Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Управление параметрами лазерного технологического комплекса сварки металлов 12
1.1. Патентно-информационный обзор по лазерной сварке металлов и системе управления лазерным технологическим комплексом 12
1.2. Особенности технологического процесса лазерной сварки 14
1.3. Физика процесса лазерной сварки 16
1.4. Технология процесса лазерной сварки 18
Глава 2. Методика анализа процесса генерации акустического сигнала при взаимодействии лазерного излучения с поглощающими конденсированными средами 28
2.1. Оценка амплитуды акустических колебаний при лазерной термообработке 28
2.1.1. Экспериментальная установка 28
2.1.2. Анализ полученных данных 37
2.2. Методика обработки акустического сигнала лазерного импульса 38
2.2.1. Подготовка сравнительных параметров сигнала 41
Глава 3. Анализ акустического сигнала из зоны взаимодействия лазерного излучение с металлом 46
3.1. Обработка и анализ полученных данных 46
3.2. Сварка разнородных металлов
3.2.1. Анализ зон термического воздействия лазерного излучения 50
3.2.2. Математический расчет геометрии стыкового соединения 50
3.2.3. Контроль температуры легкоплавкого металла 53
3.3. Методика количественной оценки зависимости частоты ультразвуковых
колебаний от глубины обработки лазерным излучением 3.3.1. Экспериментальные данные обработки импульсным лазерным излучением 55
3.3.2. Расчёт температурного поля 56
3.3.3. Количественная оценка глубины обработки 58
Глава 4. Методика управления лазерным технологическим комплексом 61
4.1. Структура акустических колебаний из зоны термического влияния 61
4.2. Энергетические процессы в зоне взаимодействия ЛИ с металлом
4.2.1. Уравнение энергетического баланса при воздействии ЛИ на металл 67
4.2.2. Математическая модель температурного поля в зоне взаимодействия 68
4.3. Управление положением фокуса лазерного излучения при сварке 70
4.3.1. Оптимизация структуры системы автоматического управления лазерным технологическим комплексом 71
4.3.2. Расчет канала лазерной подсветки 74
4.3.3. Расчет канала фотоприемника 75
4.3.4. Энергетическая оценка эффективности 79
4.4. Синтез лазерного технологического комплекса 81
4.4.1. Алгоритм работы системы автоматического управления 82
4.4.2. Структурная и микропроцессорная схемы лазерного технологического комплекса 84
4.4.3. Схема включения датчика 86
Основные результаты работы 88
Список использованной литературы 9
- Физика процесса лазерной сварки
- Анализ полученных данных
- Математический расчет геометрии стыкового соединения
- Оптимизация структуры системы автоматического управления лазерным технологическим комплексом
Физика процесса лазерной сварки
Кривошипные диски, втулки, кулачковые кольца в большинство своём являются составными деталями, самую нагруженную часть которых делают из высоколегированной стали, а остальную из более дешевой низколегированной. Качественное соединение таких составных деталей с минимальными деформациями может быть обеспечено использованием лазерной сварки. Высокая работоспособность составных деталей обеспечивается применением узкого шва.
При производстве шестерен изготовление рабочей части из дорогостоящих легированных износостойких сталей и нерабочей из нелегированных сталей значительно повышает экономичность изготовления. Это обеспечивается приваркой рабочей части к нерабочей лазерным излучением, что приводит к появлению возможности сварки разнородных материалов без трещин, уменьшению деформации, уменьшению размера расплавленной зоны, повышению качества детали.
Все главные преимущества использования лазерной сварки реализуются при сварке деталей арматуры.
Соединение заготовок встык возможно при широком диапазоне типов свариваемых деталей и толщины используемых материалов. В этом случае сначала стыкуют торцевые поверхности деталей, затем их расплавляют, что предоставляет возможность получать глубокие и узкие проплавления при минимальных деформациях. Стыкуемые поверхности обрабатывают на фрезеровочных или точильных станках.
Для снижения требований к величине зазора и плотности прижатия стыковые соединения для сварки деталей толщиной до 2 мм выполняют с отгибом на 90 градусов с последующей стыковкой. Отбортованный материал используется как присадка, компенсирующая величину зазора.
