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 79
- Особенности технологического процесса лазерной сварки
- Предварительная обработка акустического сигнала лазерного импульса
- Анализ зон термического воздействия лазерного излучения
- Уравнение энергетического баланса при воздействии ЛИ на металл
Особенности технологического процесса лазерной сварки
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. 1.4. Технология процесса лазерной сварки
Для сварки материалов малых толщин наиболее распространено использования импульсного излучения. Основными параметрами такой сварки являются энергия импульса, диаметр сфокусированного луча, длительность импульса, положение фокального пятна относительно поверхности материала, скорость сварки. К критериям качества сварных соединений относятся размеры литой зоны (или геометрия сварного шва), технологическая прочность, механические свойства соединений, отсутствие внутренних и внешних дефектов, структура шва, химический состав.
Энергия импульса влияет на количество теплоты, поступающее в зону обработки, на длительность импульса, его расходимость и структуру). Длительность импульса показывает время взаимодействия излучения с материалом. В зависимости от толщины свариваемого материала можно подобрать свой оптимальный диапазон длительностей импульса и получить соединение без лишнего выброса материала. При сокращении длительности импульса растеи мощность и достигается большая глубина обработки, однако возрастает также и количество испарившегося вещества, что ограничивает область значений длительности импульса. Чаще используют длительность со значением ближе к верхнему пределу, что позволяет улучшить качество соединения и уменьшить пористость после застывания.
Соотношение площади нагрева с плотностью мощности при заданной глубине проплавлення определяет требуемый диаметр сфокусированного луча, который обычно находится в пределах 0,05...1,0 мм. Расфокусировка излучения — это смещение поверхности свариваемых деталей выше или ниже фокальной плотности объектива с наименьшим диаметром светового пучка. Размеры литой зоны (геометрия сварного шва) зависят от затраченной на нагрев энергии, времени нагрева, диаметра пятна излучения.
Предварительная обработка акустического сигнала лазерного импульса
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.
Схема воздействия лазерного излучения с металлом. Tsi — граница раздела твердой и жидкой фазы металла. Tsur — граница раздела жидкой фазы и атмосферы.
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. О,8
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. lnm Ov
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. 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; и 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 1.15 1010 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, изображенной 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. 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.
При анализе сигнала из зоны обработки основное требование предъявлялось к необходимости обнаружить наличие информационного сигнала на фоне других сигналов и шумов. Сигналы, обладающие конечной энергией, имеют спадающий характер временной функции и модуля спектральной функции. Задавшись некоторым уровнем относительно максимума функции, непосредственно по графику были определены точки пересечения этих функций с заданным уровнем. Абсциссы этих точек (координаты горизонтальных осей времени или частоты) позволили определить искомые параметры функций.
Для частотной области сигнала в качестве такого уровня отсечки шума было выбрано значение 0.5 от максимума. На рисунке 20 такая эффективная ширина спектра ограничена частотами fi=8.984 106 Гц и f2=1.094 107 Гц, и представлена, таким образом, частью спектра шириной в 1.953 106 Гц.
Анализ зон термического воздействия лазерного излучения
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.
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: А _QJIA3+QW_ (11) Qs 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.
Уравнение энергетического баланса при воздействии ЛИ на металл Процесс воздействия ЛИ на металлы можно описать энергетическим уравнением [4]: W+W +W =W +W +W +W (М\ 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; 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 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.
Характер изменения температуры металла по глубине фокуса лазерного излучения от длительности импульса. 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).
Уравнение энергетического баланса при воздействии ЛИ на металл
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.
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.
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.