликованных работ они носят противоречивый характер.
На первом этапе проводили отработку методики оперативного и достоверного определения значения эффективной мощности, определяющей долю энергии лазерного излучения поглощенной металлом в единицу времени и преобразованной в тепловую энергию.
Для оценки достоверности результатов исследования эффективный кпд определяли методами: калориметрическим и измерением температурного поля.
Калориметрический метод основан на измерении количества теплоты, поступающей в металл при лазерной обработке. Суть калориметрирования сводится к тому, что нагретый образец опускают в сосуд с водой и по изменению температуры жидкости определяют, сколько энергии получил образец при обработке лазерным излучением.
Определение эффективного кпд методом измерения температурного поля заключается в сравнении измеренного и смоделированного термических циклов.
При известных значениях параметров лазерной обработки экспериментально определяют изменение температуры в точке обрабатываемого образца. Затем для этой точки рассчитывают термический цикл и определяют мощность источника теплоты, при которой достигается максимальная температура. Сопоставив экспериментальные и расчетные значения мощности лазерного излучения, можно определить эффективный кпд. Экспериментальное измерение термических циклов проводили при сварке пластин хромель-алюмелевой термопарой диаметром 0,3 мм. Термопару зачеканивали в образец на заданном расстоянии от предполагаемого центра шва. Запись сигнала осуществляли через трехкратный усилитель с помощью электронного осциллографа Т05-1002.
Перед замером термического цикла проводили тарировку термопары по точкам плавления чистых металлов. Типичный термический цикл сварки, определенный на расстоянии 2 мм от центра шва, для мощности лазерного излучения 1000 Вт и скорости 2 м/мин.
Математическое моделирование процесса лазерной сварки проводили без учета взаимодействия лазерного излучения с приповерхностной плазмой, так как эксперименты выполняли с мощностью, недостаточной для инициирования плазмы над поверхностью пластины.
Результаты расчетов взаимодействия излучения волоконного лазера с приповерхностной плазмой показали, что вплоть до мощности в десятки киловатт плазма не возникает (при больших мощностях расчеты не проводили).
Определение термического кпд процесса лазерной сварки осуществляли следующим образом.
Из образцов, для которых определяли эффективный кпд, вырезали шлифы, их травили и проводили замер площади поперечного сечения литой зоны сварного соединения. Ежесекундный объем сварочной ванны рассчитывали как произведение площади поперечного сечения на скорость сварки. Объемную теплоту плавления стали с учетом нагрева и скрытой теплоты плавления принимали равной 5,92-109 Дж/м3.
Если источник теплоты перемещается с малой скоростью, то значительная часть энергии успевает вследствие теплопроводности распределяться по объему металла (в том числе и в направлении движения источника), вызывая значительный подогрев металла в твердой фазе окружающей расплавленную зону. Эффективность проплавления при этом невысока.
При увеличении скорости сварки потери, обусловленные теплопроводностью, снижаются.
Следует отметить, что указанные значения термического кпд близки к предельному теоретическому = 0,484, вычисленному для проплавления тонкой пластины линейным мощным быстродвижущимся источником теплоты. Установленные в работе закономерности тепловой эффективности процесса лазерной сварки позволяют сформулировать рекомендации по выбору мощности лазерного излучения.
В общем случае наиболее целесообразен интенсивный режим лазерной сварки, обеспечивающий высокую энергетическую эффективность и характеризуемый максимальными производительностью и энергоемкостью. При этом величина скорости сварки определяется положением экстремума, обеспечивающего высокую эффективность энергетических затрат на единицу длины шва. В тех случаях, когда меньшая скорость сварки задается из других соображений, например в целях обеспечения технологической прочности, для получения требуемой глубины проплавления более приемлем «мягкий» режим лазерной сварки, осуществляемый с минимальными энергозатратами на установившемся уровне эффективности поглощения.

Источник: «Сварочное производство», 2009, № 10, с.12-16.

.