Арзамасский политехнический институт (филиал)

Арзамасский политехнический институт (филиал)

 

Утверждаю:

И.о. заместителя директора

по учебной работе АПИ НГТУ

___________Сторожева Н.В.

«____»____________ 2015 г.

 

Методические указания и задания

К Практическим занятиям

 

Технология конструкционных материалов

Направление подготовки

15.04.05 Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств

Программа магистратуры

Технология машиностроения

ФГОС ВО по направлению подготовки утвержден приказом Министерства образования и науки Российской Федерации от «21» ноября 2014 г. № 1485

 

Квалификация (степень) «Магистр»

 

Формы обучения – очная и очно-заочная

 

Нормативный срок освоения программы – 2 и 2,6 года

Рассмотрено на заседании кафедры «Технология машиностроения» АПИ НГТУ «» сентября 2015 г. протокол №

 

Арзамас 2015
Содержание

 

 

1 Практическое занятие №1 «Построение и анализ кривых охлаждения сплавов системы «Железо-цементит»» (МЕ-1 Классификация конструкционных материалов)……………… 1.1Задания к практическому занятию…………………………………………………………… 1.2 Краткие сведения из теории ………………………………………………………………… 1.3 Контрольные вопросы ……………………………………………………………………….. 2 Практическое занятие №2 ««Определение параметров лазерной сварки» (МЕ-5 Электро- физические и электрохимические методы обработки.)…..…………………………………… 2.1Задания к практическому занятию…………………………………………………………… 2.2 Краткие сведения из теории ………………………………………………………………… 2.3 Контрольные вопросы ……………………………………………………………………….. 3 Практическое занятие №3 «Расчет режимов резания специальных материалов» (МЕ-4 Лезвийная обработка конструкционных материалов)…………………...…………………..… 3.1Задания к практическому занятию…………………………………………………………… 3.2 Краткие сведения из теории ………………………………………………………………… 3.3 Контрольные вопросы ……………………………………………………………………….. 4 Практическое занятие №4 «Определение режимов термической обработки специальных материалов» (МЕ-6 ТО, ХТО и ТМО.)………………………………………………………. 4.1Задания к практическому занятию…………………………………………………………… 4.2 Краткие сведения из теории ………………………………………………………………… 4.3 Контрольные вопросы ……………………………………………………………………….. 5 Практическое занятие №5 «Определение конструктивных параметров специальных композиционных материалов» (МЕ-7 Композиционные материалы)………………………… 5.1Задания к практическому занятию…………………………………………………………… 5.2 Краткие сведения из теории ………………………………………………………………… 5.3 Контрольные вопросы ……………………………………………………………………….. 6 Практическое занятие №6 «Основы эксплуатации энергодисперсионного рентгеновского флуоресцентного спектрометра» (МЕ-1 Классификация конструкционных материалов).. 6.1Задания к практическому занятию…………………………………………………………… 6.2 Краткие сведения из теории ………………………………………………………………… 6.3 Контрольные вопросы ……………………………………………………………………….. 7. Рекомендуемая учебная литература и иные материалы……………………………...……… 8.Критерии оценки выполнения и защиты заданий на практических занятиях………………

1 Практическое занятие №1 «Построение и анализ кривых охлаждения сплавов системы «Железо-цементит»» (МЕ-1 Классификация конструкционных материалов)

Задания к практическому занятию

 

Построить на миллиметровке диаграмму «Железо – цементит», по заданию преподавателя построить кривую охлаждения и анализ фазовых превращений, происходящих при медленном охлаждении из области жидкой фазы до комнатной температуры.

 

Варианты заданий:

 

№ варианта задания	Х1 (С,%)	№ варианта задания	Х1 (С,%)
	0,16 0,30 0,60 0,80 1,00 1,20 1,40 1,60 1,80 2,00 2,14 2,30		2,60 3,00 3,30 3,60 4,00 4,30 4,60 5,00 5,30 5,60 6,00 6,40

 

Краткие сведения из теории

 

Диаграмма (рисунок 1) состоит из нескольких областей, образованных наклонными и горизонтальными линиями. Линии диаграммы фиксируют начало и конец того или иного превращения. Каждая область включает одну или две фазы, которые в свою очередь образуют структурные составляющие. Любая точка диаграммы показывает: а) химический состав сплава; б) температуру сплава; в) фазовый состав сплава; г) структуру сплава.

