Существенно-лазерные процессы обработки

Горный С.Г.
ООО «Лазерный Центр»
Существенно-лазерные процессы обработки
металлов.
Санкт-Петербург. 02 июля 2014 года.
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
«КОНСТРУКТИВНЫЕ» ПРЕИМУЩЕСТВА
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
«ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ" ПРЕИМУЩЕСТВА
а-стыковое б - замковое; в - стыковое деталей разной толщины;
г - угловые; д и е - стыковые при сварке шестерен;
ж- стыковые с отбортовкой кромок
Основные процессы и теории
Сварка
Резка
1.
2.
3.
4.
1.
2.
3.
Swift Hook & Jick
Arata & Miamoto
Рыкалин и др.
Большов и др.
Сверление
Steen
Коваленко
Крылов и др.
Вейко В.П.
2.
Анисимов С.И.
3.
Медведев А.В,
V
5
4
1.
1
2
3
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
н
Оценка временных параметров процесса
лазерной сварки
2
 E 
 4 

 kI 
èñï  í

E   c(Tкип  Tпл )  H пл 
m р  4  н S 
Fреакт
a
I
 p0 S  p0 S
I0
Fðåàêò
mð
 в   исп
p0 k I 2

4 EI 0
d 1 4 dEI 0
~

a I
p0 k

dI 0
 в   исп 
p0 I
k к исп I ~  H èñï 
 kê
  
H èñï
 kê
f 
H èñï
2
 I 0 Id

 p0
2
 I 0 Id

1
 p0Vñâ
Критерий лазерной сварки с глубоким
проплавлением
 kê
f 
H èñï
2
 I 0 Id

1
 p0Vñâ
 kê
Vñâ  f 
H èñï
2
 I 0 Id

 p0
Изменение формы зоны проплавления при изменении скорости
сварки:
а – Непрерывный режим 7.5 кВт, 0.1 мм.
1 - 3 мм/с; 2 - 5 мм/с; 3 - 15 мм/с; 4 - 20 мм/с; 5 - 25 мм/с.
б – Импульсно-периодический режим 2 кВт, 300 Гц, 1 - 5 мм/с, 2 - 8
мм/с.
Оценка параметров процесса лазерной сварки.
пр P  hVсв dE1  hVсв 4  E1
эф P  hVсв dE1  hVсв 2 d / Vсв E1  hVсв 2 d / Vсв E2

 ýô  ïð 1  2  / dVñâ
Vñâ

10
20
30
40
50
 ïð
0.30
0.37
0.42
0.43
0.44
 ýô
0.72
0.74
0.76
0.76
0.72
h
, мм/с
 ýô P 1
E

1
dVñâ 1  2  / dV
ñâ

2
Обобщенная оценка параметров процесса лазерной
сварки
пр Pср 1
1
h
E1 dVсв (1  2  / dVсв G )  эф  пр 1  2  / dVсв G

Vсв
2
5
10
15
20
25
30
 пр
0.21
0.28
0.34
0.36
0.37
0.38
0.38
 эф
0.51
0.53
0.56
0.55
0.53
0.54
0.52
h , мм
мм/с
 пр
10
Глубина
КПД
 пр
h , мм 10
8
8
6
6
4
4
2
0
10
20
30
40
50
60
V св , мм/с
2
0
10
20
30
40
V св , мм/с

Оценка потерь материала при лазерной сварки
m
m,г
k (1   ) эф Pl
H исп

dpI 0
1  2  / dVсв
4 p0 E
0,02
m,г

2
0,08
0,06
0,015
0,04
0,01
0,02
0,005
2
2,2
2,4
2,6
2,8
0
0
10
20
P , кВт
Зависимости потерь материала на испарение при лазерной сварке (длина образца 100 мм).
а – от мощности лазерного луча, 1 – Vсв = 15.5 мм/с; 2 - Vсв = 27.5 мм/с.
б – от скорости сварки. P = 2 кВт.
- - расчетные значения, - экспериментальные данные
30
40
Vсв , мм/с
Относительные потери материала на испарение
при лазерной сварке.
E1

