книги / Электронно-лучевая обработка в сварке

С технологических позиций точность обработки определяется величиной поля рассеяния размеров партии деталей и зависит от величины суммарной погрешности обработки. Основными составляющими суммарной погрешности обработки являются погрешности, создаваемые несовершенством инструмента и оборудования, ошибками технологического процесса, нестабильностью процессов взаимодействия излучения с материалом заготовки.

Погрешность обработки определяется колебанием плотности мощности светового потока qs , реализуемой в зоне воздействия

лазерного луча, а также включает погрешности, вносимые нестабильностью процессов, обуславливающих разрушение материала.

Нестабильность плотности мощности qs зависит от величины

колебания энергии импульсов E , их длительности Δτ , флуктуации пространственно-временной структуры и угловых характеристик излучения Δθ , а также от погрешностей технологического процесса, влияющих на стабильность фокусирования и настройку технологического режима.

Нестабильность процессов разрушения материала определяется при прочих равных условиях нестабильностью параметров заготовки (материала и размеров).

Величина поля рассеяния размеров партии деталей:

где a0 ,ai , bj ,cl – коэффициенты, отражающие влияние нестабиль-

ности на показатель точности процесса.

Пичковая структура лазерных импульсов свободной генерации является причиной возникновения в полости обработки значительного количества расплава. Неуправляемое течение жидкости по стенкам и дну отверстия искажает продольную форму отверстия и снижает воспроизводимость размерных результатов обработки. Количественная оценка доли погрешности, вносимой нестабильно-

51

стью пичковой структуры лазерного импульса, затруднена. Заметного снижения погрешности можно достичь при использовании импульсов с упорядоченной структурой.

Флуктуации энергетических параметров лазерных импульсов определяются колебаниями энергии накачки активного элемента при одной ее настройке и переменным характером теплового режима оптического квантового генератора.

Нестабильность временных характеристик лазерных импульсов из-за колебаний интегральной длительности импульсов лазерного излучения и их временной макроструктуры (крутизны переднего и заднего участков) сказывается на воспроизводимости размеров обрабатываемых отверстий. Длительность переднего фронта импульса обычно составляет 5...10 мкс. Это обеспечивает быстрое развитие процесса разрушения и при оптимальных условиях фокусирования позволяет получать отверстия без входного конуса. Наибольшие искажения в результат обработки вносит чрезмерно затянутый спад интенсивности импульса.

Нестабильность расходимости лазерных пучков является следствием изменчивости модового состава излучения в пределах импульса генерации, причем порядок наивысшей моды зависит от интенсивности накачки. Это обуславливает погрешность фокусировки лазерного луча на поверхности заготовки и в переделах ее толщины.

Погрешность установки и закрепления заготовки обусловлена смещением ее поверхности в направлении, параллельном оси лазерного луча, ее перекосом.

Непрерывным и наиболее простым способом воздействия на размерные характеристики обрабатываемых отверстий является изменение параметров лазерных импульсов при фиксировании соответствующих режимов обработки (фокусного расстояния объектива, условий фокусирования и др.). В связи с тем что регулировка длительности и расходимости лазерных импульсов излучения современных установок затруднена, тонкая настройка режима осуществляется изменением уровня их энергии – накачкой и диафрагмированием.

52

4.4. Лазерная резка

Разработка мощных и надежных лазеров на алюминийиттриевом гранате и СО2, работающих в непрерывном и импульсном режимах, позволила осуществлять технологическую операцию лазерного разделения материалов, которой присущи следующие особенности:

а) обширный диапазон разделяемых материалов; б) возможность получения узких разрезов и безотходного раз-

деления; в) малая зона термического влияния;

г) минимальное механическое воздействие, оказываемое на разделяемый материал;

д) возможность автоматизации процесса; е) возможность резки по заданному профилю; ж) улучшение гигиены производства.

Разделение материалов может быть осуществлено либо при полном удалении материала по линии разреза, либо при частичном удалении материала, например, при образовании системы отверстий малого диаметра в разрезаемой пластине по линии разделения с последующим разломом. Последний метод разделения называется скрайбированием.