 

Компоненты диаграммы Fе-С (рисунок 1)

 

Железо – переходный металл серебристо-белого цвета, температура плавления – 1539⁰ С (точка А). Железо – полиморфный металл, может существовать в двух модификациях (таблица 1).

Таблица 1

Характеристика железа

Обозначение	Fе α	Fе γ	Fе δ
Область существования, ^0 С	До 911	911…1392	1392…1539
Тип кристаллической решетки	ОЦК	ГЦК	ОЦК
Плотность, г/см^3	7,68	8,0	7,68

 

Температуры 911⁰ С (точка) и точка 1392⁰ С (точка N) являются температурами полиморфного превращения железа, их обозначают соответственно А₃ и А₄. До температуры 768⁰ С железо ферромагнитно. При 768⁰ С в железе происходит магнитное превращение – переход из ферромагнитного в парамагнитное состояние. Эту точку называют точкой Кюри и обозначают А₂.

Механические свойства железа технической чистоты: σ_в = 250 МПа; σ_γ =120 МПа; δ = 50%; Ψ = 80%; КСU = 2,5 МДЖ/м²; НВ 80.

Углерод – неметалл, температура плавления 3500⁰ С, плотность – 2,5 г/см³. Углерод полиморфен, имеет две аллотропические формы, графит и алмаз. В виде графита углерод находится в серых чугунах. В сталях и белых чугунах углерод находится в виде химического соединения цементита (Fe₃C).

 

Рис. 1. Диаграмма состояния железо – цементит

 

Жидкая фаза (Ж) существует выше линии ликвидус АВСД. Железо хорошо растворяет углерод, образуя однородную жидкую фазу.

Феррит (Ф) – твердый раствор внедрения в Fе _α, кристаллическая решетка феррита – ОЦК. Различают низкотемпературный (область GPQ) и высокотемпературный (область АНN) феррит, в соответствии с существованием низкотемпературной (Fе _α) и высокотемпературной (Fе _β) модификации железа. Максимальная концентрация углерода в низкотемпературном феррите составляет 0,02% при 727⁰С (точка Р), в высокотемпературном феррите – 0,1 % С при 1499⁰ С (точка Н). При комнатной температуре содержание углерода в феррите очень мало – 0,008 % (точка Q). Механические свойства феррита аналогичны техническому железу.

Аустенит (А) – твердый раствор внедрения углерода в Fе _γ, имеет решетку ГЦК. Аустенит занимает довольно большую область диаграммы NJESG, максимальная концентрация углерода в аустените – 2,14% при 1147⁰ С (точка Е). Аустенит немагнитен, обладает меньшим удельным объемом, чем феррит, пластичен (δ= 40 - 50%), имеет твердость НВ 160-180.

Цементит (Fе₃С, Ц) – химическое соединение железа с углеродом – карбид железа Fе₃С, содержит 6,67% С, ему отвечает правая ордината диаграммы DFKL. Цементит имеет сложную кристаллическую решетку. Особенностью цементита является его исключительно высокая твердость НВ 800 (цементит легко царапает стекло) и хрупкость. При комнатной температуре цементит ферромагнитен и становится немагнитным выше 217⁰ С. На диаграмме имеются три вышеуказанные однофазные области жидкого раствора, феррита и аустенита, все остальные области диаграммы являются двухфазными (рисунок 1).

Первичная кристаллизация железоуглеродистых сплавов

Линия АВСД – линия ликвидус, по этой линии изменяется состав жидкой фазы при кристаллизации сплавов. Участок АВ фиксирует начало выделения из жидкости кристаллов феррита (Ф), участок ВС – кристаллов аустенита (А), участок СД – кристаллов цементита, который называется цементитом первичным (Ц₁). Окончание процесса первичной кристаллизации происходит при температурах, лежащих на линии солидус AHJECF, по этой линии изменяется состав кристаллизующейся фазы.

