Введение к работе
Актуальность -работы. Использование излучения лазеров и создание их на основе технологических процессов превратилось в высокоэффективное средство производства. В настоящее время принята программа "Создание и производство лазерной техники для народного хозяйства"; которая призвана обеспэчигь широкое внедрение лазерной технологии в производство. Однако на сегодняшний день успешное внедрение методов лазерной обработки в промышленность сдерживается развитием эффективных методов и средств контроля и регулирования технологических процессов. Используемые в настоящее время методы и способы диагностики эснованн, как правило, на контроле вторичных - сопутствующих троцессу лазерной обработки - физических явлений, и не отражают действительной тепловой картины, определяющей эффективность обра-5отки. Так как наиболее общим интегральным параметром, отражающим сарактер воздействия концентрированного лазерного излучения на «еталлы, является температурное состояние в зоне лазерной обра-5отки, то одними из эффективных методов контроля технологических процессов являются методы, основанные на измерении величины температуры и характеристик термических циклов поверхности зо-гн обработки. Специфические условия, возникающие в области воздействия-концентрированного лазерного излучения, делают затруд-гительннм, а чаще и невозможным, применение контактных методов [змерения температур. Наиболее перспективными являются оптичес-:ие методы измерения температур. Однако, как показано в первых кспериментах, для разработки универсальной методики оптического змерения температуры поверхности зоны лазерного воздействия 'ребуются исследования влияния образующегося приповерхностного
лазерного факела и плазмы на измерение температуры и излучатель-ных свойств поверхности в процессе обработки. Необходимость детального к количественного учета влияния лазерного факела дикту-бтсл не< только высокой точностью поддержания параметров термичес кого цикла конкретного процесса, но и необходимостью проверки адекватности разрабатываемых теоретических моделей процессов лазерной обработки реальным условиям.
Разработка адаптивных лазерных технологических систем, а таксо новых технологичоских процессов требует экспериментальных исследований закономерностей и особенностей терлическнх циклов зоны обработки в зависимости от параметров лазерного нагрева и условий проведения процесса.
Цель та бога: разработка методики оптического измерения температуры поверхности зоны лазерной обработки металлов в условиях развития приповерхностного лазерного факела и плазмы, изучение методам оптической пирометрии тепловых и плазменных явлении, сопровоаздащих процессы лазерной обработки металлов,' а такав основных закономерностей и характеристик температурных циклов при лазерном нагреве.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи
- изучение влияния эрозионного факола и плазмы, а также
изменений кзлучательнзх свойств поверхности на измерение тем
пературы зоны лазерного воздействия;
- созданио экспериментальной установки для измерения температуры и контроля топловнх процессов в зоне лазерной обработки металлов у
- измерение температуры поверхности в зоне лазерного воз
действия; определение влияния параметров лазерного нагрева
на характер изменения температуры;
- разработка пирометрического датчика для диагностики теп
ловых процессов лазерной обработки металлов;
- определение характеристик температурных циклов зоны
обработки конкретных технологических процессов и разработка на
их основе вариантов систем активного контроля.
Методы исследований. Исследования температуры поверхности проводились с помощью яркостного быстродействующего фотоэлектрического пирометра ПФМ-ЗІ5, цветового пирометра "Спектропир 10-004". Исследования оптических свойств образующегося факела и поверхности осуществлялось дифракционным спектрографом CT3-I и монохроматором МДР-3 с фотоэлектрической регистрацией спектров излучения и обработкой их на ЭШ СМ-4. Измерения излучатель-ных характеристик поверхности в зоне лазерной обработки проводились с применением рефлектометрической методики, использующей диагностическое лазерное излучение и интегрирующую фотометрическую сферу. Определение спектральной излучательной способности поверхности осуществлялось путем сравнения спектральной яркости излучения поверхности и абсолютно черного тела при фиксированной температуре. Регистрация параметров проводилась на оспилллографе С8-І7 и самописпе ЛКС-4-007. Исследования состояния участков поверхности, обработанных лазерным лучом, проводились с помощью микроскопов !.Ш-7, "TJecphot-2" , микротвердомере ІМГ-3, а также на установке микро-рентгеноспектраль-ного анализа "ХПА-З".
Научная новизна
I. Разработана установка и универсальная методика оптического измерения температуры поверхности металлов в условиях шіазї.юобразованпя в зоне лазерной обработки, позволяющая количественно учесть влияние приповерхностного лазерного факела и
изменений излучательных свойств поверхности на величину измеряемой температуры.
2. Экспериментально исследованы особенности изменения тем
пературы, скоростей нагрева и охлаждения поверхности металлов
в зоне воздействия импульсного и непрерывного лазерного излучения.
-
Получены экспериментально и изучены характеристики температурных циклов поверхности двухслойной металлической системы в зоне лазерного воздействия.
-
Экспериментально выявлена взаимосвязь параметров температурного цикла поверхности в процессе лазерной сварки тонкостенных конструкций с характеристиками сварочной ванны и технологическими параметрами и условиями проведения процесса.
-
Разработаны и созданы системы активного контроля процессов лазерной сварки тонколистовых и трубных злементов, использующие е качестве регулируемого параметра характеристики температурного цикла поверхности еоны сварки (а.с. СССР
& 1352808, I382I24, 1392744, I40I757, I4I0389, I54I922).
Практическая ценность работы, разработана методика и создана установка для оптического измерения температуры поверхности металлов в зоне лазерной обработки. Полученные в работе экспериментальные результаты позволяют использовать их для уточнения теоретических моделей нагрева металлов при действии лазерного излучения и разработки конкретных технологических процессов.
Разработанный широкофункциональный пирометрический датчик может быть использован для создания автоматизированных систем контроля и управления технологическими процессами, использующими лазерный луч.
Реализация результатов работы. Результаты работы внедрены в Подольском научно-производственном объединении "Луч" и в научно-исследовательском центре по технологическим лазерам (г.Шатура).
Апробация работы. Основные положения работы докладывались на Всесоюзной конференции "Лазерная технология в приборостроении", Москва, 1985 г., на Ш Всесоюзной конференции "Взаимодействие излучения, плазменных и электронных потоков с веществом", Сухуми, 1988 г., на Всесоюзном сеглинаре "Лазерная техника и технология", Вильнюс, 1988 г., на зональной конференции "Обработка материалов высокоцентрировпнными источниками энергии", Пенза, 1988 г., на Всесоюзной конференции "Применение лазеров з народном хозяйстве", Шатура, 1989 г., на Всесоюзном научно-техническом семинаре "Разработка, организация, производство и эксплуатация лазерных технологических установок", Свердловск, 1989 г., на Ш Всесоюзной конференции "Взаимодействие оптического излучения с веществом", Ленинград, 1990 г.
Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 16 печатных работах, отражающих основные результаты исследований.
Объем работы. Диссертация включает в себя введение, пять глаз, вывода, список литературы. Работа изложена на 162 страницах, включая 90 страниц текста, 61 рисунок, 2 таблицы, список литературы на II страницах, вклгачаюших 102 работы.
