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

ного сварного шва была меньше толщины образца. При сварке тонких образцов можно получать швы шириной в несколько сотых миллиметра.

ТАБЛИЦА 8.2

Сварка мощным С02-лазером непрерывного действия (сварка встык по всей толщине)

И Сварка в атмосфере аргона. Частное сообщение Уэбстера. '-) Данные взяты нз работы [10].

Для лазерной сварки большое значение имеет геометрия соеди­ нения. Поскольку скорость процесса велика, металл не успевает растекаться. Поэтому важно обеспечить тесный контакт свари­ ваемых деталей. Обычно лучше всего распределять луч примерно поровну на обе свариваемые детали.

Швы, получаемые при лазерной сварке, обладают высокой прочностью. Стыковые швы, выполненные в материале Rene 41 толщиной 0,13 мм точечной сваркой при перекрытии пятен от импульсов рубинового лазера, обладают прочностью на разрыв при комнатной температуре, сравнимой с прочностью исходного металла [7]. Используя одиночный лазерный импульс с энергией в несколько джоулей, можно производить сварку проволоки с проволокой без потери прочности (т. е. такую сварку, при кото­ рой сварное соединение обладает той же прочностью, что и исход­ ная проволока) при диаметрах проволоки в пределах 0,025— 0,25 мм [6].

Обычно при испытании на разрушение лазерного сварного шва образец разрывается в непосредственной близости от шва, но не по самому шву. Это может быть связано с небольшим умень­ шением поперечного размера образца в этом месте при сварке.

плавиться. Лазерная сварка в своей основе остается процессом плавления, н для нее справедливы те же самые металлургические соображения, которые относятся к другим видам сварки плавле­ нием. Даже при сварке образцов нз одного и того же металла не все материалы свариваются одинаково хорошо. Легко свари­ ваются никель, нержавеющая сталь и сплав бериллия с медыо. Труднее сварить медь, алюминиевые сплавы, агломерированную бронзу. Основное требование при лазерной сварке состоит в том, чтобы лазерный луч образовывал хорошую «лужицу» металла. Некоторые трудности при сварке латуни связаны с тем, что цинк выкипает раньше, чем образуется такая лужица.

Итак, для широкого класса задач лазерная сварка является технически осуществимой. Ее фактическое использование в про­ изводстве зависит от факторов, о которых речь пойдет ниже 1).

3. Сверление отверстий

Применение лазеров для сверления отверстий в металле может оказаться полезным во многих областях, например для получения малых отверстий с регулируемой утечкой, сопел, апертур для электронно-лучевых приборов [13] и крошечных отверстий для экспериментов по оптической интерференции [14]. Не представляет трудности получение тонких отверстий размером меньше 0,02 мм в металлических пластинах. Можно пробить с большой точностью систему близко расположенных отверстий без нагревания окружающего вещества и без загрязнений. Очень маленькие отверстия для специальных нужд были сделаны по заказу в образцах, для обработки которых обычные методы непригодны. Зона вокруг отверстия, подвергшаяся тепловому воздействию, может быть мала, в типичном случае 0,02—0,05 мм. На количество удаленного металла, как и при сварке, влияют свойства вещества. Для сверления отверстий обычно исполь­ зуются импульсы длительностью порядка сотен микросекунд; лазерный импульс длительностью свыше 2 мс для этой цели исполь­ зуется редко. Мы уже привели в гл. 3 для различных металлов количественные данные о массе, удаляемой под действием типич­ ных лазерных импульсов.

Сверление отверстий в металле производят обычно либо с по­ мощью импульсных лазеров на рубине или неодимовом стекле, либо с помощью С02-лазеров, работающих в импульсном периоди-

1)Теплофизическому анализу сварочных процессов посвящена моногра­ фия [118]. Развитые в ней методы нашли широкое применение при тепло­ физических расчетах процессов лазерной сварки и резки. Существенные результаты в этой области получены, в частности, в работах [119—123].—

Прим. ред.

по диаметру ухудшается с уменьшением диаметра. Минимальный диаметр отверстия зависит от толщины материала. В металли­ ческих образцах толщиной 0,4 мм и меньше отверстия диаметром 0,013 мм можно пробить небольшим числом вспышек рубинового лазера [1]. Размер контролируется в пределах до 0,002 мм. Отвер­ стия диаметром около 0,25 мм легко пробить с помощью рубино­ вого или С02-яазера при величине допуска 0,01 мм. Для полу­ чения очень малых отверстий С02-лазер непригоден из-за своей длины волны. Для С02-лазера минимальный размер отверстия в тонком листе составляет несколько сотых миллиметра. Каза­ лось бы, что можно проделывать очень малые отверстия, управляя лучом таким образом, чтобы дио конусообразного кратера едва касалось нижней поверхности пластины. Оказывается, однако,, что при этом очень трудно осуществлять необходимое управление.

Хорошим методом уменьшения диаметра отверстия является диафрагмирование лазерного луча, в результате чего уменьшается эффективный угол расходимости луча 0. Согласно формуле (1.11), радиус г, фокальной области для линзы с фокусным расстоянием L приближенно равен

v s — L0.

Внесение ограничивающей диафрагмы в лазерный луч может при данной линзе уменьшить фокальную площадь. Полная мощ­ ность луча, разумеется, тоже падает, но в конечном итоге можно получить отверстие меньшего диаметра. Результаты изучения влияния круглой диафрагмы, помещаемой между лазером п фоку­ сирующей линзой, представлены на фиг. 8.9 [1]. При очень малых размерах диафрагмы проходящая через нее энергия оказывается слишком малой для того, чтобы привести к образованию отвер­ стия; при большой величине диафрагмы через нее проходит почти весь луч и ее влияние мало. Когда размер диафрагмы лежит между 0,125 и 0,375 см, размер отверстия сильно зависит от диа­ метра диафрагмы. Таким образом, диафрагмирование является удобным методом уменьшения и регулирования размеров отвер­ стий при лазерном сверлении.

В работе [14] описано применение диафрагмирования для полу­ чения очень малых отверстий для электронно-лучевых приборов. Удавалось контролируемым образом пробивать отверстия диамет­ ром до 0,005 мм в молибдене толщиной 0,025 мм. Конусообразная форма отверстия в данном случае не служила помехой.

В работе [3], где исследовались отверстия, просверленные электронными и лазерными лучами, было сделано заключение, что электронные лучи могут пробивать отверстия меньшего раз­ мера. Этот результат был основан на опытах по пробиванию