Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ зависимости стабильности показателей качества лазерной сварки от параметров лазерного технологического комплекса 10
1.1. Патентно-информационный обзор по лазерной сварке металлов и системе управления лазерным технологическим комплексом 10
1.2. Особенности технологического процесса лазерной сварки 12
1.3. Физика процесса лазерной сварки 14
1.4. Технология процесса лазерной сварки 16
Глава 2. Исследование процесса генерации акустического сигнала при взаимодействии лазерного излучения с поглощающими конденсированными средами 26
2.1. Оценка амплитуды акустических колебаний при лазерной термообработке 26
2.1.1. Экспериментальная установка 26
2.1.2. Анализ полученных данных 35
2.2. Предварительная обработка акустического сигнала лазерного импульса .
2.2.1. Подготовка сравнительных параметров сигнала 40
Глава 3. Анализ акустического сигнала из зоны взаимодействия лазерного излучение с металлом 45
3.1. Обработка и анализ полученных данных 45
3.2. Сварка разнородных металлов 48
3.2.1. Анализ зон термического воздействия лазерного излучения 49
3.2.2. Математический расчет геометрии стыкового соединения 50
3.2.3. Контроль температуры легкоплавкого металла
3.3. Экспериментальная количественная оценка влияния частоты ультразвуковых колебаний на глубину обработки лазерным излучением. 53
3.3.1. Экспериментальные данные обработки импульсным лазерным излучением 53
3.3.2. Расчёт температурного поля 55
3.3.3. Количественная оценка глубины обработки 57
Глава 4. Синтез системы управления лазерным технологическим комплексом . 60
4.1. Структура акустических колебаний из зоны термического влияния 60
4.2. Энергетические процессы в зоне взаимодействия ЛИ с металлом
4.2.1. Уравнение энергетического баланса при воздействии ЛИ на металл 66
4.2.2. Математическая модель температурного поля в зоне взаимодействия 68
4.3. Лазерный технологический комплекс 69
4.3.1. Алгоритм работы системы автоматического управления 70
4.3.2. Структурная и микропроцессорная схема лазерного технологического комплекса 73
4.3.3. Схема включения датчика 75
Основные результаты работы 78
Список использованной литературы
- Особенности технологического процесса лазерной сварки
- Предварительная обработка акустического сигнала лазерного импульса
- Анализ зон термического воздействия лазерного излучения
- Математическая модель температурного поля в зоне взаимодействия
Особенности технологического процесса лазерной сварки
Особенность лазерной сварки заключается в широком диапазоне варьирования режимов, обеспечивающих как возможность сварки различных материалов толщиной до десятков миллиметров, таки осуществление различных механизмов проплавлення.
Энергетические признаки технологического процесса лазерной сварки характеризуются в первую очередь мощностью Е, Вт/см2, и длительность воздействия излучения т, с. Процесс сварки может быть осуществлен только при плотности мощности в диапазоне 105-107 Вт/см2. Нижний предел обусловлен эффективностью и экономичностью сравнительно с другими видами сварки, такими как газовое пламя или дуга. При плотности мощности выше 107 Вт/см2 развивается интенсивное испарение и происходит выброс металла. Осуществить лазерную сварку возможно только при определенном сочетании плотности мощности с длительностью воздействия. Выделяют три группы сочетаний, в которые входит весь реальный диапазон режимов лазерной сварки. В первую группу относятся режимы обработки с длительностью воздействия т 10"2 с и плотностью мощности Е = 105-106 Вт/см2. При таких условиях сварка осуществляется непрерывным лазерным излучением с различными длинами волн.
Во вторую группу входят режим обработки с плотностью мощности Е = 106-107 Вт/см2 и длительностью т 10"3 с. Здесь в основном используется импульсно-периодическое лазерное излучение.
