После окончания воздействия излучения (t) распределение темпера- туры определяется зависимостью
, 0
ierfc
ierfc
2 2
Н
x x
T x t T T t t
at a t
, (5.2) где T0 – температура поверхности в момент окончания воздействия излуче- ния. Выражение (5.2) позволяет определить скорость остывания материала.
Закалка может производиться как в твердой фазе, T Tпл, так и через расплав, при T Tпл (Tпл – температура плавления материала). Глубина зака- ленного слоя в первом случае hТ ограничена нагреванием поверхности до Tпл, а во втором, hЖ – до Tкип, таким образом, hЖ hТ. Однако при закалке в твердой фазе сохраняется исходное качество поверхности детали, а при за- калке из жидкой фазы оно ухудшается из-за конвекции и действия давления отдачи.
Возможна еще одна разновидность лазерной закалки – ударная закалка.
Она происходит при лазерном испарении с поверхности обрабатываемой де- тали предварительно нанесенного тонкого слоя материала, имеющего низкую температуру испарения, за счет ударного воздействия давления отдачи паров на нагретый материал.
Другим направлением лазерной термообработки является лазерное ле- гирование поверхности с целью повышения ее твердости. При этом на обра- батываемую поверхность наносится порошок, содержащий легирующие при- садки, а затем производится облучение поверхности. В результате происхо- дит механическое перемешивание расплавленного порошка и основного ма- териала в тонком приповерхностном слое под действием гидродинамических сил и температурных градиентов или диффузное распространение с образо- ванием твердого раствора.
5.2. Лазерная сварка
Метод лазерной сварки обладает важными преимуществами по сравне- нию с большинством других способов сварки.
Высокая плотность мощности излучения обеспечивает возможность сваривания тугоплавких материалов (вольфрам, тантал, молибден) и матери- алов, обладающих большой теплопроводностью (медь, серебро). Кратковре- менность и локальность лазерного воздействия позволяют сваривать детали малой толщины ( 10 мкм) и малых размеров при незначительном термиче- ском воздействии на соседние участки. Большое значение имеют бесконтакт- ность воздействия и возможность сварки в прозрачной газовой или жидкой среде.
Плавление под действием лазерного излучения представляет основной процесс, лежащий в основе лазерной сварки. При этом возможность сварки определяется, в первую очередь, используемыми материалами. Если матери-
алы пригодны для лазерной сварки, то для обеспечения хорошего сварного соединения необходимо создать условия, при которых происходило бы опе- режающее плавление свариваемой детали больших размеров относительно плавления свариваемой детали меньших размеров.
При лазерной сварке металлов световое пятно, получаемое на поверхно- сти свариваемых деталей при фокусировке излучения, является поверхност- ным источником нагрева, т.к. излучение поглощается тонким поверхностным слоем толщиной в несколько сотых долей микрона. При значениях плотности мощности излучения, недостаточных для интенсивного испарения (q105 106 Вт/см2 при длительностях воздействия ~ 10-3с – 10-2 с) пере- дача тепла в глубину свариваемых материалов осуществляется в основном за счет теплопроводности. При этом (теплопроводностный режим, рисунок 5.1, а) форма зоны проплавления близка к шаровому сегменту.
а)
б)
в)
Рисунок 5.1. Режимы лазерной сварки: а) теплопроводностный режим, б) сварка с прогибом, в) режим кинжального проплавления
Если плотность мощности излучения достаточна для испарения матери- ала с поверхности образца (что обычно наблюдается при лазерной сварке), поверхность сварочной ванны прогибается под действием давления пара.
При относительно малой плотности мощности излучения поверхностное натяжение расплавленного металла превышает силу давления паров, что препятствует выплеску расплава, т.е.
2 отд
пл
P P
h
, (5.3)
где P – давление поверхностного натяжения, Pотд – давление отдачи при ис- парении, – коэффициент поверхностного натяжения, hпл – толщина рас- плавленного слоя, hпл 2– радиус кривизны на краю зоны расплава. При этом после окончания воздействия излучения расплавленный металл заполняет образовавшееся углубление, но глубина проплавления увеличивается по сравнению с нагревом без заметного испарения. Форма зоны проплавления близка к конической (сварка с прогибом – рисунок 5.1, б).
