Развитие теории и разработка комплекса технологий и оборудования для лазерной обработки кварцевого стекла (08.08.2011)

Автор: Борисовский Владимир Евгеньевич

Вначале рассмотрены особенности лазерной сварки стекла. Отмечено, что сравнительно с расплавами металлов вязкость расплавов стекол различных составов очень велика. При самой высокой температуре сварки она составляет около 102 Пз, а для кварцевого стекла - 104…106 Пз. Это создает специфические особенности сварки стекла по сравнению с металлами, (вязкость расплава стали при 1400 0С составляет около 0,0025 Пз) такие, например, как ограничение скорости процесса.

Затем проведены экспериментальные исследования взаимной зависимости основных параметров процесса лазерной сварки: мощности лазерного излучения, скорости перемещения, угла наклона оси лазерного пучка к плоскости детали, положения фокуса относительно плоскости детали, глубина проникновения сварочного канала.

Рисунок 10 - Экспериментальная зависимость глубины проникновения канала сварки от скорости перемещения для положения фокуса лазерного излучения относительно плоскости детали: 1- zf = +6; 2- zf = 0;3- zf = -8 мм и

4 -вычисленная по формуле (11).

На Рис. 10 приведена экспериментальная зависимость глубины проникновения канала сварки при мощности излучения сварочного лазера Pсв = 236 Вт наклоненного на угол ? = 200 и подогревающего лазера P2 = 586 Вт от скорости перемещения для положения фокуса лазерного излучения относительно плоскости детали zf = +6; 0; -8 мм и вычисленная по формуле (11).

Глубина проникновения канала сварки сильно зависит от положения фокуса луча сварочного лазера. Зависимость эта носит не только количественный характер, меняется форма канала и его стабильность. При положении фокуса над поверхностью кварца (zf>0) канал широкий, светящаяся область его диаметром более 1мм имеет форму коническую. Пар из канала выходит свободно и не влияет на глубину проникновения канала, т.е. канал перемещается равномерно, не меняя формы и глубины. Это очень важно в тех случаях, когда глубина сварного шва ограничена другой поверхностью или канал касается этой другой поверхности.

При zf ( 0 излучение лазера образует в кварце тонкий канал диаметром ( 0,5 мм на всю глубину проникновения, достигая ( 60 мм (при zf = - 8 мм, скорости v = 0,02 10-3 м/сек (3 мм/мин) и мощности сварочного луча P = 586 Вт). В этом случае выход пара из канала затруднен, так как канал очень узкий и канал прерывается, резко сокращая свою длину, то снова ее увеличивая. При этом нижняя часть канала описывает случайную траекторию, выходя из плоскости сварного шва. Это отражено большой погрешностью определения глубины проникновения канала при экспериментальном исследовании (Рис.11).

Рисунок 11 - Зависимость глубины проникновения канала сварки от положения фокуса лазерного пучка мощностью 236 Вт; 1- v = 40 мм/мин., 2 - v = 20 мм/мин., 3 - v = 10 мм/мин., 4 v = 3 мм/мин.

Рисунок 12 - Зависимость глубины проникновения канала сварки от положения фокуса лазерного пучка мощностью 586 Вт; 1- v = 40 мм/мин., 2 - v = 20 мм/мин., 3 - v = 10 мм/мин., 4 v = 3 мм/мин.

Из Рис.11 и Рис.12 видно, что при zf ( 0 глубина проникновения практически линейно зависит от положения фокуса. Приближение фокуса к поверхности приводит к уменьшению диаметра канала и к увеличению его глубины проникновения в кварц. Изменение скорости сварки характера зависимости от положения фокуса не изменяет, изменяется только значения и наклон линейной зависимости. Увеличение мощности сварочного луча вдвое так же характер зависимости не изменяет, увеличивая вдвое значения глубины проникновения. Это отражает выше приведенные линейные зависимости глубины проникновения канала от скорости сварки и от мощности сварочного луча.

Рисунок 13 Лазерная сварка с глубоким проплавлением пластин из кварцевого стекла толщиной 10 мм

В Таблице приведены основные схемы лазерной сварки изделий из кварцевого стекла и указаны глубина сварного шва и рекомендуемая мощность лазерного излучения.

Таблица

Свариваемые детали Схема сварки (эскиз) Глубина сварного шва, мм Мощность лазера, Вт Примеча

h1 = 2 …5

h2 = 5 …15

h3 = 15 …60 P1 = 50

P1 = 120

P1 = 1200 Облегченные зеркала

h1 = 2 …5

h2 = 5 …15

h3 = 15 …60 P1 = 50

P1 = 120

P1 = 800 Облегченные зеркала

h = 2 …15

P = 120

Оболочки ФЭУ

h = 2 …15

h= 15 …60

P = 120

Р = 1200

h = 2 …15 P = 120 Кварцевая оснастка

Стержень со

h1 = 2 …5

h2 = 5 …15

P1 = 50

P1 = 120

Колпак

h1 = 2 …5

h2 = 5 …15


загрузка...