Для пластин из хрупких материалов может быть использован метод термораскалывания, при котором движение источника теплоты создает в материале напряжения и малые трещины. Разделение материалов производится разломом по линии действия источника теплоты.

При резке в зону резца подается струя газа, способствующая удалению продуктов разрушения для легковоспламеняющихся материалов и инициирующая химическую реакцию в зоне воздействия луча лазера на металлические материалы. В первом случае используют азот, во втором – кислород.

Количество энергии для резки материала непрерывным лучом лазера существенно зависит от оптических и термических свойств

53

материала. Для полированных металлов отражение излучения с λ = 10,6 мкм велико, однако рост температуры и наличие окисли-

тельной атмосферы существенно повышает эффективность процесса вследствие роста поглощающей способности.

Метод резки материалов лучом лазера с подачей в зону реза кислородной струи (газолазерная резка) заключается в следующем. Излучение лазера с помощью соответствующей оптической системы фокусируется на поверхность обрабатываемого материала. Коаксиально падающему излучению в зону реза подается струя кислорода, которая способствует увеличению поглощенной доли излучения вследствие образования на поверхности пленки окисла и удаляет образовавшуюся пленку и расплав из зоны реза до тех пор, пока материал не будет полностью разрезан. Луч лазера является источником теплоты с высокой концентрацией энергии, что приводит к уменьшению ширины реза, снижению размеров зоны термического влияния и дает более высокую скорость разрезания по сравнению с любым из других методов термической резки. Ширина реза близка к диаметру пятна излучения в фокальной плоскости или несколько меньше, а размер зоны термического влияния составляет

0,05…0,2 мм.

При резке неметаллов поддув кислорода целесообразен только в тех случаях, когда горение материала способствует увеличению скорости резания и в то же время обеспечивает сохранность свойств исходного материала по границам разреза. Однако для большинства неметаллических материалов, содержащих в своем составе углерод, воспламенение и горение в струе кислорода отрицательно сказывается на качестве лазерной резки, и для ее осуществления применяют поддув инертных газов или воздуха. При этом функцией газовой струи является в основном удаление продуктов разрушения из области разреза. Давление газа при диаметре выходного отверстия сопла до 5 мм составляет 1,5…3 атм, а расстояние от среза сопла до поверхности разрезаемого листа – не более диаметра струи. Поддув газа для повышения эффективности лазерной резки увеличивает глубину резания более чем на порядок. Скорости резки металлов

54

инеметаллов при использовании мощных лазеров (до 1 кВт) могут достигать нескольких сантиметров в секунду. Следует отметить также, что газолазерная резка позволяет осуществить резку таких труднообрабатываемых материалов, как асбест и бериллиевая керамика.

Лучом лазера можно резать пластмассы, керамику, стекло и другие материалы толщиной до 50 мм. При этом ширина реза не превышает 1 мм, хотя диаметр луча на расстоянии 20 мм от фокуса линзы составляет около 20 мм. Это объяснятся следующим. Луч лазера, сфокусированный на поверхность образца, частично разрушает материал стенок, образуя экранизирующий слой газов, поглощающий излучение и защищающий стенки реза от дальнейшего разрушения. Газ, продуваемый из сопла, смешивается с продуктами разрушения и образует раскаленную газовую струю, которая прорезает материал.

Весьма перспективным является использование лазерной резки в текстильной промышленности. При правильно подобранном режиме рез многослойного настила тканей при максимальной толщине 20…30 мм получается высокого качества, без обгорания. При многослойной резке материалов типа капрона, болоньи, стеклоткани между слоями материалов делаются прокладки из тонкой (папиросной) бумаги либо слои увлажняются, что предотвращает их сваривание.

Разделение керамических материалов производится методом скрайбирования. Обычная лазерная резка с применением газа часто не дает качественных результатов из-за низкой теплопроводности керамики и большого модуля упругости. Это приводит к перегреву

иразрушению материала около реза вследствие высоких термических напряжений. Для того чтобы полная мощность лазерного излучения была невысокой, обычно используют импульсный режим. Высокая плотность потока излучения при небольшой средней мощности достигается с помощью импульсного режима излучения лазера, который высверливает в керамике отверстия малого диаметра. Окончательная операция сводится к разламыванию подложки.