Таким образом, первичная кристаллизация сталей (до 2,14% С) заканчивается образованием аустенита, независимо от того, какие фазовые превращения протекают ранее. Первичная кристаллизация чугунов (2,14 – 6,67% С) начинается с образованием аустенита (для сплавов с содержанием углерода до 4,3% С) или цементита первичного (для сплавов, содержащих 4,3 – 6,67% С). В чугунах с 4,3% С кристаллизация начинается с образованием эвтектики. Особенность первичной кристаллизации чугунов заключается в том, что в них она заканчивается эвтектическим превращение при 1147⁰ С (по линии ЕСF), когда жидкость с концентрацией точки С (4,3% С) дает две твердые фазы – аустенит точки Е (2,14% С) и цементит точки F (6,67 % С), т.е. образует ледебурит (Л).

 

Ж_{С(4,3 % С) ;}

 

^.

Ледебурит – эвтектика системы FеС – механическая смесь аустенита и цементита, содержащая 4,3 % С и образующаяся в чугунах при постоянной температуре 1147 ⁰ С из жидкого расплава того же состава.

Вторичная кристаллизация железоуглеродистых сплавов

Превращения в железоуглеродистых сплавах после затвердевания связаны с полиморфизмом железа, изменением растворимости углерода в аустените и феррите с понижением температуры и эвтектоидным превращением.

Рассмотрим превращения в твердом состоянии сталей линии GS и GР соответствуют температурам начала и конца превращения аустенита в феррит.

.

Линия SE – линия предельной растворимости углерода в аустените – при охлаждении соответствует температуре начала выделения из аустенита вторичного цементита Ц_II (вследствие уменьшения концентрации углерода в аустените с понижением температуры); при нагреве эта линия соответствует концу растворения вторичного цементита в аустените, т.е.

.

Линия РQ при охлаждении отвечает температурам начала выделения из феррита третичного цементита в результате уменьшения растворимости углерода в феррите с понижением температуры; при нагреве происходит полное растворение цементита в феррите, т.е.

.

Линия РSК называется линией эвтектоидного превращения, которое заключается в распаде аустенита состава точки S (0,8% С) на механическую смесь двух фаз: феррита, состав которого отвечает точке Р (0,02% С) и цементита Fe₃C (точка К, 6,67% С), т.е. образуется перлит

;

.

Перлит эвтектоид системы Fе-С – механическая смесь феррита и цементита, содержащая 0,8 % С и образующаяся из аустенита при постоянной температуре 727⁰ С практически во всех железоуглеродистых сплавах (от 0,02 до 6,67 % С).

Таким образом, при комнатной температуре в сталях, содержащих 0,008 % С (точка Q), существует только феррит, в сталях, содержащих 0,008 – 0,02 % С, структура состоит из феррита и третичного цементита. Эти стали называют техническим железом.

Стали, содержащие от 0,02 до 0,8 % С, называют доэвтектоидными. Эти стали после окончательного охлаждения состоят из феррита и перлита. Стали с 0,8 % С называют эвтектоидными. Их конечная структура – перлит. Стали, содержащие от 0,8 до 2,14 % С называются заэвтектоидными. После охлаждения эти стали состоят из перлита и вторичного цементита. Температуры наиболее важных превращений в сталях обозначаются буквами А (от слова arrent – остановка). Обозначения линий диаграммы и соответствующих им критических точек приведены в таблице 2.

Таблица 2

Задания к практическому занятию

Рассчитать параметры лазерной сварки:плотности теплового потока внутри материала, мощности теплового потока внутри материала, излучения, падающего на поверхность детали, максимальную энергию излучения, выбрать установку для лазерной обработки. Дополнительно привести расчеты: производительности, длительности технологического процесса и теоретической энергоемкости.

