Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ процессов контроля в лазерных аддитивных машиностроительных технологиях. постановка задачи исследования 13
1.1 Аддитивное производство: технологии и материалы, перспективы и прогнозы 13
1.2 Особенности технологии селективного лазерного плавления 19
1.3 Активный контроль как способ повышения качества технологического процесса 27
1.4 Оптическая диагностика как метод контроля процесса СЛП
1.4.1 Методы и инструменты оптической диагностики 34
1.4.2 Пирометрия процесса СЛП 36
1.4.3 Структура системы видеомониторинга СЛП 43
1.4.4 Интегрированные системы оптической диагностики процесса СЛП 44
1.4.5 Инфракрасные датчики излучения в процессе СЛП 52
1.5 Интегральная оптическая диагностика 58
Выводы к главе 1 60
Глава 2. Теоретическое исследование и математическое моделирование геометрии ванны расплава 63
2.1 Основные положения термографии и законов теплового излучения 63
2.2 Активная и пассивная термографии 66
2.3 Принцип измерения температуры инфракрасной камерой 67
2.4 Выбор инфракрасного диапазона 69
2.4.1 Коэффициент излучения реальных поверхностей 70
2.5 Принцип калибровки инфракрасных камер 75
2.6 Математическое моделирование геометрии формы и распределения температуры ванны расплава при лазерном воздействии 76
Выводы к главе 2 82
Глава 3. Экспериментальное исследование процессов селективного лазерного плавления 83
3.1 Материалы и методы
3.1.1 Описание оптической информационно-измерительной системы для диагностики процесса 83
3.1.2 Описание экспериментальной установки для селективного лазерного плавления 84
3.1.3 Описание инфракрасной камеры FLIR Phoenix RDAС 86
3.1.4 Калибровка ИК-камеры 3.2 Методика обработки данных на выходе измерительной информационной системы 90
3.3 Порядок выполнения измерений 92
3.4 Проведение экспериментов на литом материале 93
3.4.1 Восстановление истинной температуры в зоне лазерного воздействия 94
3.5 Визуализация процесса селективного лазерного плавления металлического плавления в зоне лазерного воздействия 100
3.6 Восстановление истинной температуры плавления металлического порошка INOX 316L 104
3.7 Влияния скорости сканирования и мощности лазерного излучения на геометрию ванны расплава 106
3.8 Влияние защитной среды на процесс селективного лазерного плавления
3.8.1 Оптическая диагностика лазерной обработки литого материала 114
3.8.2 Оптическая диагностика СЛП порошка SS 316L (толщина слоя порошка 40 мкм) 117
3.8.3 Оптическая диагностика СЛП порошка SS 316L (толщина слоя порошка 80 мкм) 120
3.8.4 Оптическая диагностика СЛП порошка SS 410 124
Выводы к главе 3 128
Глава 4. Разработка и исследование измерительной информационной системы контроля геометрических параметров зоны слп на основе морфологического анализа термоизображений 129
4.1 Морфологическое представление температурного поля единичного трека 129
4.2 Бинарное распознавание термоизображения единичного трека 133
4.3 Критерий качества единичного трека 134
4.4 Экспериментальное исследование процесса контроля селективного лазерного плавления 135
4.5 Метрологический анализ разработанного метода контроля 137
4.6 Пути дальнейшего совершенствования систем селективного лазерного плавления с активным контролем по термоизображениям треков 142
Выводы к главе 4 146
Заключение 147
Список литературы 149
- Оптическая диагностика как метод контроля процесса СЛП
- Выбор инфракрасного диапазона
- Визуализация процесса селективного лазерного плавления металлического плавления в зоне лазерного воздействия
- Критерий качества единичного трека
Введение к работе
Актуальность работы. Аддитивное производство (АП) к настоящему времени позволяет получать металлические и неметаллические прототипы, а также функциональные изделия, которые почти не требуют последующей механической обработки, как, например, аддитивное производство методом селективного лазерного плавления порошка (СЛП).