Особенностью проплавного соединения лазерным излучением заключается в сквозном проплавлении одной из деталей, находящейся сверху. Сварное соединение образуется из-за переплава границы двух поверхностей, когда в поверхность нижней детали внедряется корневая часть проплава. Для тавровых соединений сварка осуществляется с двух сторон, а луч направляется в основном по линии стыка. Такое направление луча приводит к плавлению металла вдоль всего стыка, что обеспечивает прочное соединение. Стыковые швы необходимо сваривать с точным соблюдением перпендикулярности оси луча к поверхности деталей в плоскости, которая расположена перпендикулярно оси шва, так как иначе возможны несплавления, особенно на толщинах более 5 мм. Незамкнутые прямолинейные швы необходимо начинать сваривать с пластины, плотно соединенной с началом шва, а не с самой детали. Полученные подкладки удаляются после сварки. Для повышения точности наведения луча на пластине проваривают эталонный шов, после чего дополнительный световой или лазерный источник наводится на поверхность эталонного шва, а в дальнейшем он используется для сборки деталей для сварки.
Периодичность импульсных лазеров и малые скорости сварки допускают получение швов малой протяженности, менее 200 мм. Одна из конструкций деталей, обеспечивающая максимальную эффективность – с совпадением по времени чередования шва с периодом отключения лазера.
Сварка с глубоким проплавлением приводит к образованию поверхностных (внешних) и глубинных (внутренних) дефектов. Первые обычно выявляются визуальным осмотром, вторые применением физических методов неразрушающего контроля – ультразвуковой, радиографический, капиллярный, магнитный.
Радиографический метод включает в себя воздействие на материал гамма излучением, возникающим при распаде радиоактивных веществ, либо рентгеновским излучением, которое образуется при торможении электронов, ускоренных в электрическом поле. Такие лучи с малой длиной волны проходят сквозь металл аналогично просвечиванию стекла обычным светом. Расположенная после фотопленка своим потемнением фиксирует плотность металла – поры, раковины, трещины выглядят на пленке в виде более темных пятен. Несмотря на простоту интерпретации дефектов такой метод вреден в виду опасности излучения.
Так как акустические волны с частотой 0.5...5 МГц при распространении по металлу существенно ослабевают при столкновении со средой с меньшей плотностью и отражаются от границы раздела двух сред, этот эффект используют в ультразвуковом методе. Искатель с пьезоэлектрическими преобразователями, генерирующими и регистрирующими ультразвуковые волны соединяют с изделием путем заполнения места их соприкосновения вязкой жидкостью - глицерином, маслом и т.д. Акустический сигнал отражается от дефекта, преобразуется в электрический и отображается на осциллографе. Такой подход позволяет контролировать более широкий диапазон толщин и обнаруживать тонкие дефекты, но характеризуется трудностью интерпретации дефекта, высокими требованиями к подготовке поверхности изделия.
Магнитный метод основан на индикации и анализе магнитных полей рассеяния, которые возникают в тех местах, где нарушена сплошность ферромагнитного сварного шва под воздействием магнитного поля после намагничивания детали. Такой способ контроля относительно прост и нагляден но позволяет контролировать только ферромагнитные материалы.
Анализ полученных данных
При взаимодействии с металлом лазерный импульс поглощается в узкой приповерхностной зоне мишени, нагрев которой сопровождается фазовыми превращениями (рисунок 15).
Для анализа режимов термообработки при различных плотностях энергии лазерного излучения были проведены исследования на стали 30Х13. Каждый режим термообработки металлов характеризуется значением плотности энергии ЛИ и параметрами ТП, которые определяют показатели качества (рис. 16). В качестве сигналов обратной связи АСУ ЛТК сварки металлов обычно используются плотность энергии ЛИ, температура и точность позиционирования фокуса относительно стыка.
Возникающий при лазерной обработке акустический эффект обусловлен различными физическими механизмами, ответственными за изменение удельного объема вещества при поглощении излучения: нагрев вещества, фазовые переходы первого рода. Пример сигнала, снимаемого датчиком представлен на рисунках 17 и 18. Такой акустический сигнал может быть использован как дополнительный информативный параметр, позволяющий повысить эффективность процесса лазерной обработки. Рисунок 16: Изменение режимов термообработки мощности ЛИ. зависимости от timslnmL270v Время, МКС
Временная зависимость амплитуды сигнала и поглощенная энергия в относительных единицах (штриховые линии) в Ст45 при диаметре излучения 1 мм и плотности мощности излучения G = 7.87108 Вт/см2. 5 5.5 timslimn414v Время, мкс
Временная зависимость амплитуды сигнала и поглощенная энергия в относительных единицах (штриховые линии) в Ст45 при диаметре излучения 1 мм и плотности мощности излучения G = 2.87109 Вт/см2.