Краткие сведения из теории

Лазер открывает возможность развития технологических процессов обработки материалов в ряде областей машино- и приборостроения.

Высокие плотности мощности лазерного излучения, существенно превосходящие другие источники энергии, позволяют не только значительно увеличить производительность обработки, но и получить качественно новые результаты, недоступные традиционным методам обработки.

Одним из применений лазера в машиностроении является соединение элементов сваркой.

Самое широкое применение в промышленности находит электродуговая сварка, выполняемая различными автоматами и вручную. Для защиты расплавленного металла от воздействия газов (кислорода, водорода, азота и др.), оказывающих вредное влияние на механические свойства сварных соединений, используется сварка под флюсом, в среде защитных газов (аргона, гелия, углекислого газа и др.). Распространена также контактная сварка, осуществляемая с использованием джоулевой теплоты. Находят применение диффузионная сварка и сварка трением, выполняемые пластическим деформированием ювенильных поверхностей, а также ультразвуковая сварка, сварка взрывом и др. Большую перспективу обеспечивает развитие электронно-лучевой сварки, выполняемой в вакуумных камерах.

Фундаментальные исследования процесса лазерной сварки металлов, выполненные в ИЭС им. Е. О. Патона, МВТУ им. Н. Э. Баумана и в других организациях, позволили установить характерные особенности процесса, обеспечивающие сочетание высокой производительности и повышенного качества сварных соединений.

В данной работе обобщены современные представления о лазерной сварке металлов и сплавов на основе сопоставления с традиционными способами сварки, что позволяет установить области эффективного использования лазерного излучения при изготовлении сварных соединений и конструкций.

В понятие «технология» входит целый комплекс мероприятий по изменению формы, размеров и свойств материалов, которые в конечном счете приводят к получению изделий с заданными техническими требованиями. При разработке технологического процесса решаются как чисто технические, так и организационно-экономические задачи.

Наиболее важными вопросами при разработке технологии являются: выбор соответствующего оборудования; оптимизация параметров сварки; выбор номенклатуры изделия; конструирование оптимального типа соединения; отработка технологических приемов сварки различных типов соединений.

Одним из основных этапов проектирования любого технологического процесса является выбор соответствующего оборудования. От правильного выбора оборудования в значительной степени зависит качество получаемого изделия, производительность процесса и экономический эффект применения данного метода.

Оборудование для лазерной обработки вообще и для сварки в частности включает в себя следующие основные элементы:

1) технологический лазер;

2) систему отклонения и фокусировки луча;

3) систему наблюдения;

4) оснастку для крепления и перемещения детали;

5) средства контроля за параметрами процесса.

Все эти элементы входят в состав лазерной технологической установки (рис. 2.1).

 

 

 

Рис. 2.1. Структурная схема лазерной технологической установки:

1 — технологический лазер; 2 — лазерное излучение; 3 — оптическая система; 4 — обрабатываемая деталь; 5 — устройство для закрепления и перемещения детали; 6 — датчики параметров технологического процесса; 7 — программное устройство; 8 — датчики параметров излучения.

 

 

Основным элементом оборудования является технологический лазер, отличающийся надежностью и простотой эксплуатации в жестких условиях производства, а также имеющий высокий ресурс работы и воспроизводимость параметров излучения.

Выбор типа лазера для осуществления той или иной сварочной операции должен осуществляться с учетом следующих положений и рекомендаций:

1) на основании чертежа детали и технического задания на ее изготовление определить технологические операции, при выполнении которых потребуется лазер;

2) установить требуемую глубину проплавления и ширину шва; учесть при этом состав свариваемого материала;

3) оценить масштабы производства, его тип и требуемую производительность;

4) определить возможности предприятия по затратам на приобретение и эксплуатацию того или иного типа лазера;

5) рассчитать экономическую эффективность от применения лазерной сварки;

оценить возможности предприятия по площадям, культуре производства и подготовленности кадров.

Отклоняющие системы служат для изменения направления луча от источника до детали. При проектировании или выборе этих систем необходимо учитывать следующие положения и требования.