Согласно отчету (Wohlers Report 2013, Wohlers Associates) мировой рынок аддитивного производства в 2013 году составил $2.200 млн, причем средний ежегодный прирост достиг 25% в последние несколько лет. Эксперты отмечают, что по прогнозу до 2021 года, мировой рынок может вырасти в 5 раз и составить $10.800 млн. Развитие технологий аддитивного производства становится значимым фактором в увеличении конкурентоспособности промышленных предприятий России, в особенности, наукоемких предприятий энергетики, транспорта и авиационно-космической промышленности. Сегодня Россия имеет около 2% рынка аддитивного производства (в основном, в части производства изделий и прототипов) и только начинает внедрять эти инновационные технологии в промышленность.
Изготовление детали сложной геометрической формы методом СЛП длится 10-20 часов и осуществляется в закрытом пространстве без достаточного оптического доступа, что объясняется необходимостью работы в стационарной защитной атмосфере, подогреве рабочей зоны и требованиями безопасности рабочего персонала. В течение длительного времени оператор остается без какой-либо информации о качестве технологического процесса. Отсутствие оперативного контроля в лазерной обработке является одним из главных препятствий на пути ее широкого промышленного внедрения.
Учитывая время изготовления изделия, а также критическую
необходимость обеспечения качества полученного изделия (для целевых
потребителей технологии, таких как: авиакосмическая отрасль, атомное
машиностроение и ВПК), стоимость ошибки возрастает многократно. Можно
заключить, что, в значительной степени, отсутствие контроля процесса СЛП
тормозит его внедрение в промышленность. Применение методов оптической
диагностики позволит визуализировать процессы лазерной обработки,
контролировать качество процесса, анализируя сигнал, полученный
диагностическим оборудованием. Расшифровка и анализ обратного сигнала при помощи современного программного обеспечения позволит автоматически управлять качеством получаемого трека или поверхности в процессе изготовления. Исходя из того, что изделие, получаемое методом СЛП, является суперпозицией единичных треков, его качество будет складываться из качества каждого трека. Нарушение геометрии одного трека может привести к образованию пор или трещин, что, в свою очередь, может повлиять на эксплуатационные характеристики изделия и вызовет отказ конкретного узла или всей системы, в которой оно установлено.
Таким образом, инновационная технология СЛП, очевидно, нуждается в измерительной информационной системе для непрерывного контроля зоны лазерного воздействия. Открываются возможности активного контроля СЛП. При этом в традиционных «вычитающих» технологиях такой активный контроль широко применяется.
Сложность применения измерительных и управляющих систем контроля в технологии СЛП, в первую очередь, связана с проблемами определения главного фактора, влияющего на процесс (контролируемой величины), а также принципами его управления. Базой для создания систем активного контроля является оптическая диагностика процесса СЛП.
Степень разработанности темы исследования. Решение проблем контроля процесса СЛП является актуальной задачей. На сегодняшний момент представлены работы по использованию различных способов мониторинга, визуализации и исследований процесса. Основные типы используемых приборов, такие как пирометры, высокоскоростные камеры с ПЗС-матрицей и инфракрасные камеры, широко используются в научных исследованиях лазерных процессов.
Существенный вклад в исследование процесса СЛП внес Жан-Пьер Крут. Множество работ с его участием рассматривают вопросы контроля качества изделий, получаемых методом СЛП. Под его руководством разработаны системы, позволяющие контролировать размеры конечных изделий со сложнопрофильной геометрией. Кроме того, некоторые исследования Крута направлены на внедрение видеокамер в оптический путь установки, позволяющие визуализировать зону лазерной обработки. Значимые работы в области оптической диагностики процесса селективного лазерного плавления принадлежат Смурову И.Ю, Дубенской М.А. Авторы использовали, интегрированный в оптическую систему установки СЛП, пирометр для измерения температуры, а также исследовали влияние на нее параметров лазерного плавления (толщина слоя порошка, расстояние между треками, стратегия сканирования). Множество исследований, направленных на установление влияния рабочих параметров (мощности лазерного излучения, скорости сканирования, толщины слоя порошка, стратегии сканирования) и свойств материала на качество изготавливаемого объекта, а также моделирование процесса СЛП проведены профессорами Ядройцевым И.А. и Ядройцевой И.А.
Большое количество работ по созданию диагностических систем проведено Thombansen U., Gatej A., Pereira M., Craeghs T., Clijsters S., Furumoto T., Alkahari M.R.