При увеличении плотности мощности излучения до величины q 5106 – 5107 Вт/см2 в сварочной ванне образуется узкое глубокое отверстие, металл из которого частично испаряется, частично вытесняется к периферии зоны воздействия давлением паров. При этом после окончания воздействия излу- чения отверстие заполняется расплавом из периферийной части области воз- действия, где интенсивность излучения была недостаточна для испарения расплава (режим кинжального, или глубокого проплавления, рисунок 5.1, в).
Оценка глубины проплавления при сварке в отсутствии испарения мо- жет быть получена из решения краевой задачи теплопроводности одномерно- го нагрева материала (5.1).
Существуют следующие разновидности сварки: точечная и шовная. То- чечная лазерная сварка эффективно применяется в микроэлектронной техно- логии на операциях сварки проводов, приварки проволок к контактным пло- щадкам и тонким пленкам, сварки тонких пластин. Шовная лазерная сварка производится с помощью лазеров, работающих в непрерывном режиме и в импульсно-частотном режиме методом перекрытия зон воздействия.
Скорость шовной импульсной сварки определяется диаметром сварных точек d, коэффициентом их перекрытия p и частотой следования импульсов fи:
1
V f dи p . (5.4)
При заданном коэффициенте перекрытия, от которого зависит качество шва, увеличение скорости сварки может быть достигнуто за счет увеличения диаметра светового пятна или его вытягивания в направлении шва. Из-за ограничений, налагаемых теплопроводностью, высокие скорости сварки воз- можны лишь для тонких деталей.
Примеры решения задач
Задача 5.1. Оценить скорость нагрева и охлаждения при лазерной импульс- ной закалке стали.
Решение
Выражение для скорости нагрева можно получить дифференцированием по времени уравнения (5.1):
, 0
1
ierfc erfc
2 2 2
T x t q R a x x x
t k t a a a
.
На поверхности (при x = 0) эта зависимость имеет вид
0, 0
1
T t q R a
t k t
.
Для оценки скорости нагрева при закалке стали введем величину T0 – темпе- ратура поверхности в момент окончания воздействия, которая изменяется в пределах от Tзак до Tпл и определяется следующим выражением:
0 , 0
2 1
t x
q R a
T k
.
В итоге получаем:
0, 02
T t T
t t
.
Оценим скорость нагрева при t 103 с; Tзак 850 C, Tпл 1500 C для ста-
ли: 5 К
0, 5 К5,6 10 8,8 10
с с
T t
.
Для нахождения скорости охлаждения воспользуемся формулой (5.2) для распределения температуры после окончания воздействия излучения:
, 0
ierfc
ierfc
2 2
Н
x x
T x t T T t t
at a t
,
где T0 – температура поверхности в момент окончания воздействия излуче- ния, t – время, отсчитываемое с начала облучения.
Производная по времени T
t
от этого выражения имеет вид
0
0
, 1
ierfc erfc
2 2 2 4
1 ierfc erfc .
2 2 2 4
Н
Н
T x t x x x
T T
t t at at t a
x x x
T T
t a t a t t a
На поверхности (x = 0) получаем:
0, 0
1 1 2 .T TН
T t
t t t
Оценим скорость охлаждения поверхности при t 2 :
0
1 01 0,146
2 2
Н Н
T T
T T T
t
,
тогда, в зависимости от величины T0 (Tзак T0 Tкип), скорость охлаждения поверхности изменяется в пределах
5К 0;2 5 К
2,6 10 1,6 10
с с
T t
.
Задача 5.2. Определить диапазон допустимых значений плотности мощности излучения для сварки «встык» двух пластин из фольги из золота и хрома толщиной 0,1 мм излучением Nd:YAG-лазера ( 104 с). Считать, что до начала расплавления одной из пластин они теплоизолированы друг от друга, после чего температуры пластин в облученной области равны. Облученная область симметрична относительно сварного шва.
Решение
Для образования сварного соединения необходимо, чтобы оба металла до- стигли температуры плавления, но не начали испаряться. Плотность мощно- сти излучения, необходимую для нагревания каждого из металлов до темпе- ратуры T в течение импульса излучения в условиях отсутствия их теплового контакта, определим из уравнения баланса энергий в расчете на единицу площади облученной области:
0 Н
q A
ch T T . Отсюда
0
ch T TН
q A
.