Наиболее близкими методами сварки, которые могут эффективно заменить технологический процесс лазерной сварки, являются электронно-лучевой способ, дуговая сварка с неплавящимся электродом, контактная сварка. Сравнительно с дуговой сваркой лазерная сварка отличается в выгодную сторону по следующим признакам — высокая концентрация энергии с малой площадью пятна и как следствие малый объем сварочной ванны; отсутствие электрода, расположенного близко к поверхности сварочной ванны и как следствие отсутствие инородных материалов; возможность сварки в труднодоступных местах ввиду точной фокусировке процесса; существенная меньшая зона термического влияния; высокие скорости сварки (до 9...11 м/мин); возможность передачи энергии по световоду.
Электронно-лучевая сварки также уступает лазерной по многим пунктам: при лазерной сварке не требуется наличия вакуумных камер; трудности сварки электронным лучом широко распространенных сталей перлитного и мартенситного класса толщиной от 30 мм из-за отклонение луча; сложности с роботизацией электронно-лучевой сварки.
Преимущества лазерной сварки перед контактной заключаются в том, что размер сварной точки от лазера намного меньше, отсутствует механическое давление, на порядки выше скорость получения одной точки, возможность сварки через прозрачные среды, возможность сварки материалов с различным электрическим сопротивлением. Также лазерная сварка эффективна для соединения разнородных материалов и композиционных материалов на металлической основе.
К минусам использования технологического процесса лазерной сварки относятся высокая стоимость лазерного оборудования и оснастки, низкая энергетическая эффективность (КПД часто ниже 10%), повышенная сложность устройства лазерного оборудования.
Сварка материалов с толщиной менее 1 мм преимущественно выполняется в импульсном режиме. Процесс воздействия излучения на твердое тело делится на следующие этапы: поглощение излучения и передача энергии колебаниям кристаллической решетки, нагревание металла без разрушения, плавление и разрушение материала в результате испарения, остывание после окончания импульса. На поверхности материала излучение частично поглощается верхним пограничными слоем, частично отражается. Проникновение излучения в металл описывается экспоненциальным законом Бугера-Ламберта. После начала нагрева металла расёт роль теплопроводности в передаче энергии. При повышении температуры материала меняются его теплофизические и оптические свойства, происходят фазовые переходы первого рода. С ростом температуры повышается поглощательная способность материала.
При плавлении твёрдого тела и переходе в жидкое состояние нарушаются дальние связи в кристаллической решетке. Большинство металлов в этом случае характеризуются значительным уменьшением электропроводности и, как следствие, изменением теплопроводности и отражательной способности.
Во время действия лазерного излучения плавление материала зависит от распространения теплового потока, которое в свою очередь определяется теплопроводностью. Но тепловой поток определяется не только теплопроводностью, так как изменение температуры также зависит от удельной теплоемкости вещества. Скорость нагрева обратно пропорциональна удельной теплоемкости. После достижения поверхности материала температуры плавления часть тепловой энергии уходит на испарение. В случае низкой плотности потока скорость тепловой волны намного выше скорости волны испарения. По мере роста плотности потока скорость испарения постепенно приближается к скорости нагрева. Процесс испарения сопровождается выбросом большой части объема жидкой фазы давлением пара из кратера и преждевременной кристаллизацией расплава.
Отсутствие механического воздействия на расплавленную ванну при сварке металлов малых толщин исключает провисание шва, прожоги, подрез. Это связано с тем, что поток фотонов практически не оказывает давления на поверхность расплава.
Лазерная сварка материалов толщиной более 1 мм сопровождается существенно большими тратами энергии. Особенность сварки лазером заключается в получении «кинжального» проплавлення, которое характеризуется высокими значениями коэффициента к, равного отношению глубины проплавлення Н к ширине шва В. В случае глубокого проплавлення этот коэффициент больше 1 и может достигать значений более 10.