В большинстве исследований использовались системы наблюдения, установленные на одном оптическом пути вместе со сканирующей лазерной оптикой. Это накладывает некоторые ограничения на возможности мониторинга, как-то: низкое пространственное разрешение, установка зеркал для одного диапазона длин волн. Для измерения температуры с использованием пирометра необходима калибровка через всю оптическую систему, в связи с
этим некоторые авторы устанавливают диагностические приборы непосредственно в зоне обработки. Существующие разработки направлены в основном на диагностику и понимание явлений, происходящих в зоне лазерного воздействия. На данный момент в промышленных установках СЛП не реализован активный контроль.
В связи с этим возникает актуальная задача создания измерительной информационной системы контроля с использованием достижений в области оптического мониторинга процесса СЛП. В этом случае, в качестве контролируемого объекта необходимо использовать распределение температуры, а именно геометрию ванны расплава, в качестве измерительного прибора - инфракрасную камеру. Процесс управления осуществлять, при помощи изменения параметров сканирования.
Цель работы - повышение качества формообразования изделия на основе непрерывного контроля формирования единичных треков в процессе СЛП.
Для достижения поставленной цели решаются следующие научные задачи:
анализ существующих методов оптической диагностики процесса селективного лазерного плавления металлического порошка;
разработка методики измерения температуры в зоне лазерного воздействия;
определение влияния основных параметров процесса селективного лазерного плавления (мощность лазерного излучения, скорость сканирования лазерного луча, толщина слоя порошка) на температуру в зоне обработки, на термоцикл металлической поверхности без порошка и на термоцикл поверхности со слоем порошка различной толщины;
определение размеров ванны расплава и непосредственно прилегающей к ней рабочей зоны, а также наблюдение явлений, происходящих в процессах селективного лазерного плавления;
определение фактора, по изменению параметров которого осуществляется технологическое воздействие на процесс;
разработка алгоритма измерительной информационной системы непрерывного неразрушающего контроля стабильности процесса формирования единичного трека;
морфологический анализ термоизображений зоны лазерного воздействия, полученных посредством инфракрасной камеры;
разработка принципа построения и структуры системы активного контроля процесса на основе морфологического анализа термоизображений с помощью инфракрасной ПЗС- камеры.
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:
получена оценка значения температуры в ванне расплава и в зоне термического влияния в процессе СЛП металлических порошков;
разработана методика измерения температуры в процессе СЛП металлического порошка;
определено влияние основных технологических параметров процесса СЛП, а именно: мощности лазерного излучения, скорости сканирования луча и толщины слоя порошка на тепловые процессы в зоне спекания порошка различных материалов (INOX 304L, INOX 316L, Alloy 410, 15-5 РН);
определена связь между типичным распределением температуры в зоне воздействия лазера и стабильностью/нестабильностью процессов спекания порошка, которая открывает перспективы для определения «технологических окон» для широкого класса металлических порошков и различных установок селективного лазерного плавления;
выявлен определяющий фактор для контроля геометрического параметра зоны СЛП - распределение температурного поля вдоль строки матрицы изображения с максимальной температурой;
на основе морфологического анализа термоизображений поля разработан принцип и алгоритм измерительно-информационной системы непрерывного неразрушающего контроля стабильности процесса формирования единичного трека.
Теоретическая и практическая значимость работы заключается в:
разработанном методе восстановления истинной температуры при помощи инфракрасной камеры в зоне лазерного воздействия в процессе СЛП металлического порошка;
полученных коэффициентах излучения для металлических порошков при температуре плавления в инфракрасном диапазоне от 3 до 5 мкм;
установленной связи температуры и геометрии ванны расплава с мощностью лазерного излучения и скоростью сканирования;
разработанном алгоритме измерительной информационной системы контроля стабильности процесса формирования единичного трека;
предложенном принципе непрерывного неразрушающего контроля с обратной связью для управления параметрами сканирующей системы (мощность лазерного излучения, скорость сканирования) на основе морфологического анализа термоизображений.
Методология и методы. При выполнении теоретических и экспериментальных работ использовались: метод теории термографии, теории серого тела, современные программные средства (система компьютерной алгебры, пакет прикладных программ для решения задач технических вычислений, пакет численного анализа данных и научной графики). Эксперименты выполнялись с использованием стандартных и оригинальных методик, а также калиброванных измерительных приборов.