H èñï

dI 0
Vñâ 1  2  / dVñâ
4 pE

3
Термодинамическая оценка химического состава
металла шва при сварке
pi   i pi
m   i m
M   i M
H
p   èñï i  Bi
RTèñï i
i
i

i
 i pi
i 
 i p i
i 
 i   i
1 
i
Компонент
Fe
Cr
Ni
Основной материал
0.706
0.182
0.110
Расчетный состав
металла шва
0.718
0.178
0.099
Экспериментально
определенный
состав шва
0.72-0.74
0.174-0.176
0.09-0.10
Примечание
P  2 кВт
Vсв  20
мм/с
Оценка предельных параметров лазерной сварки.
 эф
h
 

 p  непрmax 4 E1
 h

P
 ср
h  I ñð
1

d 4 VñâE1 1  2  / dV G
ñâ


 G
  эф

 max 4 E1
 kê
f 
H èñï

2
2
 I 0 Id

1
 p0Vñâ
эф d
  эф d
 d эф
h
h
GI ср 
I им п ~
I max
    
16 E1
16 E1
 b  max  d  max 4 4 E1
h
~ 30
d
hmax 
1  B
A
P

2
Сравнение экспериментальных расчетных данных
предельной глубины лазерной сварки
hmax 
80
1  80
P

2
hmax  P
0,7
Лазерно-дуговая сварка
Зависимость глубины провара от скорости сварки
Осциллограмма тока и напряжения дуги.
Особенности лазерно-дуговой сварки
PÄ  ñÒïë  Ò0 
PË  ñÒêèï  Òïë   H ïë
1- Лазерно-дуговая сварка, 2-Лазерная сварка
Рд
Рл
Pл/Рд
Рд:Рл
Fe
8098
8924
1.10
47,5%:52,5%
Ti
7093
7997
1.12
47%:53%
Al
1925
6507
3.38
22,8%:77,2%
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
I эф   D H   E
Re* 

VГ
I эф  Pэф bh
h b  const

E   c(T *  Tпл )  Hпл
Re*  Pэф
E

VГ dh

D
H

VГ hb  VГ hb 2 b  constVГ b 2  Q
hdVE  hV d V E  hV d V E1  Pэф  hV Dd V H
h
1
Pэф
 Tпл


  dV
1
 Re* 
D
HdV  
dV 1   dV

Q



Сравнение расчетных и экспериментальных
данных по газолазерной резки сталей.
Предельные параметры процесса газолазерной резки
I ýô max
Материал
EÒ
 * c çâ
Re 
Tïë
Têèï
EÒ   cTêèï  Tïë   H ïë 

ñ


I ýô max
0К
0K
г / см3
Дж/г 0К
см2/с
см2/с
Вт/см2
Алюминий
933
2793
2,7
1,08
0,35
0,5х 10-2
5,9х106
Титан
1941
3442
4,5
0,74
0,075
0,01
5,8х105
hmax

P
 T
ïë

 I ýô max
k
Re * 
V 
c çâ

I ýô max V 1   V 



2
Предельные кривые зависимости максимальной толщины
разрезаемого материала для алюминия (а) и титана (б).
1- теоретическая; 2-экспериментальная
а). при реализации предельно возможной скорости резки.
б). при резке со скоростью меньше предельно возможной.
Внешний вид кромки
реза.
Сверление отверстий
D
4
2
hH èñï  E
E – энергия лазерного излучения
Дифференциальное уравнение сверления отверстия
r  h
V(r) =
2h
 a4  2
E
h
6 h
- из условия сохранения массы расплава
- кинетическая энергия движения расплава
h 2
Pv   2rV(r) dr   a 3
8 h
0
- мощность вязких сил
q
h
Pr  c  s
L
tp
- мощность сил отдачи
a

4
2

3
h
ch

hh  h 2    3q
4 h
La 2
Для круга
Уравнения лазерного клеймения
(гравировки)
Для линии
r  h
V(r) =
2h
r  h
V(r) =
h
 a4  2
E
h
6 h
2

h
Pv   2rV(r) dr   a 4 3
8 h
0
a
q
h
Pr  c  s
L
tp

s  a 2
2

3
h
ch

hh  h 2    3q
4 h
La 2
4 a 3l  2
E
h
9 h
2
2
h
Pv  la 3 3
3
h
Pr 
q
h
c s
L
tp
s  al
 9 ch 2
3
h

hh  h 2    q
2 h 8 La 2
Ограничения на параметры изображения при
проекционной гравировке (клеймении)
Для круга
h
La 2
8qct p
Для линии
2La2
h
3qct p
4qc  T* 
a
t p 
L  Tï ë 
3
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».