Название: Лазерная обработка материалов - Методические указания (Б.А. Красильников, Х.М. Рахимянов)

Жанр: Технические

Просмотров: 1145


1. цель работы

 

Изучение конструкции и работы лазерной технологической установки «Квант-15» и приобретение практических навыков расчета основных параметров и оценки качества импульсной сварки.

 

2. Установка «Квант-15»

 

Установка предназначена для импульсной лазерной микросварки тонкостенных изделий, например герметичных корпусов интегральных схем.

Оптическая схема установки показана на рис. 3.1.

Установка включает:

– излучатель, состоящий из двух активных стержней 1, двух импульсных ламп накачки 2 и резонатора, образованного двумя полупрозрачными зерка-

лами 4;

– систему поворотных зеркал 5, направляющих излучение по двум каналам;

– объективы 6, фокусирующие излучение на противоположные кромки объекта сварки 7.

Рис. 3.1. Оптическая схема установки «Квант-15»

 

Изменение энергии, длительности и частоты повторения импульсов осуществляется блоком питания и управления 3, а изменение диаметра лазерного пятна на объекте сварки – перемещением фокусирующего объектива вдоль оптической оси. Для измерения размеров пятна в комплекте установки имеется микроскоп (на схеме не показан). Необходимая скорость движения объекта сварки для получения непрерывных или точечных швов реализуется механизмом перемещения технологического стола.

Для улучшения качества сварного шва в зону обработки может подаваться инертный газ. Этой же цели служит тщательная зачистка кромок свариваемых деталей.

 

Технологическая характеристика установки:

 

Тип лазера………………………………..............Твердотельный; l=1,06 мкм

Средняя мощность излучения, Вт…………...............не менее 100

Максимальная энергия излучения, Дж:

при частоте импульсов 10 Гц………….….…...до 10

в моноимпульсном режиме………….………...до 15

Частота повторения импульсов, излучения, Гц:

при длительности импульса 2,0; 2,5; 4,0 мс......0,1…10

при длительности импульса 1,5 мс…………....до 20

Минимальный диаметр сфокусированного пятна, мм.0,25

Максимальная скорость резки, мм/мин…….............до 350

Потребляемая мощность, кВт……………….............не более 12

Габаритные размеры, мм:

станка………………………………..…………1000х960х1200

модулятора МТ-42М………………..………...760х620х1900

Масса установки, кг:

станка………………………………………......200

модулятора МТ-42М…………………………..615

3. Расчет параметров сварки

 

Схема стыковой лазерной сварки показана на рис. 3.2. Поглощенная энергия лазерного излучения расплавляет металл по стыку свариваемых деталей. После прекращения действия импульсного излучения микрованна расплава застывает за счет отвода тепла в глубь металла, образуя сварную точку. При повторении импульсов с согласованным перемещением объекта сварки формируется сварной шов – точечный или непрерывный.

Определяемыми параметрами сварки при заданных энергии , длительности  и частоте повторения  лазерных импульсов являются глубина  и скорость  сварки, интенсивность  и диаметр  лазерного пучка. Эти параметры находятся из математической модели температурного поля в зоне сварки.

Считая, что глубина проникновения тепла за время действия импульса меньше диаметра пучка, и пренебрегая теплотой плавления металла, закон изменения температуры  под лазерным пучком однородной интенсивности будем описывать одномерным уравнением теплопроводности

 

,                                            (3.1)

где  – профиль температуры во времени  и полупространстве  при = 0 oC;

 – температуропроводность металла, имеющего теплопроводность , плотность  и удельную теплоемкость .

Решение уравнения (3.1) для процесса нагрева – охлаждения имеет сложный вид, поэтому для дальнейшего анализа будем использовать аппроксимирующую функцию

,                                     (3.2)

которая при  с удовлетворительной для практики точностью описывает температурное поле в металле под квазиоднородным лазерным пучком в момент времени .

В уравнении (3.2)  – коэффициент поглощения излучения, или степень черноты металла:  – интенсивность (плотность мощности) импульсного излучения на мишени.

Графическая интерпретация уравнения (3.2) для условий сварки показана на рис. 3.3.

 

Рис. 3.2. Схема стыковой лазер-                         Рис. 3.3. Профиль температуры

 ной сварки двух пластин                                    свариваемого металла под лазер-

                                              ным пятном

 

Условия сварки имеют вид  Последнее равенство означает, что температура поверхности не превышает температуры кипения  расплавленного металла, и интенсивное испарение с поверхности отсутствует (при  застывшая микрованна расплава может иметь вогнутую форму). При принятых условиях глубина сварки , интенсивность  и диаметр  лазерного пучка на мишени будут рассчитываться соответственно по формулам с заменой  на , а  на

 

;                                             (3.3)

 

;                                                     (3.4)

 

.                                                (3.5)

 

Скорость сварки , или скорость перемещения объекта обработки относительно неподвижного луча, определяется соотношением

 

                                                           (3.6)

где  – заданная частота повторения импульсов.

– коэффициент перекрытия лазерных пятен, представляющий отношение шага пятен к диаметру пятна:  (рис. 3.4). Для точечных швов , для герметичных непрерывных , для негерметических непрерывных .

 

Рис. 3.4. Формирование сварного шва

 

Одномерная модель теплопроводности при лазерном нагреве справедлива при условии, когда глубина проникновения тепла за время действия импульса меньше диаметра лазерного пучка. Глубина проникновения тепла, или зона термического влияния (ЗТВ), определяется из условия Т (хзтв) / Тпов= 0,1, соответствующего уменьшению температуры при х = хзтв в сравнении с температурой поверхности примерно на порядок. Из уравнения имеем  следовательно, неравенство

 

                                                       (3.7)

 

является критерием достоверности расчетных результатов.

Разобранный процесс сварки – идеализированная модель, не учитывающая скрытую теплоту плавления металла, пространственное распределение интенсивности лазерного пучка, отличное от однородного, зависимость теплофизических характеристик материала от температуры, конвективный и излучательный теплопровод с поверхности. В связи с этим приведенный расчет является оценочным.