Положения, выносимые на защиту:
Разработанная методика измерения температуры в зоне лазерного воздействия;
Результаты исследования влияния основных параметров процесса селективного лазерного плавления (мощность лазерного излучения, скорость сканирования лазерного луча, толщина слоя порошка) на температуру в зоне обработки, на термоцикл металлической поверхности
без порошка и на термоцикл поверхности со слоем порошка различной толщины;
Определяющий фактор, по изменению параметров которого осуществляется технологическое воздействие на процесс;
Результаты анализа геометрических размеров ванны расплава и непосредственно прилегающей к ней рабочей зоны, а также явлений, происходящих в процессах селективного лазерного плавления;
Результаты морфологического анализа термоизображений зоны лазерного воздействия, полученных посредством инфракрасной камеры;
Предложенный принцип построения и структура системы активного контроля процесса на основе морфологического анализа термоизображений с помощью инфракрасной ПЗС- камеры.
Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность результатов экспериментальных исследований обеспечена математическими расчетами на основе линейной модели нагрева полубесконечного тела непрерывно действующим гауссовым тепловым источником, предложенной профессором Рыкалиным. Эксперименты проводились в сертифицированных лабораториях с использованием аттестованных приборов и оборудования. Обработку результатов измерений осуществляли с использованием статистических методов и специального программного обеспечения. Достигнута согласованность экспериментальных данных с расчетами для основных рабочих параметров процесса СЛП. Основные положения работы отражены в научных трудах, которые включают 4 патента на полезную модель, 10 статей в журналах, рекомендованных ВАК для публикации трудов соискателей ученых степеней, 14 статей в журналах, индексируемых в базах данных Web of Science и Scopus.
Основные результаты работы представлены на международных и всероссийских симпозиумах и конференциях: ХIII Международной научно-технической конференции (Пенза, 2015); XX Международном симпозиуме «Динамические и технологические проблемы механики конструкций и сплошных сред» имени А.Г. Горшкова (Москва, 2014); XVII Международной научно-технической конференции «Современные Технологии в машиностроении» (Москва, 2013); XVI Международной научно-практической конференции «Технологии упрочнения, нанесения покрытий и ремонта: теория и практика» (Санкт-Петербург, 2014); IUTAM Symposium on Growing solids Symposium Materials (Москва, 2015); II Международной конференции «Аддитивные технологии: настоящее и будущее», ФГУП «ВИАМ» ГНЦ РФ (Москва, 2016).
Результаты исследований, представленные в работе, апробированы в научно-исследовательских лабораториях ФГБОУ ВО «МГТУ «СТАНКИН» и Национальной инженерной школы г.Сент-Этьенн (ENISE, Франция) в ходе прохождения стажировки в рамках Стипендии Президента Российской Федерации для обучения за рубежом в 2014-2015гг. Стажировка проходила под руководством кандидата технических наук, профессора Национальной
инженерной школы г.Сент-Этьенн, Университет Лиона, Франция, Дубенской Марии Андреевны.
Материалы работы использованы при выполнении гранта № 14-19-01647
Российского Научного Фонда (2014-2016г.) «Исследование
высокотемпературного тепло- и массопереноса при селективном лазерном плавлении порошка и лазерной наплавке методами оптической диагностики».
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из
введения, 4 глав, заключения, списка литературы, приложений. Представленная
работа содержит 158 страниц машинописного текста, включая 101 рисунок, 14
таблиц и 91 наименования использованных литературных источников. По
названию и содержанию материалов диссертационная работа соответствует п. 6
раздела «Области исследований» Паспорта специальности 05.11.16
«Информационно-измерительные и управляющие системы (в
машиностроении)».
Оптическая диагностика как метод контроля процесса СЛП
Под аддитивными технологиями (additive manufacturing) принято понимать технологии создания трехмерных функциональных объектов методом послойного добавления материала [1]. Все аддитивные технологии используют компьютерное и программное обеспечение, необходимые для моделирования трехмерных объектов (САD, САПР и т.д.), непосредственно производственную установку и расходный материал. Спроектированная в среде САПР математическая модель детали передается на производственную установку, которая разбивает модель на слои (горизонтальные сечения) и при необходимости добавляет так называемые подпорные конструкции. Затем происходит "выращивание" объекта слой за слоем [2].
