Изменение коэффициента отражения свариваемого материала может происходить как по мере продвижения лазерного пучка по поверхности материала, так и в течение импульса воздействия.

Результат воздействия лазерного излучения на металл в значи­тельной мере определяется исходным состоянием поверхности. Так, например, по осциллограммам изменения Рз и Рд можно опреде­лить время плавления металла. Плавление металла с шероховатой поверхностью происходит раньше, чем плавление металла с глад­кой поверхностью. Сварка образцов с шероховатой поверхностью в режиме облучения, соответствующего режиму нормального плав­ления металла с гладкой поверхностью, приводит к сильным выпле­скам и испарению металла.

Из практики также известно, что существенное различие в ре­зультатах сварки может наблюдаться при получении стыковых соединений. Участки стыка металлов, имеющие небольшой за­зор или скосы кромок, расплавляются иа большую глубину и имеют сравнительно больший кратер, чем участки с хорошо пригнанными кромками.

Основная причина нестабильной лазерной сварки метал­лов, даже при условии стабильных параметров излучения, за­ключается в нерегулируемом изменении энерговложения, вызван­ном изменением оптических свойств поверхности облучения.

Оценить влияние флуктуаций коэффициента R на характер процесса нагрева можно с помощью уравнения, описывающего из­менение скорости нагрева va на поверхности металла’ в связи с изменением коэффициента отражения R:

Аи„ = дл У ah A R/[k У % (1 —/?)]. (58)

Анализ уравнения (58) показывает, что для металлов, облада­ющих высоким значением R, даже небольшие его изменения при­водят к значительным изменениям скорости нагрева, что, в конеч­ном итоге, обусловливает нестабильность температуры ка поверх­ности металла и певоспропзводимость процесса сварки.

Одним из способов повышения стабильности процессов лазер­ной сварки металлов является способ сварки с возвратом отражен­ного излучения. В этом случае уменьшение или увеличение доли поглощаемого излучения приводит к обратному изменению доли излучения, отражаемого и возвращаемого в зону сварки. Иначе говоря, процесс лазерной сварки с возвратом отраженного излуче­ния при изменении оптических свойств материала обладает само­регулированием.

Нестабильность энерговложения лазерного излучения в обра­батываемый металл при осуществлении возврата отраженного из­лучения можно характеризовать коэффициентом нестабильности

Т=А Е/Е, (59)

где АЕ — изменение энергии, вводимой в металл, обусловленное изменением коэффициента отражения R.

Используя выражение (53) при определим приращение

энергии АЕ:

AE=dE/dRAR = Ел (-k)AR/(—Rk)2. (60)

Подставляя (60) и (53) при в уравнение (58), получим вы­ражение, связывающее коэффициент у с оптическими характери­стиками свариваемого материала и системы возврата:

т=(1— k)ARt{-Rk)(—R) (61)

Подпись: Рнс. 17. Зависимость коэффи-циента (нестабильности от оп-тических свойств зоны сварки и устройства возврата Для иллюстрации возможности саморегулирования режима сварки металлов при возврате отраженного излучения на рис. 17 приведены за­висимости 7 от R, рассчитанные для AR=0, и различных значений к.

Даже при относительно больших потерях отраженного излучения (/г = 0,9) стабильность энерговло — жения с возвратом пучка намного выше, чем при-сварке с однократ­ным воздействием излучения (/г=0).

Экспериментальное подтвержде­ние процесса саморегулирования демонстрирует рис. 18, на котором показан внешний вид мельхиоровой пластины с двумя участками плав­ления, различающихся коэффициен­тами отражения (AR=0,1 — т-0,15). Участки плавления, обозначен­ные на рисунке цифрой 1, соответствуют проплавлению пластины без возврата отраженного излучения. Участки, обозначенные циф­рой 2, демонстрируют результат проплавления с возвратом отра­женного излучения, осуществляемого зеркальной полусферой. Из­менение оптических свойств поверхности в исходном (до облуче­ния) состоянии практически не влияет на проплавление пластины при сварке с возвратом отраженного излучения.

image703

Рис. 18. Внешний вид участков плавления мельхиоровой пластины при однократном и многократном воздействии излучения. Справа от штриховой линии — участок очи — щейной поверхности