1. Взаимное расположение детали и источника излучения необходимо проектировать с таким расчетом, что бы расстояние между ними было минимально возможным. Также необходимо сводить к минимуму количество отклоняющих элементов. При соблюдении этого условия достигается снижение потерь излучения на отражение и рассеивание.

2. Для изменения направления излучения с длиной волны, лежащей в видимой или ближней инфракрасной части спектра, используют призмы полного внутреннего отражения и интерференционные зеркала с многослойными диэлектрическими покрытиями. Такие системы применимы в основном для твердотельных технологических лазеров с длиной волны 1,06 мкм и невысокой мощностью излучения.

3. В системах с мощными газовыми лазерами с длиной волны излучения 10,6 мкм применяют металлические, преимущественно медные зеркала. При использовании С0₂-лазеров мощностью до 200 Вт возможно применение стеклянных зеркал с покрытиями из золота или алюминия.

4. При выборе или конструировании отклоняющих систем необходимо учитывать возможность их нагрева вследствие поглощения излучения. При относительно небольших мощностях излучения, особенно в непрерывном режиме работы лазера, это может привести к термическим деформациям оптических деталей, к изменению их оптической силы и, следовательно, к изменению параметров сфокусированного пучка, а также к увеличению аберраций.

Фокусирующая система служит для создания необходимой плотности мощности на поверхности детали.

Система наблюдения служит для наблюдения, контроля и наведения излучения на обрабатываемую точку.

Существуют две основные схемы систем наблюдения:

1. Система наблюдения соосна с фокусирующей системой.

2. Система наблюдения расположена под углом к фокусирующей системе.

Соосная система выполняется путем соответствующей установки отклоняющих зеркал и призм, полупрозрачных зеркал или зеркал с отверстиями. Такая схема применена в системе наблюдения СОК-2, которой оснащены установки серий КВАНТ. Для точного наведения луча на место сварки в оптических системах с совмещенными фокусирующими объективами и микроскопом применяется сетка с перекрестием, обеспечивающим максимальную точность наведения. Соосные системы наблюдения применяются преимущественно для лазеров с длиной волны излучения в ближней инфракрасной области.

Помимо рассмотренных функций оптическая система может обеспечивать перемещение; расщепление; сканирование и модуляцию луча.

В большинстве случаев относительное перемещение детали и источника нагрева осуществляется за счет движения детали. Однако в случае высоких скоростей сварки и увеличенных габаритов деталей удобнее использовать систему перемещения луча. Это позволяет уменьшить массу подвижных узлов, что облегчает управление их перемещением, способствует повышению точности обработки.

Перемещение луча достигается следующими методами (рис. 2.2, а, б, б).

 

 

 

 

Рис. 2.2. Схема перемещения луча при неподвижной детали:

а — перемещение отклоняющего зеркала вдоль детали; б — колебания отклоняющего зеркала; в — круговое вращение системы зеркал

 

 

1. Использование системы подвижных зеркал, перемещаемых по соответствующим координатам.

2. При небольших перемещениях используют изменение угла наклона зеркала по отношению к оптической оси.

3. Для обеспечения кругового перемещения применяют систему вращения зеркала вместе с объективом. Если радиус окружности не превышает радиуса поля зрения объектива, то круговую траекторию движения фокального пятна можно получить путем смещения объектива и его вращения относительно оси луча.

Излучение на выходе из резонатора технологического лазера представляет собой пучок диаметром от нескольких миллиметров до десятков миллиметров и не обеспечивает высокой степени концентрации энергии и требуемого характера распределения плотности мощности. Для реализации высокопроизводительного процесса лазерной сварки применяют различные оптические системы преобразования параметров лазерного излучения.

Фокусирующие линзы и зеркала. С целью повышения плотности мощности лазерного излучения осуществляют его фокусировку. Для фокусировки применяется как прозрачная оптика проходного типа (линзы), так и отражательная металлооптика (зеркала).

