Проблематика:

  • Исследование процессов взаимодействия лазерного излучения с материалами

Цель исследований:

  • Разработка физических основ практических технологий лазерной обработки металлов и сплавов

Актуальность темы исследований

Лазерная обработка металлов (резка, сварка и др.,) имеет ряд преимуществ по сравнению с другими способами. Главные преимущества лазерной обработки это локальность действия и высокая точность, экономичность, возможность обеспечения высокого качества и автоматизации процесса. Несмотря на большое количество публикаций по лазерной обработке, технические достижения в этой области ограничены и применимы только для черных и некоторых цветных металлов (углеродистая сталь, электротехническая сталь, чугун, титан и др.). Эти ограничения связаны с проблемой качества лазерной обработки и необходимостью выбора оптимальных значений большого количества физических параметров (скорости процесса, характеристик излучения, теплофизических параметров материала, термодинамических параметров вспомогательного или защитного газа и т.п.).

К числу главных проблем, связанных с использованием СО2 лазеров мощностью до 10 кВт для резки толстолистовых металлов и сварки многокомпонентных сплавов следует отнести следующие:

  • плохое качество лазерного реза, которое связано с рядом причин и характеризуется недопустимо высокой шероховатостью;
  • для толстых материалов скорость процесса становится неприемлемо низкой;
  • с повышением мощности лазера, что вызвано ростом толщины металла при резке, очень трудно обеспечить необходимое качество одномодового лазерного излучения;
  • отсутствуют достоверные представления о причинах и механизмах появления шероховатости;
  • нет развитых методов регистрации и диагностики процессов, протекающих внутри лазерного реза или в полости парогазовой каверны и в лазерном расплаве при сварке;
  • отсутствуют способы получения бездефектного сварного соединения, что является главной проблемой при лазерной сварке алюминиевых сплавов авиационного назначения;
  • существующие математические методы описания и моделирования взаимосвязанных процессов лазерной обработки материалов не являются согласованными.

В этой связи при отработке технологий лазерной резки материалов (толщиной до 40 мм и выше) и сварки многокомпонентных сплавов чрезвычайно повышается роль физико-математического, численного и экспериментального моделирования.

Проблемы моделирования процессов лазерной обработки металлов

  • Отсутствует достоверная информация о тонких физических процессах происходящих внутри лазерного реза или паровой каверны при сварке.
  • Экспериментальное наблюдение процессов в режиме реального времени затруднено присутствием мощного лазерного излучения, поэтому нет каких-либо методов их диагностики или визуализации.
  • Отсутствуют самосогласованные математические модели, существующие модели основаны на интегральных законах сохранения, которые справедливы для тонких пластин.

Математическое описание реальной картины требует рассмотрения в сопряженной постановке ряда задач физики лазерного излучения, механики жидкости и газа, физики твердого тела, физической химии и др., например:

  1. Особенности поглощения лазерного излучения металлами с учетом влияния поляризации пучка, многократное переотражение излучения.
  2. Взаимодействие лазерного излучения с поверхностью металла, течение расплава металла, образование парогазовой каверны.
  3. Распространение тепла в твердом металле и фазовые переходы.
  4. Динамика рабочего газа, силовое взаимодействие газа с жидким слоем расплава, его разрушение и т.д.

Проблемы взаимодействия лазерного излучения с металлами в технологиях их лазерной обработки (резки и сварки)

Схема лазерного раскроя материалов
1

Схема процессов внутри реза
1

Схема процессов в лазерной ванне при сварке
1

Дефекты лазерной обработки

1
Грат

1
Шероховатость

1
Сварка встык

1
Сварка внахлест

Основные направления исследований

  1. Развитие математических и вычислительных методов
    • Исследование особенностей взаимосвязанных процессов лазерной обработки материалов, и изучение проблем их математического и численного моделирования.
    • Сопряженные задачи МСС и законы подобия в лазерной резке и сварке металлов.
    • Разработка методов и алгоритмов численного решения сложно сопряженных задач взаимодействия лазерного излучения с материалами.
  2. Компьютерное моделирование процессов и явлений
    • Моделирование многократного поглощения и отражения лазерного излучения при его распространении в узких каналах и кавернах.
    • Моделирование струйных течений вспомогательных, рабочих или защитных газов.
    • Моделирование процессов теплообмена и тепломассопереноса в лазерной ванне при сварке.
    • Моделирование механизмов образования бороздчатой шероховатости поверхности при резке металлов.

    Физическая модель многократного отражения лазерного излучения при его распространении в узких каналах и щелях

    Распространение излучения в каверне при лазерном сверлении (а) и резке (б). Мощность W=1 кВт, скорость луча Vc=0.17 м/с, заглубление фокуса Zf =0.25 мм, радиус Гауссова пучка wo=100мкм.

  3. Экспериментальные исследования на модельных и натурных установках
    • Исследование влияния различных режимов лазерной обработки на качество резки и сварки металлов и сплавов, статистическая обработка результатов экспериментов.
    • Диагностика процессов и явлений с использованием различных методов визуализации.
    • Лабораторное моделирование и визуализация динамики струйных течений вспомогательных газов, механизмов удаления расплава и образования шероховатости.

Научные контакты

  1. Институт физики прочности и материаловедения СО РАН
  2. Институт машиноведения Уральского Отделения РАН
  3. Институт электросварки им. Е.О. Патона НАН Украины

Сотрудники лаборатории

Заведующий лабораторией д.ф.-м.н. Ковалев Олег Борисович

Заведующий лабораторией

д.ф.-м.н. Ковалев Олег Борисович

тел.: (383) 330-38-04

факс: (383) 330-72-68

Ведущий научный сотрудник

Аульченко Сергей Михайлович

тел.: (383) 330-38-04

Младший научный сотрудник

Беляев Виталий Владимирович

Младший научный сотрудник

Ермолаев Григорий Викторович

тел.: (383) 330-38-04

Младший научный сотрудник

Зайцев Александр Васильевич

тел.: (383) 330-38-04

Научный сотрудник

Семин Леонид Георгиевич