На рисунке 19 представлена микроструктура такого обработанного образца. Плотность мощности в данном случае составляет 2.87109 Вт/см2.
Микроструктура обработанного лазерным излучением образца в разрезе при плотности мощности излучения G = 2.87109 Вт/см2. Спектральная плотность единичного акустического сигнала при лазерной термообработке металлов в общем случае является комплексной функцией, включающей в себя совокупность гармоник, с различной амплитудой и фазой. Применительно к процессу генерации звука при лазерной обработке, наибольший интерес представляет амплитуда сигнала. Она характеризует плотность энергии импульса лазерного излучения и поэтому в данной работе для анализа результатов исследований рассматривались амплитудные спектры звуковых сигналов.
Для проведения сравнительного анализа сигналов при различных параметрах обработки необходимо из исходного акустического сигнала определить его временные и частотные характеристики [21]. К ним относятся временная функция сигнала, его спектральная плотность и энергетический спектр. По этим характеристикам можно определить следующие параметры сигнала, определяющие показатели качества технологического процесса: длительность; ширина спектра, особые точки функции спектра, значения частот гармонических составляющих; энергия сигнала.
Рассмотрим способ получения временных, частотных и энергетических параметров акустического сигнала на примере единичного лазерного импульса с диаметром луча 0.5 мм и плотностью мощности 1.151010 Вт/см2 на образец из материала Сталь 45. Снятый с датчика исходный сигнал изображен на рисунке 18.
Над исходным сигналом было выполнено дискретное преобразование Фурье (приложение Б). При переходе в частотную область сигнала, из полученной спектральной функции был выделен амплитудный спектр, изображенный на рисунке 20.
Амплитудный спектр типичного сигнала из зоны взаимодействия имеет характерный вид затухающей колеблющейся функции с главным лепестком, в котором сосредоточена основная часть энергии сигнала, на фоне других сигналов и шумов.
Амплитудный спектр сигнала. При анализе сигнала из зоны обработки основное требование предъявлялось к необходимости обнаружить наличие информационного сигнала на фоне других сигналов и шумов, поэтому перед исследованием была проведена фильтрация снятого сигнала на основе дискретного преобразования Фурье.
Так как замеренный сигнал имеет конечную длительность, ограниченную временным интервалом, его спектральная функция не ограничена на оси частот [2], поэтому ширину спектра сигнала необходимо выбирать, исходя из выбранного критерия. Было введено понятие эффективной ширины спектра, как интервала частот, в котором сосредоточена основная часть общей энергии исходного информационного сигнала. Во временной области импульсный сигнал характеризуется эффективной длительностью, которая определяется как длительность интервала времени, в котором сосредоточена основная часть общей энергии информационного сигнала.
Математический расчет геометрии стыкового соединения
Звуковой информационный сигнал из зоны взаимодействия лазерного луча с металлом при импульсной обработке относится к категории импульсных сигналов, спектр которых определяется с помощью дискретного по времени преобразования Фурье [2, 7]. В проведенном исследовании сигнал снимался с помощью пьезоэлектрического датчика, подключенного к цифровому осциллографу. Так как снятый с датчика сигнал получен путем дискретизации по времени исходного непрерывного по времени сигнала, результаты проведенных экспериментов представлены в виде дискретных равноотстоящих отсчётов исходного аналогового колебания.
Анализ сигналов при различных режимах обработки металла лазерным излучением заключался в определении временных и частотных характеристик этих сигналов. К ним относятся временная функция сигнала, его спектральная плотность и энергетический спектр. По этим характеристикам можно определить следующие параметры сигнала, определяющие показатели качества технологического процесса: длительность; ширина спектра, особые точки функции спектра, значения частот гармонических составляющих; энергия сигнала. При анализе результатов исследований рассматривались амплитудные спектры звуковых сигналов, так как амплитуда, в частности, характеризует плотность энергии импульса лазерного излучения [2, 7] и поэтому представляет наибольший интерес.