Фокусирующие прозрачные линзы используются при малых мощностях лазерного излучения (до 1...3 кВт). При повышенных мощностях лазерного излучения все шире начинают использоваться зеркальные фокусирующие системы из металлооптики, обеспечивающие значительно больший срок службы. Зеркальные фокусирующие системы используются в виде одиночного фокусирующего зеркала или какого-либо варианта двухзеркального объектива Кассегрена.

Лазерная сварка с фокусировкой одиночным зеркалом может осуществляться, когда фокусирующее сферическое зеркало установлено под углом к оси падающего излучения. Может использоваться дополнительно плоское зеркало, которое необходимо при обработке крупногабаритных деталей. Если обрабатываемые детали имеют небольшие размеры, то лазерное излучение можно направлять непосредственно на фокусирующее сферическое зеркало (по траектории отраженного от плоского зеркала излучения). Также может использоваться плоское кольцевое зеркало, а фокусирующее сферическое зеркало установливаться соосно с падающии излучением. Эту метод фокусировки целесообразно использовать в тех случаях, когда лазерное излучение имеет кольцевое сечение.

Большими возможностями фокусировки мощного лазерного излучения для технологических целей обладают двухзеркальные объективы(рис.2.3)

 

 

Рис. 2.3. Классическая схема

объектива Кассегрена:

1 — параболоидальное зеркало;

2 — гиперболоидальное зерка-

ло; 3 — лазерный кольцевой

луч.

.

 

Объектив Кассегрена состоит из большого вогнутого параболоидального и малого выпуклого гиперболоидального зеркал и обладает хорошими фокусирующими свойствами для достижения высокой концентрации энергии лазерного излучения. Однако этот объектив для фокусировки лазерного излучения не применяется, так как имеет существенные недостатки:

1) когда внутренний диаметр кольцевого луча меньшедиаметра малого зеркала, происходит экранирование излучения малым зеркалом;

2) изготовление зеркальных поверхностей второго порядка весьма сложно, трудоемко и дорого;

3) на малом зеркале достигается высокая концентрация энергии излучения, что может вызывать тепловые деформации поверхности зеркала и ухудшение вследствие этого фокусирующих характеристик.

Зеркальная оптика для мощных технологических лазеров обычно изготавливается из чистой меди, обеспечивающей высокие значения коэффициентов отражения и теплопроводности.

Металлические зеркала изготавливают достаточно массивными и жесткими, чтобы они могли выдержать высокий уровень лазерного излучения и не допустили значительных тепловых деформаций поверхности зеркал.

Для снижения тепловых деформаций и повышения стойкости в лазерах большой мощности применяют искусственное охлаждение медных зеркал водой. Использование защитных и многослойных просветляющих покрытий позволяет увеличивать стойкость зеркал при хранении и эксплуатации.

Лазерное излучение сравнительно небольшой мощности (до 1...3 кВт) фокусируется обычно линзами из оптически прозрачных материалов.

Одним из наиболее широко распространенных технологических процессов в производстве является сварка. Сварка предназначена для получения неразъемных соединений и осуществляется локальным приложением различных видов энергии: электрической, механической, химической и др.

Лазерное излучение обеспечивает высокую концентрацию энергии, существенно превосходящую другие источники энергии, используемые для сварки. На рис. 3.4 приведены значения плотности мощности лазерного излучения, получаемого в оптических квантовых генераторах, часто называемых просто лазерами. Плотность мощности представляет собой отношение мощности источника к его площади и характеризует концентрацию источника нагрева. Из сопоставления лазерного источника нагрева с другими сварочными источниками следует, что лазерный луч на несколько порядков превосходит по концентрации остальные источники теплоты, используемые для сварки.

