Введение к работе
Настоящая диссертационная работа посвящена исследованию воздействия импульсного лазерного излучения миллисекунда ого диапазона длительности ближнего инфракрасного диапазона длин волн на металлы и направлена на решение принципиальной проблемы реализации таких режимов плавления, при которых фронт плавления перемещается без нарушения устойчивости объема жидкого металла на глубину, значительно превышающую предельный уровень.
Актуальность темы. Теплофизические и підродинамические процессы, протекающие при воздействии на металлы импульсного лазерного излучения миллисекундной длительности, стали предметом активных исследований с середины 60-х годов, т.к. исторически именно режим свободной генерации рубиновых лазеров впервые оказался доступным для использования в обработке материалов. За прошедшие годы исследовательская активность в области изучения огромного разнообразия физических явлений, имеющих место при воздействии миллисекундных импульсов лазерного излучения на материалы, несколько снизилась. В значительной мере это связано с быстрым прогрессом в технике мощных непрерывных СОг, а затем и YAG лазеров. Более того, уже на ранней стадии изучения проблемы использования миллисекундных импульсов лазерного излучения для обработки металлических материалов стало очевидно, что оно имеет весьма ограниченные технологические возможности. В частности, было установлено, что имеет место принципиальное ограничение глубины плавления металлов, если накладывается условие отсутствия выброса жидкого металла їв зоны нагрева. В связи с этим в течение длительного времени считалось общепризнанным, что импульсное лазерное излучение милпнсекуидного диапазона длительности применимо для сварки металлов только малых толщин (менее I мм).
По указанной причине теплофизические и гедродинамические процессы, протекающие при локальном нагреве и плавлении металлов под действием .
лазерного излучения с длительностью импульсов 10-М (И с и имеющие существенно нестационарный характер, оказались изученными недостаточно полно. Особый интерес представляет изучение гидродинамических особенностей процесса плавления при условии сильного прогиба поверхности расплава, формирования и роста парогазового канала, позволяющего транспортировать излучение на большую глубиігу, а также оптимизация параметров лазерного воздействия, например, по критерию максимальной глубины продвижения фронта плавления при отсутствии выброса частиц жидкого металла из зоны нагрева, и построение соответствующих физических моделей. Проблема значительного увеличения глубины плавления под действием миллисекундных лазерных импульсов сводится по сути к поиску возможности удовлетворения двум противоречащим условиям: обеспечения высокого давления отдачи паров эрозионной плазмы для быстрого роста парогазового канала и, одновременно, обеспечение сохранения устойчивости объема жидкого металла для предотвращения выброса расплава. Эта принципиальная проблема до проведения исследований, описанных в настоящей работе, оставалась нерешенной. Таким образом, тема диссертационной работы является актуальной, она открывает новое направление развития твердотельных импульсных лазеров.
В настоящее время для обработки материалов в подавляющем большинстве случаев используются СОг и Nd.YAG лазеры. В связи с этим с практической точки зрения актуальность темы определяется тем, что отсутствие решения принципиальной проблемы глубокого плавления металлов под действием импульсного лазерного излучения не позволяло использовать такие компактные, надежные, экономичные и простые установки, какими являются импульсные YAG лазеры, для сварки деталей толщиной более 1-2 мм. По этой причине развитие техники и технологии импульсной лазерной сварки было значительно задержано.
В связи с изложенным выше целью настоящей диссертационной работы являлось построение физической модели плавления металлов импульсным лазерным излучением миллисекундного диапазона длительности ближнего
нфракрасного диапазона длин волн с учетом особенностей іідродинамнческих и теплофизических процессов в расплаве и решение на снове выявленных закономерностей принципиальной проблемы іачительного увеличения глубины зоны плавленля при сохранении стойчивости жидкого металла в ванне расплава; разработка рекомендаций ля создания импульсных лазерных установок нового поколения для глубокой варки.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решались целующие задачи:
-
исследование влияния темпа ввода энергии лазерного излучения в іеталл (формы импульсов лазерного излучения) на параметры процесса давления;
-
исследование условий формирования первичной ванны расплава и ее лияние на устойчивость объема жидкого металла, разработка концепции Іуферного объема расплава;
-
исследование кинетических характеристик процесса плавления и роста іарогазового канала;
4) исследование влияния пространственных характеристик лазерного
іучка на параметры процесса плавления, оптимизация пространственных
:арактеристик;
5) построение физической модели процесса плавления металлов
[нпульсным лазерным излучением миллисекундной длительности,
)беспечивающего максимальную глубину продвижения фронта плавления;
6) разработка рекомендаций по созданию импульсных YAG лазеров
ювого поколения для глубокой сварки.
Впервые для импульсного лазерной излучения ближнего инфракрасного щапазона дайн волн получены следующие результаты, определяющие іаучную новизну диссертационной работы.
I. Выявлены закономерности, связывающие кинетические параметры госта парогазового канала с формой импульсов излучения и пространственными характеристиками лазерного пучка.