На образцы из материала Сталь 45 подавались импульсы лазерного излучения общей длительностью 0.5 мкс. Мощность лазерного излучения в ходе эксперимента менялась от 7.87108 до 1.281010 Вт/см2, диаметр луча — 0.5 и 1 мм. Полученные данные были преобразованы и обработаны на основе дискретного преобразования Фурье [16]. Параметры, полученные после обработки акустических сигналов, приведены в таблице
Диаметризлучения,мм Плотностьмощностиизлучения,Вт/см2 Уровеньфильтрациишума вчастотнойобластисигнала,% Частотасмаксимальнойамплитудой вспектре,Гц Ширин аспектр а, Гц Эффективнаяширинаспектра, Гц Доляэффективнойширинывисходномспектре,% Максимальноезначениеамплитуды послефильтрации, мВ Доляэнергиисигналавэффективнойширинеспектра,% Уровеньфильтрациишума вовременнойобластисигнала,% Длительностьисходногосигнала,мкс Эффек тивная длител ьность сигнал а, мкс Доляэффективнойдлительности висходномсигнале,%
Выполнив регрессионный анализ по данным из таблицы 3, были получены результаты, показанные на рисунках 24 и 25.
Как видно из рисунка 24, изменение плотности мощности излучения практически никак не сказывается на частоте акустических колебаний, ее значение колеблется около положения в 107 Гц.
Из рисунка 25 видно, что амплитуда, в отличие от частоты, напрямую зависит от плотности мощности. Подобные зависимости частоты и амплитуды согласуются с математическими расчетами и численным моделированием [22].
Проведенные эксперименты и анализ полученных данных показали, что изменение плотности мощности лазерного излучения при обработке металлического образца практически никак не сказывается на частоте акустического сигнала из зоны обработки, но напрямую влияет на рост давления акустического сигнала. Выявленные зависимости частоты и амплитуды сигнала от плотности мощности соответствуют теоретическим исследованиям в данном направлении и позволяют в дальнейшем использовать полученные данные для автоматизации управления процессом обработки лазерным излучением, повышения эффективности такой обработки и прогнозирования показателей качества выполняемого технологического процесса.
Металлографические исследования зоны взаимодействия ЛИ с металлами показали, что зона имеет в сечении сегментную форму. В результате экспериментальных исследований влияния ЛИ на фазовые превращения в металлах, выявлено, что форма зоны воздействия ЛИ мощностью 1 кВт при скорости перемещения 1200 мм/мин. в стали У8 и цирконии имеет сегментный характер с центром круга О1 и малую сегментную зону с центром круга О2 (рис. 26). Наличие второй сегментной зоны можно объяснить либо началом возникновения кинжального проплавления в металле, либо возникновением вторичного источника энергии за счет окислительных процессов с выделением теплоты. Характер зон термического воздействия не зависит от энергии ЛИ, а величина второй зоны зависит от физико-химических свойств металлов. Цирконий является химически активным металлом.
Из анализа характера зоны термического воздействия ЛИ следует, что сварка разнородных металлов должна осуществляться подачей энергии на тугоплавкий металл и форма стыковой поверхности должна повторять форму зоны термического влияния. На практике целесообразней стыковую поверхность делать плоской, исходя из экономических соображений. Это связано с различием температур плавления, в частности, температура плавления молибдена равна 2620 градусам Цельсия, а стали – 1510 градусам Цельсия. Поэтому для получения сварного шва необходимо поднять плотность энергии, чтобы расплавить молибден, при этом происходит испарение стали. Для исключения этого эффекта необходимо использовать наклон стыковой плоскости свариваемых деталей. Выполнив плоскость сварного шва наклонной на угол по касательной к сегменту зоны термического воздействия, можно обеспечить расплав тугоплавкого металла, а за счет теплопередачи происходит расплав легкоплавкого металла.
Оптимизация структуры системы автоматического управления лазерным технологическим комплексом
Процесс воздействия ЛИ на металлы можно описать энергетическим уравнением [51]: ЛИ + наддува + свет. давл. = плавл. + мех.кол. + отраж. + кин., (19) где ЖЛИ - энергия подводимого ЛИ в зону обработки; Жнаддува - давление защитного газа; Жсвет.давл.– механическая энергия воздействия ЛИ на поверхность металла; Жплавл.– энергия, затрачиваемая на плавление металла и его испарение; Жмехкол.– энергия механических колебаний ЛИ; Жотраж.– отраженная энергия из зоны взаимодействия ЛИ с металлом; Жкин. - энергия, затрачиваемая на вылет частиц расплавленного металла.