После попадания излучения на поверхность металла происходит его нагрев со скоростью, существенно превышающей скорость отвода теплоты вследствие теплопроводности, конвекции и обратного излучения. Начинается локальное испарение, на поверхности формируется лунка, развивающаяся в глубь материала и образующая канал, заполненный парами материала. Закрытию канала препятствует взаимодействие гидростатических сил окружающего жидкого металла, давления паров материала и сил поверхностного натяжения. При определенном значении скорость перемещения луча относительно обрабатываемого участка канал приобретает динамическую устойчивость, затем распространятся далее в глубь. Материал плавится на передней стенке канала и переносится по боковым стенкам на заднюю, затем затвердевает. Таким образом лазерное излучение проникает на некоторую глубину и образуется шов.
Предварительная обработка акустического сигнала лазерного импульса
Взаимодействие лазерного излучения с поглощающими конденсированными средами сопровождается генерацией звуковых или ударных волн, несущих информацию о характере процессов в зоне облучения [1]. Анализ возникающих при обработке лазерным излучением в зоне обработки акустических явлений для оценки возникновения приповерхностной плазмы и фазовых превращений первого рода, таких как плавление или испарение, реализован пока не полностью [2], что частично связано с отсутствием подробной теоретической базы по развитию быстрых фазовых переходов при лазерном воздействии [3]. Существующие же в данной области теоретические исследования не всегда проводятся в непосредственной связи с соответствующими экспериментальными данными.
Была поставлена задача исследовать изменение амплитуды генерируемых в процессе обработки лазерным излучением ультразвуковых волн и проанализировать полученные экспериментальные данные. Выявление зависимости амплитуды генерируемых акустических волн от параметров лазерного излучения позволит использовать этот информативный параметр для более полного контроля процесса обработки в режиме реального времени, что положительно скажется на общей энергоэффективности лазерной обработки.
Для проведения исследований была разработана лабораторная установка, структурная схема которой представлена на рисунке 1.
Акустический сигнал снимался с помощью пьезоэлектрического ультразвукового датчика 400SR. Обработанные результаты для эксперимента с диаметром излучения 0.5 мм приведены на рисунках 2-7, из которых видно, что четырехкратное увеличение плотности мощности при неизменных остальных параметрах приводит к двукратному увеличению амплитуды сигнала. На графиках отображен сигнал, снимаемый с датчика и поглощенная интенсивность в относительных единицах для случаев с плотностью мощности излучения от 3.15-109 до 1.28-1010 Вт/см2. На рисунках 8-13 показан сигнал, снимаемый при диаметре излучения 1 мм в диапазоне плотностей мощности от 7.87-108до3.21-109. O.SimtL Ov Временная зависимость мощности сигнала и поглощенная интенсивность в относительных единицах (штриховые линии) в Ст45 при диаметре излучения 0.5 мм и плотности мощности излучения G = 3.15-109 Вт/см2.
Временная зависимость мощности сигнала и поглощенная интенсивность в относительных единицах (штриховые линии) в Ст45 при диаметре излучения 0.5 мм и Временная зависимость мощности сигнала и поглощенная интенсивность в относительных единицах (штриховые линии) в Ст45 при диаметре излучения 0.5 мм и плотности мощности излучения G = 1.15-Ю10 Вт/см2.
Временная зависимость мощности сигнала и поглощенная интенсивность в относительных единицах (штриховые линии) в Ст45 при диаметре излучения 0.5 мм и плотности мощности излучения G = 1.28-1010 Вт/см2. 1тт270у
Временная зависимость мощности сигнала и поглощенная интенсивность в относительных единицах (штриховые линии) в Ст45 при диаметре излучения 1 мм и плотности мощности излучения G = 7.87-108 Вт/см2.
Временная зависимость мощности сигнала и поглощенная интенсивность в относительных единицах (штриховые линии) в Ст45 при диаметре излучения 1 мм и плотности мощности излучения G = 1.30-109 Вт/см2. 1 -V A
Временная зависимость мощности сигнала и поглощенная интенсивность в относительных единицах (штриховые линии) в Ст45 при диаметре излучения 1 мм и плотности мощности излучения G = 3.20-109 Вт/см2. Рисунок 14: Микроструктура обработанного лазерным излучением (ЛИ) образца.
