МПК (2009) B23K 26/16

Этезад Cейедали

Национальный технический университет Украины «КПИ», Украина

Способ снижения негативного влияния плазмы на качество швa при лазерной сварке

Этот способ относится к машиностроению, а именно к сварке производству предприятий и может быть использована для уменьшения объема литого металла швов, снижения сварочных деформаций, повышения скорости сварки и создания условий, при которых плотность мощности остается постоянной по глубине сварочной ванны.

Способ создания условий снижения рефракции, которая возникает при взаимодействии луча из при поверхностной плазмой и плазмой каверны, которая экранизирует лазерное излучение. Это увеличивает эффективность проплавливания, улучшает качества и эксплуатационные свойства сварных швов на стадии их формирования и уменьшает дефекты в швах.

Известный способ снижения негативного влияния плазмы предложен при применении сниженного давления, когда порог пробоя достаточно большой уравнен с давлением в воздухе, или введением дополнительного потока газа, который направлен непосредственно в зону расплавленного металла недостатки этого способа в том, что первый нуждается в построении вакуумных камер для сварки, во втором действует повышенное давление отдельно направленного потока газа, что повышают расходы на производство.

Известен также способ предложенный при исследовании поведения плазмы, образованной во время лазерной сварки металлов, при разных значениях мощности лазерного излучения, скорости сварки, толщины свариваемого металла, затраты защитного газа. На основании результатов исследовал предложенные пути использования короткофокусных объективов, повышения скорости сварки, расходов защитного газа или здуват плазменный факел специальной струей дополнительного газа, который снижает энергетические показатели плазмы и помогать эффективному просветленню плазмы и кинжальному проплавливанию. Плазмообразование при лазерной сварливое с глубоким проплавленным.

Наиболее близким к полезной модели за технической сутью и достигнутому эффекту принят за ближайший аналог способ лазерно-дугового сварка. Общий эффект взаимодействия лазерно-дугового сварка более высокой, за сумму эффектов взаимодействия каждого источника независимо друг от друга. При взаимодействии дуги и лазерного излучения электрическая мощность поступает в мишень, когда дуга опирается на площадь нагрева лазером. Таким образом электрическая энергия эффективно подводится к ионизированному материалу в канале глубокого проплавление.

Основной недостаток известного способа заключается в том, что лазерное излучение и электрическая энергия подводятся по бокам ванны расплава шва, и с повышением толщины металла энергия лазера преобладает и становится основным источником.

В основу полезной модели поставленная задача снижения негативного влияния плазмы на качество шву при лазерной сварке за счет ускоряющего напряжения между электродами - корпус линзы и сварочный металл на плазменный факел. какой является преградой прохождения лазерного излучения. Поставленная задача решается тем, что в способе снижения негативного влияния плазмы на качество шву при лазерной сварке, которая включает образование электрического поля между корпусом фокусирующего устройства и обрабатываемым металлом. Одновременно с образованием канала глубокого проплавление на поверхности металла появляется пылающий факел образованный из продуктов испарений и выбросов а также частей конденцьованоы пары. При определенных условиях этот факел может снизит излучения, сфокусированного на поверхность образца, в следствии поглощения и дефокусировки излучения. Вместе с тем, для сварки сталей толщиной более 10 мм видная принципиальная важность повышения интенсивности лазерного излучения. При мощности излучения 2-10 кВт интенсивность излучения растет, что приводит к росту концентрации электронов в плазме, ее распространению в направлении навстречу променю и повышению температуры. Это вызывает повышение размера коэффициента поглощения плазмой лазерного излучения и повышения угла отклонения лучей через рефракцию. В то же время температура плазмы каверны над поверхностью на расстоянии 1 мм достигает 11 10³ - 15 10³ К. Степень отражения или прозрачность зависит от толщины факела. Распределение концентрации электронов ne по высоте плазмы в периферийных зонах и их максимальное значение 3. 10¹⁶ см^-3 . В основу полезной модели поставленная задача влиять электрическим полем при лазерной сварке для уменьшения условий распространения плазменного фронта по направлению підводу лазерной энергии, путем использования дополнительных источников питания - выпрямителя с исходным напряжением 200-220 В.

Температура плазмы при сварке в при осевых зонах созревает ~14 103 К, а в периферийных зона - ~7,5 10³ К при чем такая температура наблюдается на отдаленных ~10 мм от сварочной каверны. В плазме всегда находятся такие электроны и ионы, которые под действием электрического поля ускоренного напряжения источника питания имеют скорость v ~ 6 10⁶ м/с, электронов, которые пройшли электрическое поле с ускоренным напряжением U ~100 В. Во время когда при действии лазерного излучения металл достигает температур кипения в его легко ионизирующих парах возникает ток. Область, которая примыкает к катоду и аноду это промежуток по которому проходить ток.

Такой контроль за условиями распространения плазменного фронта навстречу лазерному лучу благодаря использованию регулируемого по напряжению источника питания постоянного тока дает возможность плазменному фронту придать подвижность, то есть превратить в постоянный ток.

Таким образом, с помощью выбора напряженности электрического поля можно обеспечить снижение влияния плазмы на эффективность проплавливания металла при сварке. Источник постоянного тока дает возможность менять полярность подключения электродов, а это в свою очередь меняет направление тока. На аноде почти отсутствующая ионизация и нет позитивных ионов потому электроны, образованные в каверне сварочной ванны, притягиваясь к аноду, резко увеличивают скорость своего движения и созревая аноду тормозят и нейтрализуются. При торможении электронов выделяется вся приобретенная ими кинетическая энергия за счет анодного падения напряжения.

Резкое понижение количества электронов на осе каверны, а также и в периферийных зона приводит к просвітлення плазмы по каналу каверны. Лазерное излучение практически без потерь на поглощение в плазме проходить по каверне и вся энергия излучения тратится на плавление металла. В то же время уменьшение количества электронов на осе каверны приводит к отклонению траектории лучей к оси каверны, то есть к фокусировке лазерного излучения. Данное взаимодействие лазерного излучения с плазмой над поверхностью и в каверне уменьшает изменение диаметра каверны во времени, которая объясняется расширением и сужением при изменении диаметра каверны от периодических выбросов жидкого металла из стенок каверны в сварочную ванну.

Схема лабораторной установки лазерной сварки

1 - металл,2 - лазерный пучок,3 - фокусирующая линза,4 - сопло с потоком защитного газа,5 - подача защитного газа,6 - парогазовый канал в металле,7 - жидкий металл шва,8 - плазма (приповерхностная и каверны), 9 – твердый металл шва.10-катод 11-анод 12-выпрямитель