Рис. 2-13. Оптическая сх:ма лазерной сварочной установки

ИЗ ПОЛОСТИ резонатора одно из зеркал должно быть полупрозрачным. Вышедший из резонатора световой пучок собирается линзой 5. В плоскости, где поперечные размеры пучка наименьшие, а следовательно, имеет место наиболее высокая плотность мош,ности, располагают свариваемые детали. Поскольку обычно их размеры малы, лазерная сварочная установка снабжена микроскопом 6. Для повышения частоты срабатывания установки (повышения производительности) стержень и лампа охлаждаются потоком воды.

Основными характеристиками лазерного излучения, имеющими значение для сварки, являются расходимость излучения, определяющая размеры пятна после фокусировки, мощность и ее временная зависимость, а также длительность импульса. Благодаря малой расходимости излучения можно получать диаметр пятна после фокусировки размером до нескольких сотых долей миллиметра. Наиболее часто в сварочных установках применяют генераторы, излучающие свет с энергией до 10-50 Дж при длительности импульса до Ю мс. При этом плотность мощности в пятне достигает значений 10 Вт/см*.

Вследствие высокой тепловой мощности в зоне сварки для соединения деталей требуется минимальное количество теплоты. Это обусловливает малую зону нагрева и высокую локальность сварки.

Мощность светового потока, падающего на облучаемую зону, должна быть достаточной, чтобы сварить детали, и вместе с тем не быть очень большой, чтобы испарение металла из зоны нагрева не превышало допустимого. Величина длительности импульса должна быть такой, при которой обеспечиваются необходимая глубина проплавления и оптимальное протекание металлургических процессов для получения высококачественного соединения. В случае сварки пластин толщиной менее 0,3 мм оптимальная длительность импульса составляет I-8 мс. Мощность светового Потока и длительность импульса взаимосвязаны. Если требования

к размерам зоны нагрева нежесткие, всегда полезно увеличить длительность и несколько уменьшить мощность импульса.

Для увеличения глубины проплавления желательно иметь экспоненциально спадающий импульс света. При этом скорость уменьшения интенсивности должна быть такой, чтобы поддерживать максимально допустимую температуру облучаемой поверхности. Однако в связи с техническими затруднениями в большинстве сварочных установок изменение импульса света близко к прямоугольному.

Необходимо иметь в виду, что импульс излучения твердотельных лазеров состоит из отдельных импульсов длительностью около 1 мкс с периодом следования в несколько микросекунд (т. е. пичковая структура импульса). Наличие такой структуры приводит к превышению в несколько раз пиковых значений теплового потока в свариваемой детали по сравнению со средним его значением. При этом могут быть легко созданы условия для интенсивного испарения металла. Действие пичковой структуры лазерного излучения можно существенно ослабить, применив сферический резонатор в ОКГ вместо плоскопараллельного. При определенной геометрии сферического резонатора можно даже получить беспичковую структуру излучения.

Рассмотрим тепловое воздействие света на металлы. Металлическая поверхность поглощает часть падающего на него светового потока, а другую часть отражает. Она безвозвратно теряется для использования. Поглощение света металлом происходит в тонком поверхностном слое толщиной в несколько длин волны. Поглощенная доля светового потока называется поглощательной способностью А. Она зависит от рода металла и состояния поверхности - чистоты механической обработки и степени окисленности. Для тщательно полированных металлических поверхностей А изменяется от 0,05 для серебра до 0,3-0,5 для большинства металлов.

§ 2-5. Тепловые процессы при сварке плавлением

Под тепловыми процессами при сварке принято подразумевать повышение температуры свариваемых изделий (и присадочного материала) под влиянием источников сварочного нагрева, распространение теплоты по изделию и отвод ее в окружающую среду. Изменение температуры определяет, помимо явлений плавления и кристаллизации металла, прохождение целого ряда сопутствующих процессов в материале изделия - структурные превращения, объемные изменения, упруго-пластические деформации и т. д. Эти процессы оказывают значительное влияние на качество сварного соединения и всей конструкции в целом.

Значительные заслуги в разработке фундаментальных основ теории тепловых процессов при сварке принадлежат главным

образом советским ученым и в первую очередь академику Н. Н. Ры-калину.

Подводимая к свариваемому изделию (присадочному металлу) теплота характеризуется величиной тепловой мощности и законом распределения ее в пространстве и времени. Эти характеристики во многом зависят от способа и условий сварки, формы соединения и других факторов. Рассмотрим эти вопросы применительно к наиболее типичным способам сварки плавлением.

Дуговая сварка. Подводимая к сварочной дуге электрическая энергия частично расходуется на протекающие в дуге процессы (см. § 4), частично же отдается окружающей среде путем кон-дуктивной, конвективной и радиационной теплоотдачи, светового излучения, звуковых колебаний и т. п. Поскольку доля нетепловых видов энергии в энергетическом балансе дуги сравнительно невелика, дугу по праву считают преобразователем электрической энергии в тепловую. Тепловую мощность дуги можно принимать пропорциональной тепловому эквиваленту электрической энергии, т. е,

q = UI,

где и, I - соответственно средние значения падения напряжения на дуге и силы тока в цепи; ф - коэффициент мощности или форм-фактор. Наиболее вероятные значения коэффициента ф находятся в пределах 0,8-0,95.

Часть теплоты сварочной дуги бесполезно теряется в окружающей среде, а большая часть идет на нагрев и плавление присадочного и основного металлов, электродного покрытия либо флюса и на химические реакции в зоне сварки. Величина тепловой мощности дуги, теряемой в окружающее пространство, как и величина ф, зависит от многих трудноучитываемых параметров режима сварки. В связи с этим значения основных составляющих теплового баланса дуги принято определять, пользуясь понятием эффективного к. п. д., например, эффективный к. п. д. нагрева изделия дугой т] , нагрева электрода дугой -ц, нагрева флюса дугой Т1ф и т. д.

Величины эффективных к. п. д. определяются обычно экспериментальным путем и представляют собой отношение тепловой мощности данной статьи теплового баланса к тепловому эквиваленту электрической энергии дуги. Калориметрическими опытами установлено, что эффективный к. п. д. процесса нагрева изделия сварочной дугой т] зависит главным образом от условий ее горения (табл. 2-3).

Коэффициент T]j, уменьшается с увеличением длины дуги и повышается с увеличением скорости сварки и углублением дуги в сварочную ванну. На величину влияет и форма детали в зоне сварки - так называемый геометрический фактор. Например, при наплавке валика открытой дугой в разделку шва значения г], на 5-10% выше, чем при наплавке на плоскость. Повышение г]