Как видно из рисунков 8-13, указанная зависимость сохраняется при изменении диаметра излучения, и, как следствие, обратно пропорциональном квадратичном изменении пикового значения поглощаемой интенсивности, что говорит о прямом влиянии величины плотности мощности на амплитуду генерируемого акустического сигнала. На рисунке 14 показана микроструктура обработанного образца.
Результаты проведенных экспериментов показывают, что при обработке лазерным излучением четырехкратное повышение плотности мощности с 3.15-109 до 1.28-Ю10 Вт/см2 в случае диаметра излучения 0.5 мм и с 7.87-Ю8 до 3.20-109 Вт/см2 в случае диаметра излучения 1 мм приводит к росту давления генерируемого акустического сигнала, выражающемуся в увеличении напряжения снимаемого сигнала с 55 до 112 мВ в первом случае и с 48 до 124 мВ во втором, что согласуется с математическими расчетами и численным моделированием, приведенными в работе [1]. Таким образом, полученные экспериментальные данные соответствуют теоретическим исследованиям в данном направлении и позволяют в дальнейшем использовать указанную зависимость для автоматизации управления процессом обработки лазерным излучением и повышения эффективности такой обработки.
Для анализа режимов термообработки при различных плотностях энергии лазерного излучения были проведены исследования на стали 30X13. 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.
Анализ зон термического воздействия лазерного излучения
Исследования показали, что увеличение пикового значения поглощаемой интенсивности лазерного излучения и наличие испарительного процесса сопровождается ростом давления акустического сигнала более чем на порядок. При сварке разнородных металлов контроль обеспечения отсутствия испарения легкоплавкого металла может быть обеспечен анализом значения давления акустического сигнала из зоны взаимодействия лазерного излучения с металлом в режиме реального времени. Оценка амплитуды сигнала в процессе сварки позволяет определить наличие испарительного процесса и автоматически изменить расстояние от стыковой плоскости на более тугоплавком металле с целью понижения температуры легкоплавкого металла и исключения его испарения. Экспериментальная количественная оценка влияния частоты ультразвуковых колебаний на глубину обработки лазерным излучением
Для эффективного использования лазерного излучения необходим постоянный контроль параметров обработки в режиме реального времени, что можно обеспечить только при должной степени автоматизации.
Рассмотрим, возможен ли контроль параметров глубины обработки лазерным излучением на основе анализа акустического сигнала.
Анализ ультразвуковых колебаний проводился по следующей схеме. Лазерное излучение, генерируемое оптическим квантовым генератором, подается на деталь. Мощность накачки и другие параметры излучения задаются в блоке управления оптическим квантовым генератором. К детали подсоединен датчик - пьезокристаллический приемник акустических колебаний. Также, на деталь подаются несущие ультразвуковые колебания, генерируемые генератором ультразвуковых колебаний. Несущими колебаниями обеспечивается модуляция информационного сигнала, что повышает помехозащищенность передаваемой информации.
В момент действия лазерного излучения на металл, с увеличением количества расплавленного материала растет масса жидкого металла в зоне обработке. Как показано в работе [1], этот расплавленный метал в зоне обработки является источником ультразвуковых колебаний. Увеличение массы этой пульсирующей области, излучающей звук, приводит к уменьшению ее собственной резонансной частоты колебаний, что дает возможность на основе анализа частоты ультразвуковых колебаний оценить количество расплава металла. Промодулированный информационный сигнал УЗ колебаний из зоны обработки с датчика подается на цифровой осциллограф, откуда уже по usb-интерфейсу поступает на компьютер, где сохраняется вся снимаемая информация.
