Санкт-Петербург. 02 июля 2014 года. ООО «Лазерный Центр» Горный С.Г. Существенно-лазерные процессы обработки металлов.

ПРОЦЕССЫ ЛАЗЕРНОЙ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ Теодор Майман (Maiman) – «….как только мы научимся управлять лазерным лучом, применения лазеров будут ограниченны только фантазией инженеров». Лазерная сварка, газолазерная резка, резка в испарительном режиме, сверления отверстий, наплавка, комбинированные (гибридные) технологии, газокислородная резка, термообработка, поверхностное легирование, сварка непрерывным лучом, импульсная сварка, лазерная сварка с глубоким проплавлением, модификация поверхности, маркировка, гравировка и др.

Классификация методов лазерной сварки А.Г. Григорьянц, И.Н. Шиганов

Принципиальные отличия процессов лазерной обработки металлов а-стыковое б - замковое; в - стыковое деталей разной толщины; г - угловые; д и е - стыковые при сварке шестерен; ж- стыковые с отбортовкой кромок Лазерная сварка в труднодоступных местах: а - и б - через отверстия малых диаметров; в - через прозрачное для лазерного излучения окно; г - через тыльную сторону полупроводниковой подложки; д - с помощью инструмента из сапфира; 1- свариваемые детали; 2 - луч лазера; 3 - стеклянная крышка; 4 - трубчатый корпус «КОНСТРУКТИВНЫЕ» ПРЕИМУЩЕСТВА «ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ" ПРЕИМУЩЕСТВА

Сверление 1.Вейко В.П. 2.Анисимов С.И. 3.Медведев А.В, Сварка 1.Swift Hook & Jick 2.Arata & Miamoto 3.Рыкалин и др. 4.Большов и др. Основные процессы и теории Резка 1.Steen 2.Коваленко 3.Крылов и др. 1 – лазерный луч, 2 – парогазовый канал, 3 – расплавленный металл. 1 – исходный металл, 2 – фронт отвердевания, 3 – расплав, 4 – рез, 5 –пучок лазерного излучения а) нагрев; в) плавление; в) формирование канала; г). формирование отверстия

Исследование динамики формирования шва Схема проведения экспериментов по исследованию динамики процесса сварки: 1 – лазерный луч; 2 – образец из оптически прозрачного материала; 3 – проплавленный шов; 4 – паровой поток; 5 – скоростная кинокамера СКС-1М; 6 – система светофильтров для поля парового потока; 7 – система светофильтров для поля мишени. Кинограмма процесса проплавления образцов из модификаций кварцевого стекла с пониженной вязкостью. Фокусировка излучения поверхностная. Фильтры для образца СС8-1С18+нС9. Фильтр для пара НС10.

Временные закономерности лазерной сварки а – Схема эксперимента по проплавлению «сэндвича»: Кварц – нержавеющая сталь – кварц. 1 – луч; 2 – клиновидный образец; 3 – шов; 4 – паровой поток; 5 – кварцевые пластины: 6 – кинокамера; 7 – светофильтр на пар; 8 – светофильтр на сварочную ванну (СС4+СС5+С3С21). б – Кинограмма процесса сварки. Характер изменения температуры передней стенки канала во времени при непрерывном режиме генерации

Оценка временных параметров процесса лазерной сварки

Изменение формы зоны проплавления при изменении скорости сварки: а – Непрерывный режим 7.5 кВт, 0.1 мм мм/с; мм/с; мм/с; мм/с; мм/с. б – Импульсно-периодический режим 2 кВт, 300 Гц, мм/с, мм/с. Критерий лазерной сварки с глубоким проплавлением

, мм/с Оценка параметров процесса лазерной сварки.

мм/с Обобщенная оценка параметров процесса лазерной сварки

Зависимости потерь материала на испарение при лазерной сварке (длина образца 100 мм). а – от мощности лазерного луча, 1 – V св = 15.5 мм/с; 2 - V св = 27.5 мм/с. б – от скорости сварки. P = 2 кВт. - - расчетные значения, - экспериментальные данные Оценка потерь материала при лазерной сварки

Относительные потери материала на испарение при лазерной сварке.

кВт Компонент FeCrNi Примечание Основной материал мм/с Расчетный состав металла шва Экспериментально определенный состав шва Термодинамическая оценка химического состава металла шва при сварке

Оценка предельных параметров лазерной сварки.

Сравнение экспериментальных расчетных данных предельной глубины лазерной сварки

Лазерно-дуговая сварка Осциллограмма тока и напряжения дуги. Зависимость глубины провара от скорости сварки

РдРлPл/РдРд:Рл Fe ,5%:52,5% Ti %:53% Al ,8%:77,2% Особенности лазерно-дуговой сварки 1- Лазерно-дуговая сварка, 2-Лазерная сварка

Металлургия и металловедение газолазерной резки Fe > 40%

Временные закономерности газолазерной резки 1. Лазерный луч 2. Линза 3. Сопло 4. Образец 5. Продукты выноса 6. Коллиматор 7. Фотоприемник 8. Усилитель 9. Осциллограф

Оценка параметров процесса газолазерной резки

Сравнение расчетных и экспериментальных данных по газолазерной резки сталей.

Материал 0К0К 0K0Kг / см 3 Дж/г 0 Ксм 2 /с Вт/см 2 Алюминий ,71,080,350,5х ,9х10 6 Титан ,50,740,0750,015,8х10 5 Предельные параметры процесса газолазерной резки

Предельные кривые зависимости максимальной толщины разрезаемого материала для алюминия (а) и титана (б). 1- теоретическая; 2-экспериментальная Внешний вид кромки реза. а). при реализации предельно возможной скорости резки. б). при резке со скоростью меньше предельно возможной.

Сверление отверстий E – энергия лазерного излучения

- из условия сохранения массы расплава - кинетическая энергия движения расплава - мощность вязких сил - мощность сил отдачи Дифференциальное уравнение сверления отверстия

Уравнения лазерного клеймения (гравировки) Для круга Для линии

Для круга Ограничения на параметры изображения при проекционной гравировке (клеймении)

ВЫВОДЫ: 1.Существуют процессы лазерной обработки металлов сущностью которых является релаксационные колебания нагрева, плавления и последующего вытеснения расплава из зоны воздействия. 2.Все процессы лазерной обработки металлов характерный размер воздействия которых в направлении распространения лазерного излучения, превышает характерный размер в перпендикулярном направлении, имеют релаксационно колебательную природу. 3.На основании единого подхода к рассмотрению этого круга процессов можно получить ряд технологических решений и ограничений, и, возможно, описать их на основе одних и тех же уравнений. 4.Предлагается назвать такие процессы лазерной обработки металлов «существенно лазерными» или «интринсиктивными».