3.4 Выбор, обоснование и расчет режимов обработки[15].

Параметры технологического процесса импульсной лзерной наплавки подразделяются на энергетические, временные, геометрические, параметры лазерного излучения и параметры фокусирующей системы сварочной головки.

1. Пространственно-временные и энергетические характеристики импульсного лазерного излучения/

1. Длина волны лазерного излучения – λ.

Средняя длина волны спектра лазерного излучения в пределах интервала длин волн линии спонтанного излучения. Длина волны наиболее распространенных в промышленности твердотельных лазеров на Nd:YAG равна λ = 1,06 мкм.

2. Мощность лазерного излучения – Р.

Форма импульса лазерного излучения твердотельного YAG:Nd лазера, работающего в режиме свободной генерации, показана на рисунке 3.2.

Рисунок 3.2 – Форма импульса в режиме свободной генерации

Где, Р(t) – мгновенная мощность лазерного излучения;

Р_max – максимальная (пиковая) мощность лазерного излучения;

Р_и.ср – средняя мощность лазерного излучения за время генерирования импульса;

τ_и – длительность импульса лазерного излучения;

t – время.

P_ср – среднее значение мощности импульсного лазерного излучения за заданный интервал времени;

t_З – заданный интервал времени.

3. Частота повторения импульсов лазерного излучения – f.

Число импульсов лазерного излучения в одну секунду (рисунок 3.3).

Рис. 3.3 – Последовательность импульсов лазерного излучения

Где, Т – период следования импульсов (Т = 1/f).

4. Длительность импульсов лазерного излучения – τ_и.

Время, в течение которого мгновенная мощность лазерного излучения превышает значение, соответствующее уровню 0,5 от максимальной мощности.

5. Энергия импульса лазерного излучения – E_u.

В тепловых расчетах режимов импульсной лазерной наплавки предполагается что:

– импульс лазерного излучения непрерывен в течение всего времени своего действия;

– принимается, что мощность сфокусированного лазерного источника энергии распределена по фокальному пятну согласно нормального закона с коэффициентом сосредоточенности – К (рисунок 3.4).

Где, W_p0 – плотность мощности в центре фокального пятна

Рисунок 3.4 – Нормальное распределение плотности мощности по радиусу пятна нагрева

где, r – радиус пятна нагрева;

Если заменить нормально-круговой источник фиктивным с равной мощностью W_p0, но с равномерно-распределенным удельным тепловым потоком (рисунок 3.5) по окружности радиусом r₀, то r₀ определяется по формуле:

Рисунок 3.5 – Эквивалентный источник тепла

Чем больше коэффициент сосредоточенности – К, тем меньше радиус r₀ эквивалентного источника тепла.

6. Плотность энергии и мощности в зоне обработки.

–плотность энергии в зоне сфокусированного луча лазера.

–средняя плотность мощности в зоне сфокусированного луча лазера.

Где, – площадь сфокусированного луча лазера.

– диаметр пятна нагрева.

7. Коэффициент полезного действия лазера – η.

Отношение энергии или средней мощности, излучаемой лазером, соответственно к энергии или средней мощности, подводимой к лазеру (КПД лазера от розетки).

8. Время готовности лазера – t_гот.

Время, необходимое для достижения лазером номинальных значений параметров с момента его включения.