Рисунок 30: Сигнал при мощности накачки 10 КДж. Экспериментальные данные, полученные по рассмотренной схеме, представлены на рисунках 30, 31. В качестве материала детали были выбраны марки стали Ст45 и Ст20. На рисунке 30 представлены замеры УЗ колебаний при мощности накачки лазерного импульса 10 КДж, на рисунке 31 - при мощности накачки 15 КДж. Можно видеть, что частота ультразвука в Ст45 при мощности накачки 10 кДж составляет 330 и 400 КГц, а в Ст20 - 50 и 133 КГц. В случае мощности накачки лазерного импульса 15 КДж, частота ультразвука в материале Ст45 составляет 250 КГц, а в Ст20 - 270-290 КГц.
Проведенные эксперименты позволили получить конкретные значения частот колебаний УЗ из зоны взаимодействия. Зная параметры обработки лазерным излучением металла и согласно приведенным в [2] формулам, было рассчитано температурное поле в зоне обработки, представленное объемным графиком на рисунке 32. Здесь представлена зависимость температуры в центре пятна нагрева от глубины Z и от времени Т. Температура плавления металла составляет 1500 градусов Цельсия и представлена на трехмерном графике горизонтальной плоскостью 1. При данных условиях обработки, вся температура, представленная на графике областью 2, расположенной выше температуры плавления, будет представлять собой расплавленный материал в зоне взаимодействия. По данному трехмерному графику можно определить глубину этой расплавленной области. Приняв, что зона термического воздействия представляет собой полусферу, можно рассчитать по известным глубине обработки и плотности металла массу расплава. Зная массу расплавленного металла, полученную в расчете, и замеренную частоту ультразвука, после сопоставления этих двух величин, можно рассчитать количество расплава в зависимости от частоты ультразвука, исходя из того, что с ростом массы пульсирующей области расплава падает его собственная резонансная частота.
На рисунке 33 представлена теоретическая зависимость глубины обработки в зависимости от частоты ультразвука. Глубина обработки рассчитывалась на основе значения массы. Можно видеть, что по мере воздействия лазерного излучения на металл, увеличивается глубина ванны расплавленного металла, и по мере роста глубины снижается частота ультразвука из зоны взаимодействия. Данная зависимость действительна только при небольшой глубине обработки, область значений зависимости составляет от 2 до 6 мм. 8x10
Зная, как меняется глубина обработки в зависимости от частоты УЗ колебаний, можно разработать алгоритм микропроцессорной системы лазерного технологического комплекса, одной из подсистем которого будет являться подсистема контроля глубины обработки на основе акустического сигнала, выделяемого зоной сварки в процессе взаимодействия излучения с металлом.
Таким образом, показано, что анализ частоты ультразвуковых колебаний в зоне воздействия лазерного излучения может быть использован для оценки глубины проплавлення при лазерной сварке. Разработан алгоритм выявления зависимости глубины обработки от частоты ультразвуковых колебаний из зоны воздействия лазерного излучения. Полученная зависимость может быть использована в алгоритме микропроцессорной системы для процесса сварки лазерным излучением с постоянным контролем глубины обработки, что позволит автоматически контролировать в режиме реального времени процесс обработки.
Математическая модель температурного поля в зоне взаимодействия
Анализ ультразвуковых колебаний позволяет судить о параметрах зоны взаимодействия после воздействия лазерного излучения. Модуляционная функция содержит информацию о качестве получаемых отверстий в металлах. Поэтому исследование взаимосвязи параметров ультразвуковых колебаний с показателями качества технологического процесса позволяет осуществлять управление ходом технологического процесса для достижения заданных показателей качества, что приводит к повышению экономической эффективности.