55

4.5. Лазерная сварка

Возможность получения как непрерывного, так и импульсного излучения с различной длительностью и частотой следования импульсов, а также относительная простота локализации нагрева и управления распределением плотности мощности в световом пятне расширяют область применения лазерной сварки. В первое десятилетие развития лазерной технологии применялась только точечная микросварка, что объяснялось импульсным характером и небольшой частотой следования импульсов твердотельных лазеров. Значительный рост средних мощностей и частоты следования импульсов твердотельных лазеров на алюмоиттриевом гранате, увеличение мощности непрерывных газовых лазеров на СО2 позволили широко применять и шовную сварку. При этом глубина проплавления увеличилась с десятых долей миллиметра до нескольких миллиметров. Таким образом, лазерная сварка, применявшаяся в основном в электронной промышленности и приборостроении, все шире используется в машиностроении.

Высокая плотность мощности излучения на поверхности свариваемых деталей, обеспечиваемая лазерными источниками излучения, обуславливает высокий темп нагрева, что облегчает сварку металлов, обладающих высокой теплопроводностью (меди, серебра) и высокой температурой плавления (вольфрама, тантала, молибдена).

Излучение импульсных лазеров обладает удачным сочетанием свойств, необходимых при осуществлении локального нагрева. Для получения литой зоны с заданными размерами необходима определенная энергия. Чем выше плотность мощности излучения в зоне нагрева, тем меньше требуется времени для ввода этой энергии и расплавления некоторого объема металла и, следовательно, тем меньше будет величина зоны термического влияния.

При сварке металлов световое пятно, получаемое на поверхности свариваемых деталей при фокусировке излучения, является поверхностным источником нагрева, так как излучение поглощается тонким поверхностным слоем толщиной в несколько сотых долей

56

микрона. При плотности мощности излучения, недостаточной для интенсивного испарения (105…106 Вт/см2 при длительности порядка 10–1…10–2 с), передача тепла в глубину свариваемых материалов осуществляется в основном за счет теплопроводности. Зона проплавления в этом случае имеет форму, близкую к сферической

(рис. 4.3, а).

а

б

в

Рис. 4.3. Стадии развития процессов проплавления при различных плотностях мощности излучения: а – зона проплавления близка к сферической; б – зона проплавления опускается; в – коническая зона проплавления; 1 – лазерное излучение; 2 – свариваемый материал; 3, 4, 5 – сварочная ванна; 6 –сварочных шов

При лазерной сварке в большинстве случаев наблюдается интенсивное испарение металла. Это приводит к тому, что под давлением пара поверхность сварочной ванны прогибается. Участок этой

57

поверхности, непосредственно воспринимающий энергию излучения, опускается (рис 4.3, б). При этом, если поверхностное натяжение расплавленного металла еще препятствует его выплеску, то после окончания действия излучения еще не застывший металл заполняет образовавшееся углубление. В результате прогиба сварочной ванны глубина проплавления увеличивается по сравнению с нагревом без заметного испарения. Форма зоны проплавления становится конической (рис. 4.3, в).

Увеличению глубины проплавления при интенсивном испарении с поверхности сварочной ванны способствует перемешивание верхних, нагретых до наибольшей температуры, и нижних, более холодных, слоев расплавленного металла, которое возникает из-за неравномерности нагрева в пределах светового пятна.

При увеличении плотности мощности излучения в центре светового пятна до величины порядка 5 106 …5 107 Вт/см2 в сварочной ванне образуется, как и при электронно-лучевой сварке концентрированным электронным пучком, узкий глубокий канал проплавления, металл из которого частично вытесняется к периферии ванны (рис. 4.3, в). После окончания действия импульса еще не застывший металл заполняет канал.

Таким образом, широкий диапазон энергетических характеристик лазерного излучения позволяет осуществить сварку, пользуясь различными механизмами проплавления, выбор которых зависит от свойств свариваемых материалов и характера соединения.

