8 800 301-35-45
8 495 781-35-45
info@s-laser.ru
цены
 
   
       
ГлавнаяСтатьи Добавить сайт в избранное
 
 
  • Услуги
  • Продукция

Статьи, посвященные лазерной резке

 
С Днем России!  
09.06.2017
Пусть этот светлый, радостный день запомнится каждому яркими событиями, праздничными салютами и, конечно же, чувством патриотизма!
подробнее...
Поздравляем с 9 мая!
 04.05.2017
В преддверии этого великого праздника, прежде всего, хочется сказать спасибо нашим дорогим ветеранам за Победу!
подробнее...
Карта сайта

Гидродинамические явления при лазерной сварке с каналированным проникновением излучения

В данной статье дан обзор состояния экспериментальных исследований и теоретических разработок физических моделей процесса глубокого проплавления с каналированным проникновением лазерного излучения в материал при лазерной сварке (ЛС). Делается вывод о том, что современный уровень понимания процесса ЛС в значительной мере феноменологичен - необходимо развитие динамической релаксационной модели ЛС с учетом гидродинамических неустойчивостей расплава, в частности, движущихся ступенек расплава; периодического выдавливания слоя расплава с передней стенки; гофрового капиллярного коллапса. Рассматриваются также движения расплава, вызванные термокапиллярными и капиллярными силами; систематизируются виды микронеустойчивостей и капиллярных интенсивностью -104—10' Вт/см., характерной для ЛС. Выдвигается гипотеза о том, что нелинейная стадия развития некоторых микронеустойчивостей приводит к появлению микрокапель в объеме парогазового канала, испарение которых должно приводить к всплескам давления паров, что может объяснить релаксационные режимы переноса расплава.

Понимание фундаментального механизма ЛС необходимо для того, чтобы предложить пути улучшения применения этого процесса в индустрии, а также для расширения диапазона его режимов. Раскрытие физического механизма ЛС с глубоким проплавлением (точнее, с каналированным проникновением излучения в материал) улучшит понимание механизмов других процессов с интенсивными потоками энергии (лазерная резка и наплавка, электронно-лучевая обработка, электродуговая сварка).

Преобладающий ныне феноменологический подход и применение метода проб и ошибок при отработке технологических процессов лазерной резки материалов вызваны недостаточной изученностью физических моделей этих процессов и требуют больших затрат времени и других ресурсов на проведение экспериментов. При наличии адекватных физических моделей процессов эти затраты всегда снижаются, хотя необходимость контрольных экспериментов всегда остается ввиду большой сложности процессов и невозможности учесть все физические, физикохимические и материаловедческие факторы.

Объектами рассмотрения в настоящем исследовании процесса глубокого ("кинжального") проплавления материала при лазерном воздействии являются ванна расплава (ВР) с пронизывающим ее парогазовым каналом (ПГК) ("key-hole"). Комплекс физических явлений, сопровождающих процессы образования и существования ВР и ПГК весьма разнообразен и включает в себя явления, относящиеся к изготовлению металлических корпусов, металлооптике, теплопередаче, гидродинамике, нелинейным колебаниям, фазовым переходам в газе, в жидкости и в твердом теле. Можно думать, что объект ВР—ПГК по сложности происходящих в нем процессов не уступает, например, таким физическим (естественным или техническим) объектам, как торнадо; шаровая молния; электрический разряд в потоке газа; камера сгорания ракетного двигателя. Применяемая нами методология исследования проблемы состоит в создании качественных оценочных моделей процесса, учитывающих лишь преобладающие физические факторы для каждого диапазона условий.

Пояснить главные тенденции влияния управляющих параметров процесса ЛС на характер ожидаемых явлений. Это вызвано необычайной сложностью процесса, ввиду неопределенности внутренних условий в ПГК неочевидно, что результаты, полученные с применением сложного математического аппарата, дадут большее понимание, нежели грубое приближение. Для этой цели достаточны оценки по порядку величины. Более реалис­тичная постановка задачи значительно усложняет анализ и вуалирует исследуемые принципиальные вопросы — она лишь явля­ется развитием решения проблемы, кото­рое может понадобиться в дальнейшем". Мы не ставили целью рассматривать всю совокупность факторов и явлений при ЛС; в частности, оставлены в стороне вопросы физикохимии расплава и фазовых переходов (явления кристаллизации, фазовые превращения в твердом состоянии и т.д.) и оптических явлений при поглощении излучения стенками ПГК и приповерхностной плазмой. Не являлось также целью создание аналитических или численных моделей процессов, разработка различных технологических изобретений (например, формирование геометрии пятна облучения, специального временного хода интенсивности, о рганизация обратной связи между параметрами процесса и лазерного пучка с целью адаптивного управления процессом и т.п.).

Данная статья имела перед собой следующие цели:

1) Приблизиться к качественному пониманию фундаментальных механизмов образования и существования ВР и ПГК, прежде всего — равновесия стенок ПГК с паром и переноса расплава с передней стенки ПГК в ванну расплава при ЛС. В литературе представлено множество моделей этих объектов, включая стационарные модели—термокапиллярную и гидростатическую, а также и нестационарную релаксационно-динамическую модель. Стационарные модели не учитывают динамического характера равновесия расплава и его течений вокруг ПГК; нестационарная модель не раскрывает механизма "взрывных" всплесков давления, сопутствующих неустойчивостей поверхности расплава и возможности образования микрокапель в объеме ПГК. Ставится целью выяснить роль микронеустойчивостей поверхности расплава и колебаний ВР в целом, явлений образования капель расплава и их испарения, относительную роль сил поверхностного натяжения и термокапиллярных сил, выяснить гидродинамические механизмы течений расплава и его равновесия.

2) Прикладной целью является создание качественной оценочной модели процессов лазерной сварки (ЛС), позволяющей делать прогноз технологического качества процесса в разных материалах, то есть возможного диапазона параметров процесса, возможности образования дефектов в объеме и на поверхностях шва; в литературе имеются варианты оценочных и численных моделей ЛС, но лишь в редких случаях обсуждаются отдельные аспекты неустойчивостей и нестабильностей, приводящих к дефектам процесса.

3) Внести вклад в создание "интерфейса" между информацией, созданной трудами научных школ, изучавших физические явления при взаимодействии интенсивного лазерного излучения с поверхностью конденсированной среды, и между информацией, созданной в трудах инженеров-технологов по созданию прикладных моделей процессов обработки материалов. Следует отметить, что в исследованиях советских и российских групп наработан большой объем теоретической информации по физике воздействия лазерного излучения на вещество, практически не востребованный в исследованиях разработчиков прикладных моделей.