Энергетические процессы в зоне взаимодействия ЛИ с металлом При лазерной термической обработке, в случае Если длительность импульса т достаточно мала и оптический разряд в окружающем газе за время т не возникает, то эффективный коэффициент поглощения Aef может достигать высоких значений. Из этого следует, что эффективность передачи энергии ЛИ обрабатываемому материалу характеризует коэффициент полезного действия процесса лазерной обработки. Его можно представить следующим выражением: где Q - энергия ЛИ, поглощенная на стенках канала; Q - часть энергии факела, поглощаемая стенками канала в результате лучистого и конвективного теплообмена; Q - плотность мощности ЛИ.
Глубина определяется суммарным действием серии импульсов, а диаметр -параметрами отдельного импульса. Если длительность импульса составляет менее 1,5 мс, то толщина испаряемого материала из зоны мала и отсутствует напряженность приповерхностных слоев. rv ЛИ rv наддува rv свет.давл. rv плавл. rv мех. кол. rv отраж. кин. I 1 z,) где WWA - энергия подводимого ЛИ в зону обработки; Наддува - давление защитного газа; Жсветдавл- механическая энергия воздействия ЛИ на поверхность металла; Жплавл- энергия, затрачиваемая на плавление металла и его испарение; й мехкш- энергия механических колебаний ЛИ; Жотраж- отраженная энергия из зоны взаимодействия ЛИ с металлом; W m. - энергия, затрачиваемая на вылет частиц расплавленного металла.
Подводимые энергии: Жли - энергия подводимого ЛИ в зону обработки; наддува = Vo энергия давления защитного газа. Расходуемые Энергии: JVnmlBJI. =cy(T)— + divJ ГДЄ W = -ХТ (r)gradT тепловой поток; Хт - коэффициент теплопроводности; Жоч а.ж. - отраженная энергия (составляет около 30% от мощности ЛИ, так как температура металла превышает температуру плавления и коэффициент поглощения составляет 0,7); й мехкш. = / ф0Т- энергия, затрачиваемая на возбуждение механических колебаний в металле (составляет 5-6% от мощности ЛИ); Жкин = у - энергия, затрачиваемая на вылет частиц расплавленного металла.
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. 39).
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 проплавлення h можно использовать следующую формулу [1]: где ctj{T) - зависимость коэффициента полной поверхностной теплоотдачи от температуры; Т0 - температура окружающей среды; Т - температура поверхности; дт - 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. 40) [3]. 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.
Исследования показали, что увеличение пикового значения поглощаемой интенсивности лазерного излучения и наличие испарительного процесса сопровождается ростом давления акустического сигнала более чем на порядок. При сварке разнородных металлов контроль обеспечения отсутствия испарения легкоплавкого металла может быть обеспечен анализом значения давления акустического сигнала из зоны взаимодействия лазерного излучения с металлом в режиме реального времени. Оценка амплитуды сигнала в процессе сварки позволяет определить наличие испарительного процесса и автоматически изменить расстояние от стыковой плоскости на более тугоплавком металле с целью понижения температуры легкоплавкого металла и исключения его испарения.
На основе заданных параметров ТП обработки лазерным излучением металла Сталь 45 была разработана математическая модель взаимодействия излучения с металлом. Рассчитанное температурное поле в зоне термического воздействия показано объемным графиком на рисунке 32. Здесь представлена зависимость температуры в центре пятна нагрева от глубины Z и от времени Т. Температура плавления металла составляет 1500 градусов Цельсия и представлена на трехмерном графике горизонтальной плоскостью. Можно видеть, что при данных условиях обработки, вся температура, представленная на графике областью выше горизонтальной плоскости температуры плавления, будет представлять собой расплавленный материал в зоне взаимодействия.
Зависимость частоты акустических колебаний от плотности энергии при лазерной термообработке металлов позволяет в реальном времени контролировать температуру в зоне термического влияния. Заданные показатели качества обеспечиваются путем сравнения амплитудного спектра снимаемого во время технологического процесса сигнала со спектром, полученным на этапе технологической подготовки производства. На основе такого способа контроля температуры разработана блок-схема алгоритма работы системы автоматического управления лазерным технологическим комплексом (рисунок 41).