..,

 

Рис. 2.4. Концентрация энергии различных тепловых источников (плотности мощности):

ГП — газовое пламя; ДП — дуговая плазма; ЭЛ — электронный луч; ИР — искровой разряд; СД — сварочная дуга; ЛИ — лазерное излучение

 

Достаточно высокую концентрацию энергии также обеспечивает электронный луч, используемый в настоящее время для сварки ответственных конструкций. Электронно-лучевая сварка осуществляется в вакуумных камерах, что является в настоящее время необходимым условием устойчивого проведения процесса

Лазерная сварка в отличие от электронно-лучевой не требует вакуумных камер. Процесс лазерной сварки осуществляется в атмосфере воздуха либо в среде защитных нейтральных газов (Аг, Не), в среде углекислого газа (С0₂) и др. Поэтому создается возможность использования лазерной сварки для соединения элементов конструкций любых габаритов.

Особенностью лазерного излучения является возможность легкой его транспортировки. С помощью зеркальных оптических систем лазерный луч можно направлять в труднодоступные места, подавать на значительные расстояния без потерь энергии, одновременно или последовательно использовать на нескольких рабочих участках. Эти характерные особенности лазерного излучения создают возможность легкого и оперативного управления процессом лазерной сварки. К этому следует добавить простоту управления энергетическими характеристиками лазерного излучения.

В отличие от электронного луча, дуги и плазмы на лазерный луч не влияют магнитные поля свариваемых деталей и технологической оснастки, что позволяет получать устойчивое качественное формирование сварного шва по всей длине.

Для сварки металлов используются твердотельные и газовые лазеры. Различают технологические лазеры импульсно-периодического и непрерывного действия.

Из твердотельных лазеров для сварки применяют лазеры на рубине (в качестве твердого активного элемента в нем использованы стержни из кристалла искусственного рубина). Эти лазеры генерируют обычно импульсно-периодическое излучение на длине волны l= 0,69 мкм с длительностью импульсов t @ 10^-3... 10^-9 с,

Более высокими значениями мощности отличаются твердотельные лазеры с активным элементом в виде стержней из стекла с примесью неодима.Эти лазеры способны генерировать большую энергию в десятки джоулей.

Большими технологическими возможностями отличаются твердотельные лазеры с активным элементом из иттрий-алюминиевого граната с добавкой неодима. Эти лазеры могут генерировать излучение не только в импульсно-периодическом, но и в непрерывном режиме на длине волны излучения l= 1,06 мкм.

Большую перспективу для лазерной сварки представляют газовые лазеры, в которых в качестве активной среды используется диоксид углерода С02. Эти лазеры способны развивать в настоящее время среднюю мощность от нескольких сотен ватт до десятков киловатт в непрерывном и импульсно-периодическом режимах генерации излучения с длиной волны l = 10,6 мкм. В этих лазерах достигается достаточно высокий КПД преобразования электрической энергии в энергию излучения (10...20% и более).

Лазерное излучение является когерентным, монохроматичным, обеспечивающим малую расходимость и, следовательно, имеет возможность высокой степени фокусировки для достижения больших значений концентрации энергии излучения. Благодаря этому на поверхности материала, обрабатываемого сфокусированным лазерным излучением, происходит локальный нагрев. При этом обеспечиваются высокие скорости нагрева и охлаждения, существенно превосходящие эти параметры при тради-ционных методах теплового воздействия, малый объем расплавленного металла, весьма незначительные размеры околошовной зоны термического влияния. Эти особенности теплового воздействия предопределяют специфику физико-химических и металлургических процессов в металлах при лазерной сварке и характерные свойства полученных сварных соединений.

Распространение теплоты при лазерной сварке подчиняется законам теплопроводности. Для возможности анализа тепловых процессов на основе теории теплопроводности в первую очередь необходимо соответствующим образом задать тепловой источник в месте воздействия лазерного излучения. Это можно выполнить с учетом специфических особенностей взаимодействия лазерного излучения с металлами при сварке.

Лазерное излучение, направленное на поверхность материала, частично отражается от поверхности, а частично поглощается материалом. Вследствие поглощения излучения в обрабатываемом материале начинает действовать интенсивный источник теплоты.

