Среди известных способов снижения энергозатрат на лазер­ную сварку металлов сварка с многократным возвратом отражен­ного излучения обладает рядом существенных преимуществ: по­зволяет увеличить КПД сварки в 2—10 раз; относительно проста в реализации; обеспечивает саморегуляцию режима сварки; не требует дополнительных энергозатрат; применима как для импуль­сной, так и для непрерывной сварки,

Рассмотрим эффективный КПД лазерной сварки металлов при возврате отраженного излучения. Выражение для энергии, вводи­мой в металл при п-кратном возврате, имеет следующий вид:

£я=0—R) (EA+EaRk+ . . +£„№) =

=ЕЛ (1-R) [1- (W+1]/(l-/tt), (52)

где Ел — энергия лазерного излучения; R — средний за импульс коэффициент отражения металла; (1-й) — коэффициент потерь отраженного излучения в системе возврата.

Увеличение ввода энергии лазерного излучения в металл мож­но характеризовать эффективным КПД лазерной сварки г|п, равным отношению поглощенной металлом энергии излучения при «-кратном возврате к энергии лазерного излучения Ел. В соответ­ствии с (52) выражение для т)7! имеет вид

4in=E„iEn = {-R)\-{Rk)n+’H-Rk). (53)

Эффективность использования отраженного излучения можно характеризовать также коэффициентом бп, равным отношению энергии Еп, поглощенной металлом при п возвратах отраженного излучения, к энергии £0, поглощенной при однократном (первич­ном) воздействии излучения:

в„=£•„/£„=[ 1—/?*)"+’ J/( 1—/?fe) = v(l-tf)’ (54)

При разработке конкретных схем возврата для сварки матери­ала с известными характеристиками отражения важно знать эф­фективное число возвратов, при котором используется опреде­ленная часть первоначально отраженного излучения. За такую ве­личину может быть примято число возвратов «у, обеспечивающее ввод в металл 0,9 £,,_><*:

я9=— [2,303/1п(ед +1J. (55)

На рис. 13 приведены расчетные зависимости характеристик эффективности возврата отраженного излучения в зону сварки. Анализ этих зависимостей показывает, что эффективный КПД ла­зерной сварки металлов с коэффициентами отражения R = 0,6-^-0,9 может быть увеличен от 2 до 10 раз и более. Причем эффектив­ность использования отраженного излучения возрастает с ростом коэффициента отражения металла. Для реальных систем возврата время, за которое происходит пэ (<20) возвратов, менее 10-8 с. Следовательно, при импульсной сварке металлов с длительностью импульсов т>10-8 с, можно пренебречь искажением формы пог­лощаемого материалом импульса излучения. В этом случае рас­смотрение эффективности возврата для энергии лазерного излуче — лия остается справедливым и для мгновенной мощности.

image698
image697

На рис. 14 для иллюстрации эффективности возврата показа­ны пятна облучения на воздухе образцов из меди, мельхиора и никеля. Возврат отраженного излучения осуществлялся зеркаль­ной полусферой, характеризуемой коэффициентом отражения 6 = 0,9. Образец устанавливали таким образом, чтобы центр зоны обработки был совмещен с центром полусферы, а нормаль к поверхности образца составляла некоторый угол с осью лазерно­го излучения для обеспечения однократного возврата зеркальной составляющей отражения. Диффузная составляющая отражения при этом возвращалась многократно (до затухания). Обработка проводилась импульсами лазерного излучения с одинаковой для каждого материала энергией (Си — 20 Дж; МН19, Ni — 10 Дж) как с применением системы возврата (а), так и без нее (б).