Расходуемые энергии: плавл. = cY(X)f + divw, где w = -хт (т)gradг тепловой поток; Хт - коэффициент теплопроводности; Жотраж. - отраженная энергия (составляет около 30% от мощности ЛИ, так как температура металла превышает температуру плавления и коэффициент поглощения составляет 0.7); Жмех.кол. = / фот - энергия, затрачиваемая на возбуждение механических колебаний в металле (составляет 5-6% от мощности ЛИ); Wкин.= m22 2 - энергия, затрачиваемая на вылет частиц расплавленного металла [19]. В процессе исследования проводилась съемка процесса лазерной обработки с помощью скоростной видеокамеры, что позволило определить динамику развития плазмы в зоне обработки, а также произвести подсчет необходимого количества импульсов. Наибольшая глубина получаемого отверстия достигается при фокусе ЛИ в глубине металла (табл. 5), наименьший диаметр обеспечивается при положении фокуса на поверхности (рис. 40). Таблица 5: Зависимость диаметра отверстия от положения фокусного пятна (напряжение 450 В, время импульса 2 мс, толщина 3 мм).
Зависимость диаметра отверстия от вкладываемой энергии: 1 – фокус ЛИ на поверхности металла; 2 – фокус ЛИ в глубине металла. При этом глубина определяется суммарной энергией импульсов, а диаметр в основном зависит от положения фокусного пятна относительно поверхности изделия. Для оценки глубины проплавления h можно использовать следующую формулу [4]: P rл +a/св h (20) ln 2тTк rл где т – коэффициент теплопроводности материала; Тк – температура кипения; а – коэффициент температуропроводности материала; Р – мощность излучения; rл – радиус пятна.
Математическая модель температурного поля в зоне взаимодействия В общем виде уравнение теплопроводности описывается следующим выражением [11]: !j-=AT+Q, (21) где Q - удельное количество теплоты, выделяемое тепловым источником; А71 - изменение температуры. С учетом начальных и краевых условий, а также нелинейного изменения теплофизических свойств материала, преобразуем выражение (21) в систему уравнений, в состав которой входит дифференциальное уравнение теплопроводности: c(T)7(T) L-±xT (т) у -хт (т) у -хт (г) = 0, (22) где с(Т) - зависимость теплоемкости от температуры; 1т(Т) - зависимость теплопроводности от температуры. Выражения, описывающие тепловой обмен на границах тела с окружающей средой, выглядят следующим образом: aT(T)(T0),x = lx,y = ly,z = lz, qT=-aT(T)(T0)i{z = 0,(x,y)g},x = -lx,y = -ly, (23) 0, = 0 где ат(Т) - зависимость коэффициента полной поверхностной теплоотдачи от температуры; 70 - температура окружающей среды; Т - температура поверхности; qT - удельный тепловой поток вблизи границы тела.
Математическая модель температурного поля с учетом допущений позволяет без ущерба для точности получаемых результатов заменить трехмерную задачу плоской.
Расчеты, проведенные по математической модели, позволили выявить диапазон изменения технологических параметров лазерного технологического комплекса, таких как энергия, диаметр пятна ЛИ, распределение интенсивности излучения в зоне нагрева для заданных технических характеристик ЛТК (рис. 41) [11]. Здесь представлены термические циклы элементарных объемов материала на различной глубине от поверхности.
Проведенный анализ возможных путей управления параметрами термических циклов показал, что наиболее эффективным способом является изменение распределения плотности энергии и длительности импульса ЛИ в пятне нагрева. Рисунок 41: Характер изменения температуры металла по глубине фокуса лазерного излучения от длительности импульса.
Обеспечение качества лазерной сварки требует контроля не только энергетических параметров излучения, но и положения фокусного пятна. Данный подход требует выполнение расчета канала управления положением фокуса лазерного излучения при сварке, определяющего показатели качества сварного шва. Для этого необходимо рассчитать параметры активной оптико-электронной системы для подсистемы регулировки положения фокуса относительно шва с лазерной подсветкой шва, построить модель канала управления с учетом теплофизических явлений, происходящих в зоне сварки.
Стабилизация энергетических параметров в зоне взаимодействия лазерного излучения с металлом и повышение точности позиционирования пятна лазерного излучения относительно сварного шва являются оптимальными способами построения систем автоматического управления лазерным технологическим комплексом, приводящим к стабилизации показателей качества технологического процесса [14].