По энерговкладу в единицу объема обрабатываемого материала лазерная сварка занимает промежуточное положение между поверхностной термообработкой и резкой. Характер и интенсивность воздействия в первую очередь зависят от плотности мощности лазерного излучения Е (Вт/м²) в зоне обработки, определяемой отношением мощности лазерного излучения Р (Вт) к площади пятна, сфокусированного на поверхности лазерного излучения.

При уровнях Е @10⁸...10⁹ Вт/м² происходит активный локальный разогрев материала, при котором не наблюдается заметного испарения или разрушения материала. Такие источники нагрева используются для термообработки, наплавки, легирования и сварки металлов небольшой толщины 0,5...1,0 мм.

Следует ввести в рассмотрение понятие пороговой плотности мощности Е*, определяющее условие нагрева металла без разрушения. Характерный уровень Е*, с превышением которого начинается активное испарение и разрушение, для большинства металлов составляет 10⁹...10¹¹ Вт/м² в зависимости от теплоты испарения, теплопроводности и длительности нагрева. При значительном превышении плотности мощности Е над пороговой плотностью мощности Е* основная доля энергии лазерного излучения расходуется на интенсивное испарение материала и увеличение внутренней энергии разлетающихся паров, капель и твердых частиц, а энергия, затрачиваемая на плавление металла, относительно мала. Соответственно жидкая фаза в зоне обработки практически отсутствует, и сварка в столь жестком режиме оказывается невозможной.

Снижение плотности мощности до Е@10⁹... 10¹⁰ Вт/м² приводит к увеличению доли жидкой фазы в зоне обработки; происходит интенсивное проплавление, называемое «кинжальным». При перемещении лазерного луча расплавленный металл под действием давления паров и вследствие разности сил поверхностного натяжения в центральной и хвостовой частях сварочной ванны оттесняется в хвостовую часть ванны. При кристаллизации расплавленного металла образуется шов.

Распределение энергии лазерного излучения при сварке в общем случае установившегося режима проплавления можно представить в виде схематизированного изображения на рис. 2.5 (по данным О.А.Величко и др.).

 

 

 

Рис. 2.5. Схема энергозатрат в установившемся режиме проплавления металла сфокусированным лазерным пучком:

/ — сфокусированный луч лазера;

2 — основной металл; 3 — кратер (парогазовая каверна); 4 — жидкий металл; 5— переплавленный металл (сварной шов); 6— плазменный факел.

 

 

Здесь Qл — энергия сфокусированного лазерного луча в зоне обработки; Qф — энергия, поглощенная в объеме плазменно-парового факела внутри и над поверхностью кратера (высокотемпературная плазма возникает вследствие ионизации парогазовой среды концентрированным потоком энергии лазерного излучения); энергия, рассеиваемая в окружающую среду излучением из плазменного факела; Qотр — энергия лазерного излучения, отраженная от плоской поверхности основного металла и от дна кратера; Qразр — полная энергия продуктов разрушения, уносимая реактивной парогазовой струёй; Qв — полное теплосодержание жидкого металла в сварочной ванне; Отп — энергия, отводимая теплопроводностью в глубь основного и переплавленного металла.

Эффективность процесса сварки принято характеризовать значением эффективного КПД h_и, представляющим отношение энергии или мощности, поглощенной металлом при сварке, к энергии или мощности, подводимой к свариваемым деталям.

Таким образом, независимо от абсолютного уровня мощности существует область оптимальных режимов сварки в диапазоне 20...40 мм/с, обеспечивающих высокий уровень эффективности расплавления в сочетании с высокой производительностью. Достигаемые при этом значения термического КПД на уровне h_t= 0,35...0,40 значительно превосходят значения, полученные при традиционных способах дуговой сварки, не превышающие, как правило, 0,18...0,22.

 

Распространение теплоты в материале при сварке описывается по законам теплопроводности. В общем случае изменение температуры произвольной точки твердого тела во времени определяется нелинейным дифференциальным уравнением теплопроводности в частных производных, аналитическое решение которого затруднительно. При введении условия независимости теплофизических свойств материала от температуры дифференциальное уравнение сводится к упрощенному лине