Аддитивные технологии различны между собой используемым материалом и способом его нанесения, тем не менее, для всех процессов концепция создания модели основывается на послойном наращивании. Материалом для создания объектов может быть пластик, бетон, гипс, деревянное волокно, поликарбонат, металл, живые клетки или шоколад [3].
Разработкой технических стандартов и терминологии аддитивных технологий занимается организация ASTM International (American Society for Testing and Materials). Стандарт ASTM F2792 дает определение аддитивных технологий так: «Процесс объединения материала с целью создания объекта из CAD-модели, как правило, слой за слоем, в отличие от "вычитающих" производственных технологий» [4]. Так называемыми "вычитающими" технологиями обозначаются механообработка - удаление («вычитание») материала из заготовки. Рекомендованы два основных термина - Additive Fabrication (AF), Additive Manufacturing (AM), также допускается название «технологии послойного синтеза» [4].
В международном сообществе, так же, как и в России, конкретной классификации аддитивных технологий пока не принято. Различные авторы подразделяют их: по используемым материалам (жидкие, сыпучие, полимерные, металлопорошковые и т. д.); по наличию или отсутствию лазера; по методам подвода энергии для фиксации слоя построения (с помощью теплового воздействия, облучения ультрафиолетовым или видимым светом, посредством связующего состава и т. д.); по способу формирования слоя.
Принцип формирования слоя делит аддитивные технологии на два вида. Особенность первого вида, Bed Deposition, заключается в том, что перед началом процесса создается слой материала, например, насыпают на рабочую платформу порошковый материал и разравнивают порошок с помощью валика или «ножа», создавая таким образом ровный слой материала определенной толщины; затем выборочно (селективно) обрабатывают порошок в сформированном слое лазером или иным способом, скрепляя частички порошка (переплавляя, сплавляя или склеивая) в соответствии с текущим сечением исходной CAD-модели. Положение плоскости построения неизменно. При этом часть строительного материала (в данном случае - порошка), которая не попала в контур сечения модели, остается нетронутой. Для данной технологии используется термин «селективное лазерное плавление» или «селективный синтез» (по-английски SLS/SLM - Selective Laser Sintering/Melting), если источником концентрированной энергии является лазер [4].
Ко второму виду аддитивных технологий, Direct Deposition («прямое или непосредственное осаждение (материала)»), относятся технологии, в которых используемый материал подается непосредственно в точку, куда подводится энергия и где происходит в данный момент построение фрагмента детали. Наиболее распространенным видом такой технологии является «Лазерная наплавка» [5].
Можно также выделить наиболее популярные технологии аддитивного производства: FDM (Fused deposition modeling) — послойное построение изделия из расплавленной пластиковой нити (Рисунок 1.1). Это самый распространенный способ 3D-печати в мире, на основе которого работают миллионы 3D-принтеров — от самых дешевых до промышленных систем трехмерной печати. FDM-принтеры работают с различными типами пластика, самым популярным и доступным из которых является ABS. Изделия из пластика отличаются высокой прочностью, гибкостью, прекрасно подходят для тестирования продукции, прототипирования, а также для изготовления готовых к эксплуатации объектов [6]. Крупнейшим в мире производителем пластиковых 3D-принтеров является американская компания Stratasys [6].
Выбор инфракрасного диапазона
Автоматизация контрольных операций может осуществляться по линии автоматизации технологического (активного) и послеоперационного методов контроля, которые отражают два принципиально различных направления развития технического контроля. Активный контроль, направленный на профилактику брака, т.е. на обеспечение необходимого качества (точности) размерных и других параметров изделий в самом процессе их получения, является наиболее прогрессивным, а, следовательно, и перспективным [37].
Согласно утверждению академика И.И. Артоболевского развитие активного контроля является важнейшей предпосылкой повышения качества изделий, автоматизации технологических процессов высокой точности, снижения потерь от брака и расходов на контроль [37].
Погрешности, связанные с износом инструмента ввиду тепловых и силовых деформаций технологической системы, достаточно сложно компенсировать методом предварительной настройки промышленной установки, например, путем включения функций их изменения в исходных данных систем программного управления. Невозможность запрограммировать описанные погрешности вызывается тем, что они носят случайный характер.
