ЛАЗЕРНАЯ СВАРКА И РЕЗКА МАТЕРИАЛОВ

Физическая сущность процесса

Лазерное излучение (ЛИ) – это вынужденное монохроматическое излучение, длина волны которого l зависит от природы рабочего тела лазера – излучателя и может быть в диапазонах от 0,1 до 1000 мкм. Наиболее часто используемые в технологической практике лазеры характеризуются следующими длинами волн излучения: гелий-неоновый - l=0,6328 мкм; рубиновый - l=0,6943 мкм; стекло с неодимом - l=1,06 мкм; СО₂ – лазеры – 10,6 мкм. Чем меньше длина волны лазерного излучения, тем больше его способность проходить через вещество.

ЛИ возникает в результате вынужденных скачкообразных переходов энергии возбуждённых атомов рабочих тел лазеров на более низкие энергетические уровни. При таком переходе возбужденный атом отдаёт энергию в виде фотона с частотой n, свойственной материалу применяемого рабочего тела. Испускание света можно инициировать воздействием внешнего фотона, обладающего энергией, соответствующего разнице энергий между возбуждённым и начальным состоянием атома. В результате такого взаимодействия генерируются два фотона с одинаковой частотой, которые распространяются в том же направлении. Одновременно может протекать и обратный переход. Поэтому для получения заметной генерации вынужденного излучения необходимо добиться такого состояния рабочих тел, при котором превалировали бы переходы с возникновением новых фотонов.

Это состояние искусственно достигается при воздействии различных источников энергии: световой, тлеющим электрическим разрядом, энергией химических процессов, т. е. производится так называемая “накачка” рабочих тел лазера.

В твердотельных лазерах (рубин, стекло с неодимом) накачка осуществляется фотонами специальных источников излучения 3, направленных на рабочее тело 2 отражателем 4 ( рис. 10 а, б). Для лучшей генерации излучения и его направленности рабочее тело лазера помещают между точно установленными зеркалами-резонаторами 1, одно из которых в целях вывода излучения делается полупрозрачным. Вышедшее из лазера излучение фокусируется на обрабатываемом изделии 6 специальной линзой 5. В отличие от обычных световых волн лазерная волна обладает значительно большей степенью “упорядоченности”, так как в лазере фотоны излучаются атомами одного вещества рабочего тела под действием однонаправленных импульсов возбудителей. Поэтому степень когерентности лазерного излучения, характеризуемая идентичностью состояния фотонов, их энергий, направлением, степенью поляризации на несколько порядков больше, чем обычного светового луча (рис. 10в, г).

В зависимости от степени когерентности лазерный луч может быть сфокусирован в пятно от десятых долей миллиметра до нескольких десятков микрон, что позволяет получить плотность мощности в фокальной плоскости 10⁸ Вт/см².

Твердотельные лазеры могут работать в непрерывном или импульсном режимах. Мощность таких лазеров, работающих в непрерывном режиме, обычно не превышает 250…300 Вт.

Твердотельные лазеры, работающие в импульсном или периодическом режиме, могут иметь энергию разряда 100 Дж и более, что обеспечивает плотность мощности в сфокусированном пятне свыше 10⁸ Вт/см².

Для получения непрерывного излучения большой мощности (5, 10 кВт и более) применяют так называемые газодинамические лазеры. Рабочим телом у них чаще всего являются газ СО₂, который в смеси с азотом и гелием с помощью специальных насосов прокачивается через разрядную камеру с тлеющим электрическим разрядом. В камере происходит возбуждение. Энергия возбужденных частиц СО₂ в резонаторной камере переходит в световой поток большой мощности, который выводится наружу, фокусируется и направляется на обрабатываемую поверхность материала.

Лазерное излучение при встрече с препятствием (обрабатываемым материалом) частично отражается от его поверхности и теряется в атмосфере, частично поглощается, переходя в тепло. Для увеличения доли полезно используемой энергии ЛИ необходимо повышать коэффициент поглощения поверхности.

Для этого иногда поверхность материалов, у которых велика отражательная способность (Al, Cu, Ag), перед лазерной обработкой покрывают специальными “зачерняющими” материалами. На рис. 11 представлена упрощённая температурная диаграмма тепловой эффективности воздействия ЛИ в зависимости от коэффициента поглощения А_эфф и плотности мощности излучения. Диаграмма позволяет определить диапазон плотностей мощности для различных видов лазерной обработки: термообработки 1, сварки 2, резки 3, пробивки отверстий 4, металлообработки 5 и других способов 6. Эффект воздействия ЛИ на материал может быть различным в зависимости от времени воздействия (скорости обработки или времени импульса) и от плотности мощности. На рис. 12 приведены диапазоны режимов, применяемых для различных видов лазерной обработки: термообработки 1, сварки 2, резки 3, испарения 5 или пробивки отверстий 4.

Большая плотность мощности, достигаемая в остросфокусированном лазерном луче (значительно выше, чем в сварочной дуге, и на порядок выше, чем в электронном пучке), позволяет получать особые эффекты при обработке материалов. Например, можно достичь скоростей нагрева несколько десятков и даже сотен тысяч градусов в секунду. Металл в этих условиях может интенсивно испаряться. Такие режимы используют для прошивки отверстий или при резке.

Такой интенсивный сосредоточенный нагрев приводит к чрезвычайно большой скорости охлаждения материала после специфическими свойствами.

В то же время, расфокусированный лазерный луч может быть и очень “мягким”, что позволяет его использовать в качестве универсального источника нагрева для сварки, резки, наплавки, термообработки и др.

Основные параметры режимов лазерной обработки – мощность излучения, диаметр пятна фокусировки, скорость перемещения обрабатываемого материала относительно луча. Сущность процесса лазерной сварки заключается в расплавлении лучом свариваемых кромок заготовок, собранных и с минимальными зазорами(0…0,2 мм), и последующей кристаллизации. Достоинствами лазерной сварки являются: возможность вести процесс на больших скоростях – до 500 м/ч; узкий “ниточный” шов; чрезвычайно малая зона термического влияния; практически отсутствие деформаций после сварки.

Сущность процесса лазерной резки состоит в локальном расплавлении материала под действием острофокусированного луча и одновременно удаления расплава из зоны реза инертными, нейтральными или активными газами, подаваемыми под давлением. В случае резки углеродистой стали часто применяют кислород, который не только выдувает” расплавленный металл из реза, но и, вступая в экзотермическую реакцию, сжигает его повышая температуру в рез и значительно убыстряя процесс. Ширина реза может составлять 0,1…0,2 мм, при этом шероховатость поверхности будет незначительна.

Процессы лазерной обработки легко поддаются автоматизации, и поэтому чаше всего это производство оснащается системами с ЧПУ.