При сварке мощными концентрированными источниками энергии, такими как лазерный луч, формируется так называемое «кинжальное» проплавление, обеспечивающее значительную глубину при малой ширине шва.
При лазерном излучении плотностью мощности выше критической осуществляется нагрев материала со скоростью, значительно превышающей скорость отвода теплоты за счет теплопроводности. При этом происходят процессы локального плавления и испарения материала, вследствие чего формируется углубление на поверхности, и при достаточной мощности источника оно развивается по глубине, что приводит к образованию канала, заполненного парами материалов и окруженного жидким металлом. Давление паров материала оказывается достаточным для поддержания канала, и полость канала не заполняется жидким металлом под действием гидростатического давления и сил поверхностного натяжения.
При соответствующей скорости сварки форма канала приобретает динамическую устойчивость. На передней стенке канала происходит плавление материала, а на задней – затвердевание. Наличие канала способствует поглощению лазерного излучения в глубине материала, а не только на его поверхности. При этом образуется узкий шов с большим отношением глубины проплавления к ширине шва.
При образовании канала над поверхностью материала появляется светящийся факел, состоящий из продуктов испарения и выброса, а также частиц конденсированного пара. В общем случае происходит поглощение лазерного излучения факелом, а также плазмой, возникающей в результате оптического пробоя в газовой среде. Наличие плазменного факела существенно влияет на эффективность проплавления. В условиях атмосферного давления на проплавление влияет состав газа, что учитывается при выборе защитного газа для лазерной сварки.
Исследование формирования канала и динамики его изменения в процессе сварки имеет важное значение для оптимизации параметров сварки, обеспечивающих высокую производительность процесса и отсутствие дефектов в сварном шве. Схема формирования сварного соединения показана на рис. 2. Видно, что сварочная ванна имеет характерную форму, вытянутую в направлении сварки.
В головной части ванны расположен канал или кратер 3, заполненный парами металла. Эта область наиболее яркого свечения. На передней стенке канала существует слой расплавленного металла, который испытывает постоянные возмущения. Здесь наблюдается характерное искривление передней стенки в виде ступеньки, которая периодически перемещается по высоте канала. Удаление расплавленного материала с передней стенки осуществляется при перемещении ступеньки сверху вниз. Перенос расплавленного металла из головной части в хвостовую происходит преимущественно по боковым стенкам канала в горизонтальном направлении. Кроме этого наблюдаются восходящие потоки движения по мере углубления канала. В хвостовой части ванны расплавленный металл завихряющимися потоками поднимается вверх и частично выносится на поверхность сварочной ванны.
В процессе лазерной сварки над поверхностью сварочной ванны наблюдается ярко светящееся облако — плазменный факел 2. При значительных скоростях лазерной сварки факел отклоняется в сторону, противоположную направлению сварки, на 20—60°.
Процессы массопереноса расплавленного металла в сварочной ванне оказывают существенное влияние на формирование шва, образование характерных дефектов и механические свойства сварного соединения. Основной силой, воздействующей на расплавленный металл и обеспечивающей его перенос, считается сила реакции паров. Под действием этой силы жидкий металл перемещается как сверху вниз по передней стенке канала, так и в горизонтальном направлении вокруг канала (Рис. 2). Перенесенный расплавленный металл обнажает участки металла с более низкой температурой на передней стенке канала, после чего процессы плавления и переноса повторяются.
Большое значение для лазерной сварки имеет так называемый эффект автоколебаний. В процессе нагрева материала постоянным во времени потоком лучистой энергии, превышающим некоторое критическое значение, температура поверхности колеблется. Наличие незатухающих во времени колебаний температур указывает на существование резонансных режимов нагрева вещества. Это дает возможность разрабатывать новые эффективные методы сварки с динамической фокусировкой лазерного излучения и дополнительной импульсной подачей газа.
Особенностью импульсно-периодической лазерной сварки является периодичность образования и релаксации плазмы над поверхностью ванны плавления. При этом между началом импульса и образованием плазмы имеет место некоторая задержка по времени, а после окончания импульса плазма также релаксирует в течение определенного времени. Соответствующим подбором параметров временной структуры можно добиться практически полного устранения влияния плазменного факела на снижение проплавляющей способности лазерного излучения.