Использование различных датчиков при автоматическом контроле с различными методами преобразования измерительного сигнала является отличительной особенностью конкретной системы контроля. Такие датчики являются наиболее важными определяющими элементами приборов автоматического контроля. Используемые сегодня методы контроля разделяют на методы послеоперационного (пассивного) контроля и методы технологического (активного) контроля. При послеоперационном контроле с помощью средств измерения фиксируются значения каких-либо параметров деталей и изделий с целью их разбраковки или сортировки. К активному контролю относиться любой метод контроля, по результатам которого вручную или автоматически осуществляется воздействие на технологический процесс [38].
Для компенсации технологических погрешностей используют так называемые подналадочные системы. Они представляют собой измерительные приборы, которые при помощи обратной связи оказывают воздействие на режимы станка, когда значение измеряемого параметра выходит за границы допуска [37].
На рисунке 1.13 представлен пример подналадочной системы при сквозном бесцентровом шлифовании колец подшипников.
После шлифования, кольца перемещаются на позицию измерения и с помощью электроконтактного датчика 1 осуществляется контроль. Так как шлифовальные круги изнашиваются, диаметры колец подшипников увеличиваются, приближаясь к предельному значению поля допуска. В тот момент, когда замыкается контакт датчика по обратной связи, подается сигнал на подналадку. Электрический сигнал от датчика поступает в электромагнит, который управляет перемещением храпового механизма 2. Этот механизм связан с шлифовальной бабкой с помощью ходового винта. При повороте храпового колеса осуществляется перемещение шлифовальной бабки на величину подналадочного импульса. Вследствие этого размер колец подшипника уменьшается и цикл повторяется снова. В данной системе размер обработанной детали является выходным параметром активного контроля. На сегодняшний момент автоматизация технологически процессов не может происходить без применения измерительных приборов, так как они предоставляют полную информацию о состоянии производства на каждом этапе. Как правило, это информация предоставляется в виде электрических сигналов, поскольку управлять исполнительными органами станка удобнее с помощью электрической энергии. Приборы для активного контроля могут быть электроконтактными, пневматическими, радиоактивными, емкостными, индуктивными, фотоэлектрическими, ультразвуковыми, оптическими, механическими и т. д. В ходе исследований профессоров Б.С. Балакшина, чл.-корр. РАН Соломенцева Ю.М. и их научных школ было установлено, что использование систем автоматического управления упругими перемещениями станка способствует повышению общей производительности станка на 30 – 300 %, при этом точность изготовления увеличивается в 2-5 раз [39].
Главная задача любого технологического процесса изготовления изделий является обеспечение их качества при минимальной себестоимости и затратах природных ресурсов. Точность изделия отвечает не только за непосредственное выполнение им служебного назначения, но и является одной из предпосылок для срока службы.
Точность конечного изделия и его последующий срок службы во многом зависит от качества составных деталей. Качество каждой детали в свою очередь характеризуется точностью, свойствами материала, качеством поверхностного слоя и т. д.
Достижение высокой точности требует вмешательства в процесс изготовления детали и управления рабочими параметрами.
Профессором Б.С. Балакшиным и его научными школами установлено, что во многих исследованиях из множества случайных факторов влияющих в процессе обработки на величину поля рассеяния можно выделить два: отклонение припуска на обработку и отклонение твердости материала.
Визуализация процесса селективного лазерного плавления металлического плавления в зоне лазерного воздействия
Каждый раз при проведении радиометрических измерений различают два типа инфракрасной термографии [50]:
Пассивная термография - исключительно качественный или количественный подход, когда термическая модель естественна. Она состоит в том, чтобы снимать элементы, поверхности, которые естественно подвергнуты значительным изменениям температуры или, когда наблюдаемое термическое явление не воспроизводится в лаборатории (естественные феномены). Разница в несколько градусов выше температуры области наблюдения может указывать на потенциальный риск дефекта (расслаивание, трещины, включения).
Этот метод обычно используется в мониторинге инфраструктуры и крупных сооружений, промышленности и т.д.
Активная термография - метод, при котором необходимо обеспечить нагрев испытуемого образца для увеличения теплового контраста между фоном и объектом, а также для увеличения отношения сигнал/шум. Созданием температурного градиента можно выделить наличие каких-либо внутренних дефектов или просто определить теплофизические свойства материала. Используют методы теплового возбуждения образцов либо оптические (галогенные лампы, лазер и т.д.) или механические (ультразвуковые колебания и т.д.).