-
Экспериментально обоснована роль буферного объема расплава обеспечении устойчивости жидкого металла при прогибе поверхност расплава и в процессе роста парогазового канала.
-
Экспериментально реализован эффект увеличения интенсивност лазерного излучения на дне парогазового канала в процессе его роста ( эффек самоконцентрации теплового источника).
-
Получена глубина зоны плавления в сталях более 6 мм при энергии импульсе менее 20 Дж, что примерно в 3 раза превышает наивысшие и опубликованных результатов.
5. Экспериментально выявлено наличие экстремума функции h(P)
глубины продвижения фронта плавления от апертурного утл
сфокусированного лазерного излучения и установлено, что предельно
значение глубины h при энергии в импульсе Е определяется отношением:
Ь/Е=0,4мм/Дж.
-
Построена физическая модель процесса глубокого плавлени; металлов импульсным лазерным излучением, обеспечивающею максимальную глубину продвижения фронта плавления.
-
Разработана методика определения кинетических характерисш процесса плавления и роста парогазового канала при глубоком плавлени металлов, претерпевающих при нагреве и охлаждении фазовые превращения.
-
Создана экспериментальная лазерная установка, на которо; реализованы режимы глубокого плавления металлов благодаря возможносг перестройки в широких пределах формы импульсов излучения и оптимизаци пространственных характеристик лазерного пучка.
Практическое значение полученных в диссертации результато заключается в следующем.
1. Впервые показано экспериментально, что импульсное лазерно излучение миллисекундного диапазона длительности может быт использовано для формирования сварных соединений в сталях глубиной боле 6 мм. Благодаря этому открывается возможность применения компактные
экономичных и надежных технологических установок на базе импульсных У AG лазеров для сварки относительно крупногабаритных деталей.
-
На основе выявленных физических механизмов глубокого плавления металлов разработаны рекомендации по созданию импульсных лазерных технологических установок нового поколения для глубокой сварки. В соответствии с рекомендациями разработан и находится в стадии сборки базовый вариант промышленной лазерной установки, имеющей значительно более широкие технологические возможности в сравнении с известными в настоящее время моделями.
-
Разработанная и апробированная методика определения кинетических характеристик процесса роста парогазового канала может быть использована в исследованиях, связанных с определением параметров процесса плавления металлов и сплавов, претерпевающих фазовые превращения при нагреве и охлаждении, под действием концентрированных потоков энергии.
На защиту выносятся следующие результаты и положения.
I. Установленные закономерности влияния первичной ванны расплава на сохранение устойчивости жидкого металла при прогибе свободной поверхности, образовании и росте парогазового канала; концепция буферного объема расплава.
2.Установленные зависимости кинетических параметров роста парогазового канала от формы импульсов, расходимости лазерного излучения и апертурного угла.
-
Установленные условия реализации нового для импульсных твердотельных лазеров физического эффекта - увеличения плотности мощности лазерного излучения на дне парогазового канала в процессе его роста (эффект самоконцентрации теплового источника).
-
Экспериментально установленные зависимости глубины зоны плавления от апертурного угла Р, имеющие максимум в окрестности 2{3=75 мрад, и предельное для миллисекундных импульсов лазерного излучения
значение глубины плавления h при заданной энергии Б, определяемо< отношением: Ь/Е = 0,4ыы/Дж.
5. Оптимальные значения параметров лазерного излучения
обеспечивающие глубину продвижения фронта плавления более 6 мм пр*
энергии в импульсе менее 20 Дж.
-
Физическая модель процесса глубокого плавления металлої импульсным лазерным излучением миплисекундного диапазона длительностт ближнего инфракрасного диапазона длин волн.
-
Методика определения кинетических характеристик процессг плавления и роста парогазового канала при импульсном лазерном воздействии на металлы и сплавы, претерпевающие при нагреве и охлаждениі фазовые превращения.
З.Основные принципы построения импульсных твердотельных технологических лазеров нового поколения, обеспечивающих глубокое плавление металлов.
Апробация работы и публикации.
Основные результаты диссетационной работы докладывались и обсуждались на следующих международных конференциях и симпозиумах: New Advances in Welding and Allied Processes, 1991, Пекин, Китай; Lasei Advanced Material Processing, 1992, Нагаока, Япония; LASER'95, 1995, Мюнхен, Германия; Industrial Lasers and Laser Applications, 1995, Шатура. Россия; Interaction and Related Plasma Phenomena, 1995, Осака, Япония; Lasei Application Engineering, 1996, Санкт-Петербург, Россия; European Conference on Laser Treatment of Materials, 1996, Штутгарт, Германия; Symposium on Joining of Materials, 1996, Тиручирапали, Индия.
По материалам диссертации опубликована 21 научная работа, включая 2 авторских свидетельства.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, семи глав, выводов и списка цитируемой литературы, имеются приложения. Общий