На фотографии видно, что без возврата отраженного излучения медный образец не расплавлен) (заметна лишь окисленная зона воздействия лазерного излучения), а на образцах из никеля и мельхиора имеется слабое (очаговое) плавление поверхностного слоя металла. Применение системы возврата обеспечило нормаль­ное (для условия сварки без выплеска) плавление меди и мель­хиора и сильное (с выплеском металла) плавление никеля. Анало­гичные результаты по плавлению, но без использования возврата отраженного излучения, могут быть достигнуты лишь при увели­чении энергии импульса излучения для меди и мельхиора в 2,5 ра­за, а для никеля в 2 раза. Приведенные цифры могут быть коли­
чественной характеристикой эффективности сварки указанных ме­таллов с возвратом отраженного излучения с помощью зеркаль­ной полусферы.

Для практического использования способа сварки с возвратом отраженного излучения следует применять специальные оптичес­кие световозвращатели. В качестве такого устройства можно ис­пользовать полусферическое зеркало, обладающее способностью собирать обратно лучи, выходящие из его центра. Без каких-либо

image699

Рис. 14. Фотография участков облучения образцов из меди (Си), никеля (Ni) и мельхиора (МН 19):

а — с возвратом; б — без возврата отраженного излучения

дополнительных приспособлений зеркальная полусфера обеспечи­вает многократный возврат диффузно отраженного излучения и однократный возврат зеркальной составляющей отраженного из­лучения. Число возвратов зеркально отраженного излучения мо­жет быть увеличено применением дополнительных оптических эле­ментов.

При оценке эффективности использования устройств возврата необходимо учитывать характер диаграмм направленности отра­женного излучения от конкретных материалов и эффекты возмож­ного размытия пятна облучения в процессе переотражения.

Оценку расфокусирующего действия полусферы можно провес­ти путем расчета размытия границ первоначального радиуса пят­на облучения /о в зависимости от числа переотражений. На рис. 15 показан ход лучей, поясняющий это размытие. Лучи, выходя­щие под различными углами из точки, расположенной на расстоя­нии г от центра полусферы 0, будут пересекать диаметральную — плоскость полусферы в различных точках на расстоянии г’ от цен­тра полусферы. Максимальное и минимальное значения можно оп­ределить по формуле

где р’ — радиус полусферы.

Для расчета величины раз­мытия светового пятна в про­цессе перефокусировки отра­женного излучения в соответст­вии с (56) можно записать вы­ражение для радиусов /■«. Iпах

и Гц. п1іп, характеризующих максимальное и минимальное смещение границ пятна после п отражений:

га, та= Р’Го/(9’+2пг0). (57)

ШІП

Из анализа выражений (56) и (57) следует, что путем подбора соотношений между радиусом пятна облучения и радиусом полу­сферического зеркала влияние аберраций на размытие пятна облу­чения может быть приведено к технически допустимым пределахм. На рис. 16 построены рассчитанные по формуле (57) зависимости rn, max и гп, min от первоначального радиуса пятна облучения для полусферического зеркала радиусом 70 мм с учетом числа отраже­нии 1—5. Так как при лазерной сварке диаметр пятна облучения не превышает обычно 1 мм, то для возврата отраженного излучения следует использовать полусферические зеркала с радиусом 50— 75 мм. При этом пятно увеличится примерно на 10%.

При использовании полусферического отражателя следует вы­держивать высокую точность совмещения участка облучения с цен­тром полусферы (не хуже 0,05 мм), так как смещению первона­чального пятна от центра полусферического зеркала будет соот­ветствовать удвоенное разнесение световых пятен, формирующихся в результате перефокусировки отраженного излучения.

Подпись:Формула (57) описывает мак­симальное размытие пятна облу­чения, соответствующего случаю идеально диффузного отражения при нормальном падении пучка лазерного излучения на поверх­ность металла.

При сварке плоских образцов, как было показано на рис. 7, ди­аграмма направленности рассеян­ного образцом излучения более острая (излучение отражается в конус с плоским углом при вер­шине ~90°) по сравнению с лам­бертовским отражением. Следова-

тельно, расчет по формуле (57) для плоских образцов будет да­вать несколько завышенные результаты.