В данной работе используется метод пассивной термографии для контроля процесса в зоне лазерного воздействия.
Измерение инфракрасного излучения происходит с помощью инфракрасной камеры. Это измерительный прибор, выполненный с возможностью преобразовывать инфракрасное излучение, испускаемое поверхностью объекта, и позволяет визуализировать распределение температуры, получать так называемые термограммы [80].
Инфракрасная камера, которая была использована в ходе данного исследования, состоит из матрицы детекторов, которая получает излучение, исходящее с маленькой площади исследуемого объекта в данном направлении и для данного диапазона длин волн.
В идеале все излучения, полученные с помощью камеры, должны исходить от изучаемого объекта. В действительности же, сигнал состоит из трех частей: излучение самого объекта; излучение, испускаемое окружающей средой и отраженное от поверхности объекта; излучение атмосферы, находящееся между поверхностью объекта и детектором излучения (Рисунок 2.2).
Состав излучения, полученный инфракрасной камерой [50] Яркость, полученную камерой, можно представить следующим образом [69]: U = татм[ L0 + (1 - є) Le] + (1 - татм) LaTM (2.6) где L - яркость, фиксируемая камерой (Втм-2ср1), U - излучение самого объекта (Втм-2ср1), U - излучение окружающей среды (Втм-2ср1), Latm - излучение атмосферы (Втм-2ср1), є - коэффициент излучения объекта, таШ - коэффициент пропускания атмосферы. Применение данного уравнения требует несколько предположений: температура объекта T0 постоянна в каждой точке измеряемой поверхности; окружающая среда считается идеальным излучателем при постоянной температуре Те; изучаемый объект ведет себя как серое тело, то есть он имеет постоянный коэффициент излучения для данного спектрального диапазона. Это уравнение, называемое радиометрическим, в последствии позволяет преобразовать измеренные температуры в температуры реальные.
Критерий качества единичного трека
Для проверки методики измерения температуры и геометрии формы ванны расплава измерительной информационной системой на основе ИК-камеры на начальном этапе исследовалось влияние лазерного излучения на поверхность стальной пластины (INOX 304L).
Нержавеющая пластина (подложка) была установлена в рабочую область экспериментальной установки и обработана при следующих параметрах: скорость сканирования – 50 мм/с, 100 мм/с, 200 мм/с и 300 мм/с, мощность лазера – 20 Вт и 30 Вт. Разрешение ИК-камеры было установлено 128x64 пикселей с частотой кадров 2278 Гц, 0,01 мс – время экспозиции, 87 пикселей изображения соответствовали одному миллиметру поверхности. Использование ИК-камеры для наблюдения за ванной расплава позволило оценить влияние скорости сканирования и мощности лазерного излучения на распределение температуры в зоне лазерного воздействия. На рисунке 3.9 показано влияние скорости сканирования лазера на распределение уровня сигнала ИК-камеры в зоне воздействия.
Зависимость сигнала камеры в у.е. от скорости сканирования лазерного излучения на стальной подложке. (а)- Продольный и (б) -поперечный профиля сигнала по отношению к направлению сканирования. Мощность лазера 30 Вт. Кривая 1 соответствует скорости сканирования 50 мм/c; 2 -100 мм/c; 3 -200 мм/c; 4 -300 мм/c. Для перехода от сигнала камеры к истинной температуре, необходимо сопоставить его с калибровочной кривой, получив яркостную температуру, и затем, с учетом излучательной, способности перейти к реальной температуре.
Важным пунктом данного диссертационного исследования является разработка метода восстановления истинной температуры в зоне лазерного воздействия при помощи измерительной информационной системы, построенной на базе ИК-камеры. Основная идея заключается в нахождении реперной точки для расчета коэффициента излучения независимо от исследуемого материала. Значение ширины переплавленного трека накладывается на изотермы, полученные с ИК-камеры. Установленный при этом уровень сигнала будет соответствовать температуре плавления материала, так как ширина трека соответствует ширине границы жидкое/твердое при лазерном воздействии.