Малое поперечное сечение сфокусированного луча при достаточно больших рабочих расстояниях фокусирующих оптических систем в сочетании с бесконтактностью воздействия позволяет производить лазерную сварку в труднодоступных местах.

Уникальным свойством лазерного излучения является возможность подвода энергии к нагреваемой площадке через любую пропускающую свет среду, в том числе твердые прозрачные материалы. Наиболее близкий по технологическим возможностям метод электронно-лучевой сварки требует размещения соединяемых дета-

58

лей в вакууме, что существенно усложняет как процесс сварки, так и конструкцию оборудования. Лазерное излучение позволяет реализовать преимущества лучевого метода как в вакууме, так и в обычной атмосфере. Появляется возможность применения технологических сред, контактирующих с поверхностью сварочной ванны в течение всего термического цикла, что существенно расширяет возможности управления металлургическими процессами при сварке.

При разработке технологии лазерной сварки и оптимизации ее параметров рекомендуется:

а) выбрать тип лазера (излучения); б) разработать сварное соединение наиболее приемлемой кон-

струкции; в) определить оптимальные геометрические и энергетические па-

раметры лазерного луча в зависимости от материала конструктивных элементов, их толщины иограниченийпо температуре нагрева;

г) разработать оборудование, позволяющее максимально использовать преимущества лазерной сварки.

Выбору технологии сварки должен предшествовать техникоэкономический анализ предлагаемой технологической задачи, исходящий из того, что лазерную обработку следует применять в случае невозможности или затруднения использования традиционных недорогих способов обработки материалов, в том числе и сварки [9].

4.6. Перспективы применения лазерной обработки

Наибольшие практические успехи достигнуты в области применения лазеров импульсного действия. Серийный выпуск специализированных установок типа «Квант» способствовал проведению многочисленных исследований взаимодействия импульсного излучения с металлами и определению его влияния на структуру, свойства и микрогеометрию поверхности инструментальных сталей. Эти лазеры используются в основном для обработки малогабаритного инструмента и технологической оснастки из сталей У8, У10, ХВГ, 9ХС, ШХ15, Х12М и др. Лазерному упрочнению подвергают рабо-

59

чие кромки окончательно изготовленного инструмента путем наложения пятен закалки с перекрытием около 50 %. В результате такой обработки микротвердость сталей повышается на 8...10 ГПа и при этом не ухудшается микрогеометрия поверхности (обработка без оплавления поверхности).

Многочисленные промышленные испытания показывают, что достаточно получить глубину упрочненной зоны 0,07…0,13 мм, чтобы увеличить стойкость штампов для вырубки деталей из латуни, алюминиевых сплавов, бериллиевой бронзы более чем в 2 раза, пуансонов и матриц холодного деформирования металлов в 2…5 раз. Износостойкость различного инструмента после лазерной термической обработки может повышаться в 2…10 раз.

Экономический эффект от внедрения лазерной обработки инструмента обеспечивается не только за счет повышения стойкости инструмента, но и за счет сокращения объема операций на его перешлифовку и ремонт штампов, а также замены дорогостоящих легированных сталей на углеродистые, упрочненные лазером.

Положительные результаты получены и по лазерному упрочнению инструмента из быстрорежущих сталей. Так, использование технологии лазерного упрочнения токарных проходных резцов из сталей Р6М5, ХВ5 позволяет повысить их износостойкость в 2 раза. Стойкость сверл и фрез из быстрорежущих сталей Р6М5К5, Р9К5, Р18 и протяжек и резцов из сталей Р18, Р9К5 возрастает в 2…3 раза.

Сравнительные исследования износостойкости валов и среднеуглеродистой конструкционной стали, закаленных с помощью лазера и с помощью индукционного нагрева, проведенные фирмой «Ксерокс» (США), показали, что степень износа валов с лазерным упрочнением значительно меньше. Фирма «Белл гелиокоптер текстрон» (США) осуществляет закалку зубьев шестерен вертолетов лазерным излучением. При этом имеет место значительная экономия по сравнению с цементацией.

Исследования показали также целесообразность лазерного упрочнения ряда чугунных деталей текстильного машиностроения. Например, колосники шляпок чесальных машин из чугуна СЧ18-36

60