Анализ методов повышения эффективности и качества лазерной сварки



В данное статье проводится анализ методов повышения эффективности и качества лазерной сварки. Повышение требований к сварным соединениям при производстве ответственных изделий, выполненных из цветных и алюминиевых сплавов, поставило ряд проблем, поскольку комплекс физико-химических свойств создает неблагоприятные условия, для сварки и увеличивает вероятность образования ряда дефектов, ведущих к большому проценту отбраковки изделий. Одним из путей решения ряда проблем сварки плавлением, наряду с развитием дуговых способов, является применение высококонцентрированного источника энергии — лазерного луча, позволяющего повысить технологические возможности сварки. Мною предложена математическая модель для разработки производственной технологии лазерной сварки, позволяющая достигать наилучшей производительности сварки.

Ключевые слова: лазерная сварка, цветные металлы, малые толщины.

Как известно, развитие машиностроение и в особенности приборостроение, тесно связаны с новейшими методами получения неразборных соединений металлов с помощью сварки. Технологии лазерной сварки достаточно просты в использовании и управлении процессом сварки. Наиболее эффективной чертой лазерной сварки является:

1. Высокая пространственно-временная локализованность излучения;
2. Отсутствие механического воздействия пучка лазера на объект обработки.

Источником тепловой энергии для активации поверхности соединяемых твердых материалов при сварке лазером служит энергия излучения, поглощаемая материалами в зоне воздействия лазерного пучка.

В настоящее время лазерную сварку, применяемую в приборе- и машиностроении, можно условно разделить па три вида: микросварка (соединение элементов с толщиной или глубиной проплавления менее 100 мкм), мини-сварка (глубина проплавления 0,1–1 мм) и макросварка (глубина проплавления более 1 мм).

Для первых двух видов сварки, получивших наибольшее распространение в промышленности, используют преимущественно импульсные лазеры с чрезвычайно удачным сочетанием свойств излучения, необходимых для осуществления локальной сварки. Для получения литой зоны с заданными размерами требуется определенная энергия. Чем выше плотность мощности пучка в зоне нагрева, тем меньше необходимо времени для ввода этой энергии и расплавления требуемого объема металла, и тем меньше размеры зоны термического влияния (ЗТВ). Сочетание коротких импульсов излучения с высокой концентрацией энергии в малом пятне облучения — большие преимущества лазерной импульсной сварки, особенно при соединении легко деформируемых деталей. Для обеспечения технической чистоты импульсную сварку чаще всего осуществляют без значительного перегрева материала, т. е. исключая его интенсивное испарение. В этом случае передача теплоты в глубь свариваемых деталей происходит в основном за счет теплопроводности (теплопроводностный режим сварки).

Указанные положительные стороны технологического процесса сварки позволяют использовать эту технологию при различных особо ответственных операциях, не связанные со сваркой и резкой, но и скрайбированием, поверхностным упрочнением и другие операции. Причем указанные операции могут осуществляться не только с черными металлами, но и также на легко деформируемых изделиях и деталях, в том числе и вблизи теплочувствительных элементов.

Однако, при использовании лазерной сварки существует и ряд недостатков, среди них ограничение мощности лазерного излучения при низком КПД лазерного нагрева металла значительно сужают их технологическое применение и значительно препятствует использованию этой технологии.

Для начала определения методов повышения эффективности необходимо определить нестабильность режима сварки. Наиболее частая причина нестабильности режимов лазерной сварки происходит из-за неравномерности температуры свариваемых поверхностей материалов.

При анализе множества лабораторных испытаний было установлено, что при повышении температуры поверхности материала Т до Т

Т _к вызывает сильнейший локальный перегрев сварочной ванны, а снижение температуры поверхности материала Т до Т Т _{к —} уменьшает глубину проплавления материалов.

Для анализа источников колебания температуры поверхности свариваемых материалов, нами предлагается следующая формула (1):

(1)

Где, — энергия излучения лазерного луча, Дж;

— длительность излучения лазерного луча на поверхность материала;

r ₀ ² - радиус светового пятна от лазерного луча;

температуропроводность свариваемого материала.

Представленное уравнение (1) показывает зависимость от максимальной температуры нагрева поверхности материала, от равномерно-распределенного источника тепловыделения, с учетом его оптических характеристик.

Далее проведем исследование изменения максимальной температуры поверхности материала Т, с учетом постоянно изменяющихся параметров сварки лазерным лучом (2):

(2)

Найдем частные производные первого порядка по соотвествующим параметрам и представим в следующем виде (3):

(3)

Множество математических исследований, проведенных по полученным данным, имеет наибольшую зависимость от параметров R и .

Учитывая полученные данные, нами предложена математическая модель для разработки производственной технологии лазерной сварки, позволяющая достигать наилучшей производительности сварки.

Первым шагом в разработке промышленной технологии сварки служит оценка скорости сварки, для этого предлагаем использовать следующую формулу (4):

(4)

Где, — определенная частота повторения импульсов лазера;

— коэффициент перекрытия точек.

Из уравнения (4), исходит вывод, что при увеличении скорости лазерной сварки, требуется уменьшение

и пропорциональное увеличение и .

Далее вводим в уравнение (4) вместо вносим энергию излучения , через выражение (5):

(5)

Где, — средняя мощность импульса.

Тогда, получим уравнения для скорости сварки (6):

(6)

Следовательно, для регулирования скорости сварки лазерным лучом в режиме пульсации, подобный режим сварки преимущественно используется при сварке тонких пластин или пластин из разнородных материалов, необходимо регулировать энергию импульса , а так изменять по уравнению (6) мощность излучения и снижать коэффициент отражения поверхности.

Таким образом, согласно полученной нами математической модели регулирования параметров лазерной сварки в условиях действующих предприятий, необходимо строго отслеживать радиус пятна до сотых долей мм, при одновременном снижении энергозатрат и увеличении количества импульсов.

Литература:

1. Лазеры в технологии. Ф. Стельмах. М.: Энергия, 2015: 216 с.

2. Новицкий М. Лазеры в электронной технологии и обработке материалов: Д. И. Юренкоп. М: Машиностроение, 2014. 152 с.

3. Рыкалин Н. Н., Углов А. А., Кокора А. Н. Лазерная обработка материалов. М.: Машиностроение, 2015. 295 с.