Рисунок 3.10. Ширина трека, полученная на электронном микроскопе в мкм, параметры: скорость сканирования 100 мм/с, мощность лазера, а - 30 Вт, b - 20W
На рисунке 3.10 изображены переплавленные треки металлической подложки из стали INOX 304L для скорости сканирования 100 мм/с и мощности лазера 20 и 30 Вт. Из-за изменения микроструктуры материала после плавления, границы ширины ванны расплава хорошо различимы. В таблице 3.2 указано соответствие значения сигналов ИК камеры и ширины трека при различных параметрах сканирования.
Зависимость ширины трека и уровня сигнала от параметров сканирования Мощность лазера 20 W 30 W Скоростьсканирования,мм/с Ширинатрека,мкм Уровеньсигналакамеры,у.е. Ширинатрека,мкм Уровеньсигналакамеры, у.е.
Таким образом, как видно из таблицы, средний уровень сигнала инфракрасной камеры, соответствующий ширине расплавленного трека равен 2811 условных единиц.
Для восстановления истинной температуры в зоне лазерного воздействия использовалась модель серого тела [50], которая допускает, что излучательная способность металла в заданном спектральном диапазоне остается постоянной.
Исходя из калибровочной кривой (Рисунок 3.6), 2811 у.е. сигнала ИК-камеры соответствуют яркостной температуре 950 C. Рассчитанная по закону Планка [80], излучательная способность в точке плавления нержавеющей стали 304L (1450 C) для спектрального диапазона ИК камеры от 1=3 мкм до 2=5 мкм составляет 0.37 [79]: я5 я5 К ;Я2 2 5Я) = Я2 2 еЛктткиЕ_1 /1С eAfeTBR_1 )dX, (3.1) где c = 2,99792458 108 [м с-1] – скорость света, h = 6,626076 10-34 [Дж с] – постоянная Планка, k = 1,38 10-23 [Дж/К] – постоянная Больцмана, TBR , [K] – яркостная температура чёрного тела, TTRUE , [K] – реальная температура тела, - излучательная способность.
Распределение истинной температуры по формуле (3.1) с учетом излучательной способности 0.37 в зоне лазерного воздействия на поверхности нержавеющей стали 304L для скорости сканирования лазерного луча 300 мм/с и мощностей лазера 20 и 30 Вт представлены на рисунке 3.11 а, б.
Распределение истинной температуры в зоне лазерного воздействия на поверхности нержавеющей стали 304 L. Параметры: излучательная способность – 0.37, скорость лазерного сканирования – 300 мм/с, (а) – 20 Вт, (б) – 30 Вт. Распределение истинной температуры в зоне воздействия указывает на геометрический рост формы ванны расплава при фиксированной скорости сканирования 300 мм/с и увеличением мощности лазера от 20 до 30 Вт.
Увеличение скорости сканирования от 50 до 300 мм/с при фиксированной мощности лазера приводит к снижению температуры в зоне воздействия (Рисунок 3.12 а и б). а б
Зависимость истинной температуры в зоне воздействия лазера на поверхности нержавеющей стали 304L от скорости сканирования. (а) Продольный и (б) - поперечный профили сигнала по отношению к направлению сканирования. Кривая 1 соответствует скорости сканирования 50 мм/с, мощности 20 Вт; 2 - 50 мм/с, 30 Вт; 3 - 300 мм/с, 20 Вт; 4 - 300 мм/с, 30 Вт Зависимость ширины зоны расплава от скорости сканирования при фиксированной мощности лазера 20 и 30 Вт представлена на рисунке 3.13. Ширина зоны расплава получена на основе различных методов измерений: ИК-камеры (Рисунок 3.13, кривые 1 - мощность лазера 30 Вт и 4 - мощность лазера 20 Вт); ширины переплавленной зоны измеренной на поверхности пластины с помощью микроскопа (Рисунок 3.13, кривые 2 - мощность лазера 30 Вт и 5 - мощность лазера 20 Вт) и ширины переплавленной зоны плюс ЗТВ (Рисунок 3.13, кривые 3 -мощность лазера 30 Вт и 6 - мощность лазера 20 Вт). При низких скоростях сканирования зона термического влияния больше, чем при высоких скоростях: ЗТВ /а, где а - коэффициент температуропроводности [м2/с1, d - диаметр лазерного луча [м], V - скорость сканирования [м/с]. Следует отметить, что окисление материала в ЗТВ, приводит к увеличению уровня сигнала, измеряемого ИК-камерой и, следовательно, увеличению размера зоны плавления, регистрируемого ИК-камерой. а б