Вычисления показывают, что для Cr достижение температуры плавления требует плотности мощности излучения q0 1,47 10 6 Вт/см2, для золота, по причине высокого коэффициента отражения, много больше –
6 0 12,9 10
q Вт/см2. Таким образом, при q0 1,47 10 6 Вт/см2 происходит плавление фольги Cr в облученной области. После этого будем считать тем- пературу обоих металлов в облученной области одинаковой. Уравнение ба- ланса энергий при этом имеет вид
0 Cr Au Cr Cr Au Au Н
q A A
c
c h T T . Отсюда
Cr Cr Au Au
0
Cr Au
c c h T TН
q A A
.
Диапазон допустимых значений плотности мощности излучения определим следующим образом:
0 Cr 0 Au
0
0
Cr
0 Au
max q Tпл ,q Tпл q min q Tкип ,q Tкип . Подставив численные значения, получим:
6 2 6 2
2,4 10 Вт см q0 3,34 10 Вт см . ЗАДАЧИ 1-го УРОВНЯ
1. Предложить материал пленки для осуществления лазерного термоме- ханического упрочнения стали в твердой фазе путем испарения нанесенной
на поверхность пленки. Оценить диапазон значений плотности мощности из- лучения и рассчитать толщину пленки.
2. Определить максимальную скорость сварки стальных изделий излу- чением непрерывного СО2-лазера мощностью 1 кВт при радиусе пятна облу- чения на поверхности 0,5 мм.
3. Вывести закон изменения плотности мощности лазерного излучения по мере смещения сварочной ванны вниз (прогиб и проплавление), вверх (тепловое расширение).
ЗАДАЧИ 2-го УРОВНЯ
4. Рассчитать глубину термоупрочненного слоя для стали четырьмя спо- собами и сравнить с максимальной глубиной изотермической закалки:
1) аналитически из выражения (5.1) при условии Tпов Tпл, температура закалки Tзак 0,5Tпл;
2) как h
a (найти коэффициент );3) графически из выражения (5.1);
4) из энергетических соображений, считая, что вся мощность идет на нагрев термоупрочненного слоя (в пренебрежении теплопроводностью).
5. Найти глубину расплавленного слоя при лазерной сварке Al четырьмя способами (см. задачу 4).
6. Проанализировать влияние малых вертикальных перемещений рас- плавленной поверхности сварочной ванны на стабильность процесса про- плавления при фокусировке излучения на поверхности. Нагревание осу- ществляется лазером на Nd:YAG мощностью P = 100 Вт, диаметр пучка ла- зерного излучения d = 6 мм, расходимость = 510-3 рад, фокусное расстоя- ние используемой линзы f = 50 см.
7. Используя значения поглощенной плотности мощности qA, давления отдачи Pотд, давления поверхностного натяжения Pпов, привести оценки гра- ниц режимов сварки: теплопроводностного, с прогибом, глубокого проплав- ления; оценить толщину слоя расплава.
8. Определить, как зависит диапазон допустимых значений плотности мощности излучения для сварки «встык» двух пластин из алюминия и хрома излучением Nd:YAG-лазера от положения облученной области. Толщина пластин 0,1 мм. Считать, что до начала плавления одной из пластин они теп- лоизолированы друг от друга, после чего температуры пластин в облученной области равны.
9. По оптимальному временному ходу температуры при импульсной сварке (рисунок 5.2) (минимальное значение t0, постоянная Tпл в течение им- пульса) определить требуемую зависимость мощности лазерного импульса от
времени и предложить пути ее реализации. При решении задачи использо- вать метод преобразования Лапласа.
Рисунок 5.2. Оптимальная зависимость температуры от времени при лазерной импульсной сварке
10. Провести анализ процесса приварки часовой пружины ко дну корпу- са. Разработать расчетные схемы, определить критерии сварки.
11. Провести анализ процесса сварки зубных протезов. Разработать рас- четные схемы, определить критерии сварки.
12. Провести анализ процесса герметизации корпусов микроприборов.
Разработать расчетные схемы, определить критерии сварки.
13. Провести анализ процесса приварки обмотки к статору электродви- гателя. Разработать расчетные схемы, определить критерии сварки.
14. Провести анализ процесса приварки сетчатки к глазному дну. Разра- ботать расчетные схемы, определить критерии сварки.