Файл: Рэди, Дж. Действие мощного лазерного излучения.pdf

обрабатываемой детали. Обычный тепловой источник, например сварочная горелка, выделяет гораздо меньшую мощность на еди­ ницу площади и не допускает столь же хорошей локализации. Только электронный луч в этом отношении сравним с лазером. Может показаться парадоксальным, но лазерные импульсы с самой высокой пиковой мощностью не подходят для целей металлообра­ ботки. Такие импульсы вызывают испарение лишь малого коли­ чества вещества, которое нагревается до высокой температуры (см. гл. 3). Импульсы лазера с модулированной добротностью удобны только в тех случаях, когда глубина прогрева должна быть минимальной, например для испарения пленки с поверх­ ности подложки без разрушения самой подложки. Для сварки обычно желательны достаточно длинные импульсы (миллисекунд­ ные при умеренной мощности), чтобы тепло успевало проникнуть на всю толщину обрабатываемой детали. Даже для целей удаления материала применение очень высоких пиковых мощностей явля­ ется нежелательным.

В области обработки металлов лазеры используются в таких процессах, как сварка, сверление отверстий, баланспрование и резка. Мы рассмотрим последовательно каждый из иих.

2. Сварка

На результаты сварки оказывают влияние как пара­ метры лазерного луча, так и свойства обрабатываемой детали. Важную роль играет температуропроводность материала детали. Большой коэффициент температуропроводности обеспечивает высо­ кую теплопередачу и, вообще говоря, позволяет производить более глубокую сварку. Высокая отражательная способность поверхности металла уменьшает энергию, поглощаемую поверх­ ностью. Как мы видели в гл. 3, отражательная способность поверх­ ности обычно резко падает в процессе взаимодействия с мощным лучом. При этом увеличивается эффективность поглощения, но может возникнуть проблема при сварке тонких металлических лент, где появляется необходимость в тщательном контроле, чтобы избежать испарения при уменьшении отражательной спо­ собности. Сварка сильно отражающих металлов требует в действи­ тельности большей энергии, чем сварка металлов с низким коэффи­ циентом отражения. Поверхность можно зачернить путем нанесения на нее покрытия, но это не всегда оказывается эффек­ тивным: покрытие может испариться, обнажив отражающий металл. На поглощение света и, следовательно, глубину проплав­ ления может влиять также обработка поверхности. При изучении глубины проплавления медного образца под действием импульса рубинового лазера было показано, что глубина уменьшалась

тостей были меньше 2 мкм [9]. Очень важны металлургическиесвойства свариваемых материалов; к этому вопросу мы вернемся позже, когда будем описывать процессы сварки разнородных металлов.

Основными параметрами лазерного излучения являются длина волны, мощность, длительность импульса и фокусировка. Как мы отмечали выше, для лазерной сварки материал должен быть расплавлен, причем прогреваться должна вся толщина образца. Следует избегать испарения, а длительность импульса следуетподобрать таким образом, чтобы обеспечить достаточную глубину прогрева. При надлежащем управлении лазерным импуль­ сом испарение можно свести к минимуму. Оптимизация про­ цесса сварки в большой мере определяется длительностью им­ пульса.

Для многих применений лазеров в импульсной сварке желатель­ но по возможности растянуть импульс во времени. В гл. 3 быловведено понятие тепловой постоянной времени для проникновения тепла через слой вещества. Длительность лазерного импульса должна находиться в соответствии с тепловой постоянной вре­ мени. Поэтому импульсы лазера с модулированной добротностьювообще не подходят для плавления, а для импульсов обычной длительности максимальная глубина сварки составляет примерно- 0,05 см.

Лазеры непрерывного действия в принципе должны быть пригодны для сварки более толстых образцов, так как время взаимодействия можно сделать произвольно большим. Первыелазеры непрерывного действия не обеспечивали мощности, доста­ точной для сварки; но имеющиеся сегодня непрерывные лазеры на СО2 и иттрий-алюмиииевом гранате с неодимом могут произво­ дить сварку при выходной мощности 100 Вт и более. В работе [101 лазер непрерывного действия на С02 использовался для сварки стальных листов толщиной до 3 мм, что невозможно осуществить с помощью импульсных лазеров.

При использовании лазеров пока не обнаружено явление «кинжального» проплавления, с которым связано глубокое про­ никновение при электроннолучевой сварке. Явление состоит в том, что расплавленный материал удаляется из области, в кото­ рую падает электронный пучок, что позволяет электронам глубоки проникать в обрабатываемую деталь. После окончания импульса электронного тока расплавленный металл стекает обратно и обра­ зует протяженный сварной шов. При лазерном воздействии такоеявление не было обнаружено, так что в этом случае проникно­ вение энергии в образец происходит путем теплопроводности. Причина этого неясна; по-видимому, различие обусловлено тем,, что давление, оказываемое световым лучом, меньше давления.

производимого электронным лучом. Во всяком случае, глубина ■сварки лазером меньше глубины сварки электронным лучом х).

При лазерной сварке важным параметром является мощность, подводимая к единице площади поверхности. Она определяется как выходной мощностью лазера, так и фокусировкой. Если обратиться к фиг. 3.13, то можно видеть, что, чем выше мощность на единицу площади, тем скорее начинается испарение поверх­ ности. Параметры лазера должны быть подобраны таким образом, чтобы достичь компромисса между быстрым распространением зоны плавления внутрь обрабатываемой детали и отсутствием чрезмерного испарения.

В качестве конкретного примера рассмотрим сварку латуни толщиной 0,06 см. Тепловая постоянная времени составляет примерно 2,5 мс (для коэффициента температуропроводности 0,34 см2/'с); длительность лазерного импульса должна быть около 2,5 мс. Из фиг. 3.13 следует, что если импульс длится 2,5 мс, то плотность поглощенного потока должна быть немного меньше 105 Вт/см2, чтобы избежать испарения поверхности. Плотность падающего лазерного потока можно варьировать, изменяя фоку­ сировку или выходную мощность лазера. Более подробно особен­ ности фокусировки лазерного луча будут обсуждаться ниже.

Рассмотрение, аналогичное изложенному выше, позволяет определить диапазон лазерных параметров, требуемых для кон­ кретных задач сварки. Разумеется, чтобы оценить возможность применения лазера в конкретном случае, надо исследовать процесс эмпирически. Априорных теоретических оценок недостаточно, чтобы гарантировать осуществимость процесса. Такие оценки могут исключить некоторые применения иа основании, например, того соображения, что энергия недостаточна, чтобы расплавить необходимое количество материала, или имеющийся импульс является слишком коротким, чтобы прогреть материал данной толщины. Однако, чтобы установить осуществимость данного

.процесса и определить оптимальные параметры, существенно исследовать этот процесс экспериментально. Например, в работе [4] были найдены условия сварки для нержавеющей стали и спе­ циальной стали с 18%-ным содержанием никеля в зависимости ■от выходной мощности лазера и условий фокусировки.

Для данного лазера длина волны фиксирована. Но все же учет длины волны (например, с точки зрения желаемого размера ■фокального пятна или отражательной способности поверхности) может повлиять на выбор типа лазера для конкретной задачи.

-■) Явление глубокого («кинжального») проплавления под действием лазер­ ного луча наблюдалось и подробно исследовано, см. [116, 117]. Вытесне­ ние расплавленного металла обусловлено, конечно, не давлением, которое производит сам луч, а импульсом отдачи испаряемого вещества.— Прим,

ред.