Рис. 1 Схема энергетических потерь при стабильном режиме проплавления металла сфокусированным лазерным лучом: 1 – лазерный луч; 2 - основной металл; 3 – кратер (парогазовый канал); 4 – расплавленный металл; 5 – сварной шов; 6 – плазменный факел.
На эффективный КПД n в и форму проплавления влияют условия фокусирования луча, поскольку при этом изменяется плотность мощности, а соответственно, форма и размеры парогазового канала (рис. 2).
Рис. 2. Зависимость эффективного КПД nв от условий фокусировки луча относительно поверхности низкоуглеродистой стали при ЛС: Р = 5 кВт; Vсв = 16 ... 20 мм / с; фокусное расстояние lф = 210 мм
Максимальное поглощение излучения происходит при загибке фокальной плоскости под поверхность изделия. Установлено, что величина углубления зависит от параметров системы. Степень углубления тем больше, чем более длиннофокусные системы используются, но максимальное углубление ограничивается толщиной металла.
Лазерный луч является наиболее концентрированным источником тепла, и доля теплоты, которая отводится в основной металл, мала. Процесс сваривания непрерывным излучением максимально приближается к модели нагрева пластин быстро перемещаемым линейным тепловым источником. Поэтому его термический КПД n т приближается к теоретическому значению (n т (теор) = 0,484).
Полный КПД (КПД проплавления n пр ) зависит от мощности излучения и в определенной степени от скорости сварки (Рис. 3, Рис. 4).
Рис. 3. Зависимость полного КПД от мощности лазерного луча при сквозном проплавления нержавеющей стали в атмосфере гелия при скорости сварки 100 м/час.
Рис. 4. Зависимость nпр от скорости сварки в атмосфере гелия: Р = 3 ... 5 кВт, 1 – титановые сплавы (о - ВТ-28, * - ПТ-ЗВ), 2 - стали (∆ – Ст3; □ - 0Х18Н10Т)
Увеличение n пр при росте мощности излучения объясняется углублением парогазового канала и уменьшением потерь вследствие отражения энергии луча. Подобный характер влияния мощности лазера на КПД проплавления сохраняется в различных газовых средах (Не, СО2, N2. Аr), но максимальное значение n пр наблюдается в среде Не, а минимальное - в среде Аr. Следует отметить влияние факела плазмы, образующейся над парогазовым каналом, на энергетические характеристики луча. Параметры луча при прохождении через факел меняются в результате поглощения части энергии и ухудшения фокусировки луча. Поэтому рекомендуется применять газы, которые уменьшают степень ионизации, или сдувать факел потоком инертного газа, что повышает эффективность воздействия излучения.
Эффективность процесса лазерной сварки металла лучом мощного СО2-лазера возрастает при увеличении скорости сварки до 28…30 мм/с (100…108 м/час.), а затем стабилизируется. Это объясняется уменьшением потерь энергии за счет теплопроводности.
Установлено, что наиболее эффективное проплавление металла происходит при отклонении луча назад относительно направления сваривания, что объясняется уменьшением экранирующего действия парогазового факела, более равномерным распределением энергии луча в канале сварочной ванны и уменьшением влияния отраженного излучения на работу квантового генератора. Оптимальный угол отклонения луча обычно суммарный с углом схода лазерного луча после фокусирующей линзы. Влияние угла отклонения луча на КПД проплавления n пр показано на рис. 5.
Особенностью лазерной сварки металла является широкий диапазон изменения режимов, что позволяет соединять различные металлы толщиной от нескольких микрометров до десятков миллиметров с механизмами проплавления. Поэтому все существующие способы лазерной сварки металла можно распределить по энергетическим, технологическим и экономическим характеристикам на: непрерывную лазерную сварку с глубоким проплавлением; импульсно-периодическую лазерную сварку с глубоким проплавлением; непрерывную лазерную сварку малой толщины; импульсную лазерную сварку малой толщины.
Под лазерной сваркой металла с глубоким проплавлением понимают сваривание металлов толщиной более 1,0 мм. Процесс можно осуществлять как в непрерывном, так и в импульсно-периодическом режиме излучения лазера.
Рис. 5. Зависимость КПД проплавления от угла отклонения лазерного луча: Р = 4 кВт; Vсв = 20 мм/с (72 м/час). Фокусное расстояние lф = 300 мм, 0 - титановый сплав ПТ-3В; ? - нержавеющая сталь 0X18H10T.
Сварка металла малой толщины в 1,0 мм может производиться в непрерывном или импульсном режиме излучения. Для непрерывного режима используют как газовые, так и твердотельные лазеры мощностью излучения в непрерывном режиме до 1,0 кВт. Импульсный режим обеспечивается обычно твердотельными лазерами с энергией излучения до десятков джоулей. Материалы малой толщины сваривают как непрерывными швами, так и отдельными точками.
По энергетическим характеристикам способы сварки делятся на три группы. Первая группа - плотность мощности Е = 10^5…10^6 Вт/см2 и время действия t > 10^-2 с; вторая - Е = 10^6…10^7 Вт/см2, t Ко второй группе способов относится сваривание с импульсно-периодическими режимами. Сочетание высокой плотности мощности с импульсами многоразового действия луча позволяет вести сварку металлов и сплавов различной толщины при меньших затратах энергии, чем при непрерывном излучении. Частота импульсов составляет десятки и сотни Гц, а продолжительность их действия меньше, чем при сварке способами первой группы.
К третьей группе способов относится сваривание, при котором образование соединения определяется временем действия импульса с образованием точки расплава. Сочетание плотности мощности и времени действия импульса позволяет сваривать только малые толщины.
Способы сварки второй группы применяют только для сваривания с большой глубиной проплавления, третьей - только для малой толщины. Сварка с глубоким проплавлением при непрерывном использовании выполняется со скоростями 108…144 м / час мощными газовыми лазерами. Сварка обычно ведется без присадочного материала и только в автоматическом режиме. Сварка в импульсно-периодическом режиме отличается более высокой энергетической эффективностью проплавления, но скорость сварки значительно меньше.
При необходимости можно выполнять лазерную сварку с присадочным материалом, который должен подаваться точно в зону сварки и иметь диаметр не более 1,0 мм, независимо от толщины деталей.
Лазерная сварка металлов малой толщины может выполняться как в импульсном, так и в непрерывном режиме. Наиболее распространено импульсное сваривание. При лазерном сваривании металла малой толщины применяют как автоматическая, так и ручная сварка.
