Исследование сварочного факела в процессе сварки низколегированных сталей больших толщин излучением мощного иттербиевого волоконного лазера

• Автор: Щеглов, Павел Юрьевич
• Шифр специальности: 01.04.21
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2011
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 112 с. : ил.

ГЛАВА 1. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С ВЕЩЕСТВОМ В ПРОЦЕССЕ СВАРКИ МЕТАЛЛОВ МОЩНЫМИ ТВЕРДОТЕЛЬНЫМИ ЛАЗЕРАМИ С ВЫСОКОЙ ЯРКОСТЬЮ ИЗЛУЧЕНИЯ
§ 1.1. Мощные твердотельные лазеры с высокой яркостью
излучения
1.1.1. Лазеры на тонких дисках
1.1.2. Волоконные лазеры
1.1.3. Характеристики излучения мощных лазеров
1.1.4. Применение мощных твердотельных лазеров с высокой яркостью
излучения
1.1.5. Особенности сварки металлов мощными волоконными лазерами с
высокой яркостью излучения
§ 1.2. Паро-плазменный факел при сварке металлов мощными
лазерами
1.2.1. Формирование сварочной плазмы
1.2.2. Состояние сварочной плазмы при сварке СОг- и твердотельными
лазерами
Выводы к Главе I
ГЛАВА 2. СПЕКТРОСКОПИЯ СВАРОЧНОГО ФАКЕЛА
§2.1. Структура сварочного факела
§ 2.2. Спектроскопия сварочного факела
2.2.1. Методика проведения измерений
2.2.2. Спектры эмиссии сварочного факела
§ 2.3. Влияние сварочной плазмы на лазерное излучение
2.3.1. Взаимодействие с атомами окружающей среды
2.3.2. Поглощение свободными электронами плазмы
§ 2.4. Влияние защитного газа на сварочный факел
§ 2.5. Наблюдение верхней части сварочного факела
Выводы к Главе II
ГЛАВА 3. ИЗМЕРЕНИЕ ОСЛАБЛЕНИЯ ПРОБНОГО
ИЗЛУЧЕНИЯ В СВАРОЧНОМ ФАКЕЛЕ
§3.1. Измерение терморефракции луча при прохождении
сварочного факела в поперечном направлении
3.1.1. Причины возникновения терморефракции в среде сварочного
факела

3.1.2. Определение степени влияния терморефракции на ослабление
пробного излучения
§ 3.2. Измерение ослабления ИК-излучения на длине волны
1,3 мкм
3.2.1. Методика экспериментов
3.2.2. Временная динамика ослабления
3.2.3. Пространственное распределение
3.2.4. Пространственное распределение коэффициента ослабления
Выводы к Главе
ГЛАВА 4. УЧЕТ ЭФФЕКТА КОНДЕНСАЦИИ
МЕТАЛЛИЧЕСКОГО ПАРА В СРЕДЕ СВАРОЧНОГО ФАКЕЛА
§ 4.1. Механизм конденсации металлического пара в сварочном
факеле
4.1.1. Теоретические предпосылки
4.1.2. Косвенные экспериментальные подтверждения
4.1.3. Оптическая диагностика частиц конденсата в сварочном факеле
4.1.4. Прямые измерения параметров конденсированных частиц
4.1.5. Рассеяние и поглощение лазерного излучения частицами конденсированного металлического пара
§ 4.2. Измерение параметров конденсированных частиц в
сварочном факеле
4.2.1. Методика экспериментов
4.2.2. Многоволновая методика
4.2.3. Спектры пропускания сварочного факела
4.2.4. Измерение средних параметров частиц конденсата
§ 4.3. Оценка влияния сварочного факела на излучение мощного
волоконного лазера
4.3.1. Конденсация металлических частиц в поле мощного лазерного
излучения
4.3.2. Оценка ослабления луча мощного волоконного лазера, распространяющегося через среду сварочного факела
Выводы к Главе
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

В последние 5-10 лет технология лазерной обработки металлов больших толщин получила широкий потенциал развития за счет разработки принципиально нового типа источников мощного лазерного излучения. Появился класс так называемых мощных твердотельных лазеров с высокой яркостью излучения, к которым на настоящий момент можно отнести волоконные лазеры на ионах иттербия [1],[2] и дисковые лазеры на кристаллах УАО:УЬ3+ [3],[4],[5]. Принципиально оба этих типа лазеров происходят от твердотельных лазеров с открытым оптическим резонатором, в котором в качестве активного элемента располагается кристаллический либо стеклянный стержень, легированный добавками редкоземельных элементов, оптически накачиваемый лампами-вспышками либо мощными диодами. Одной из главных проблем, ограничивающих выходную мощность излучения таких лазеров, является эффект термолинзы [6]. Так как в этом случае относительно небольшой объем активной среды и ограниченные возможности теплоотвода принципиально не позволяют эффективно охлаждать рабочий элемент лазера, то существенное ухудшение качества излучения при увеличении мощности накачки становится неизбежным.
В случае волоконного лазера активный стержень «сужается» до размеров оптического волокна, которое за счет наличия нескольких оболочек с различными показателями преломления обеспечивает полное внутреннее отражение излучения на длинах волн генерации и накачки. При этом, так как излучение накачки поглощается в волокне на протяжении десятков метров, требования к охлаждению становятся минимальными, а качество излучения поддерживается волноводными свойствами волокна [7],[8],[9].
В дисковом лазере происходит обратное - активный стержень «сжимается» до тонкого диска. При этом отвод тепла производится не с цилиндрической поверхности, а с плоской грани, что обеспечивает отсутствие перепадов температуры в плоскости волнового фронта генерируемого излучения и уменьшает эффект терморефракции [10],[11]. Для увеличения эффективности генерации используется прием многократного прохождения излучения накачки через активную среду. При создании как дисковых, так и волоконных лазеров, активно применяется модульный принцип, когда излучение от нескольких независимых

температур. Результаты измерений, описанные в работах [113],[114],[115],[116], показали, что температура продолжает оставаться практически постоянной вплоть до высоты 40-50 мм.
Таким образом, в то время как нижняя, непосредственно прилегающая к выходу из паро-газового канала, часть сварочного факела резко охлаждается при подаче защитного газа, в более высоких областях влияние типа атмосферы на температуру становится несущественным. Поддержание температуры на постоянном уровне, следующее за участком ее падения говорит о наличии источника энергии, не связанного с выбрасываемым из канала глубокого проплавления эрозионным потоком. Т.е., разогрев верхней части происходит не за счет выброса горячего металлического пара, а, по-видимому, за счет поглощения проходящего лазерного излучения.
Лазер
Эрозионный
факел
Сварка
Свечение
частиц
Конденсат
Лазер

! Сварка
і« Свеч
Свечение
частиц
Конденсат
Рис. 2.6. Исчезновение сварочной плазмы при подаче в область сварки аргона; (1-3) -сварка на воздухе, (4-6) - сварка с подачей аргона (15 л/мин).