86
ISSN 0236-3941. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. “Машиностроение”. 2012
этой модели столкнулись с проблемой учета большого числа факто-
ров, влияющих на размеры канала, времени его существования, мас-
сопереносом жидкого металла, температурной зависимости теплофи-
зических коэффициентов и т. п. Для решения инженерных задач
были предложены простые эмпирические зависимости, в которых
глубина проплавления через коэффициенты связана с мощностью и
скоростью сварки [2]. Было установлено, что нормализованные мощ-
ность и скорость имеют линейную зависимость при сварке СО
2
-
лазером с помощью луча, сфокусированного по схеме Кассегрена [3].
В результате исследований установлено, что при наличии парога-
зового канала лазерный луч падает на переднюю стенку, приводя к
интенсивному испарению металла [4]. Кинограммы процесса выяви-
ли на передней стенке канала ступеньку, движущуюся с поверхности
канала до его дна, на которую и попадает лазерный луч. Под дей-
ствием лазерного луча происходит интенсивное испарение металла и
образование жидкой пленки [5].
В начальный момент времени луч падает ортогонально на поверх-
ность металла, что обеспечивает максимальную скорость испарения. По
мере продвижения ступеньки вглубь угол наклона ступеньки изменяет-
ся, и у дна парогазового канала лазерный луч вследствие зеркальной
поверхности расплава и наклона ступеньки будет иметь наибольшее от-
ражение. Это приводит к уменьшению скорости испарения.
В соответствии с изложенным выше предложена методика инже-
нерного расчета глубины проплавления при лазерной сварке полу-
бесконечных тел. Она основана на предположении о максимальности
скорости испарения в начальный момент времени и ее уменьшении в
конце времени воздействия луча, при этом процесс изменения скоро-
сти испарения в течение времени имеет экспоненциальный характер:
V
исп
= V
исп max
е
–
t
.
При инженерных расчетах глубину проплавления можно оценить
по формуле
Н = V
исп. ср
t
исп
,
где
Н
—
глубина проплавления, м;
V
исп. ср
—
средняя скорость движе-
ния границы при испарении материала за время
t
исп
,
м/с;
t
исп
—
время,
в течение которого наблюдается интенсивное испарение материала, с.
Для определения глубины проплавления
Н
за время
t
исп
необхо-
димо рассчитать среднюю скорость испарения
V
исп. ср
.
Скорость испа-
рения материала под воздействием лазерного излучения имеет экс-
поненциальную зависимость от времени (рис. 1), поэтому ее можно
вычислить как
{
}
исп
исп
исп max
исп
исп max
исп
исп
0
1
е
1
е .
t
х
t
V
V
V
dx
t
t
−
−
=
=
−
∫