Определение параметров отраженного от металлов лазерного излучения в процессах резки, сварки и пробивки




Скачать 13,86 Kb.
НазваниеОпределение параметров отраженного от металлов лазерного излучения в процессах резки, сварки и пробивки
Дата04.02.2016
Размер13,86 Kb.
ТипДокументы

Определение параметров отраженного от металлов лазерного излучения в процессах резки…


П


.Ю. ЩЕГЛОВ, В.Н. ПЕТРОВСКИЙ, А.П. СТРЕЛЬЦОВ1

Московский инженерно-физический институт (государственный университет)

1ООО НТО “ИРЭ-Полюс”, Москва


ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ОТРАЖЕННОГО ОТ МЕТАЛЛОВ

ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В ПРОЦЕССАХ РЕЗКИ, СВАРКИ И ПРОБИВКИ


Разработан метод, позволяющий в реальном времени измерять временные и пространственные характеристики лазерного излучения, отражаемого от поверхности металла в различных процессах обработки с использованием волоконных иттербиевых лазеров. По полученным результатам предложено качественное объяснение некоторых аспектов развития парогазового канала при лазерном воздействии. Предложены варианты применения метода для диагностики процессов лазерной сварки, резки и пробивки отверстий.


В настоящее время во всем мире наблюдается повсеместное внедрение новых лазерных технологий в производство самых различных видов продукции. Основную долю лазерной технологии составляет обработка металлов –­­­­ резка, сварка, закалка и др. До недавнего времени в системах обработки металлов, требующих излучения высокой мощности, в основном применялись CO2-лазеры, и реже – твердотельные лазеры на кристаллах YAG:Nd. Сегодня ситуация изменяется – все большую долю в области лазерных технологий занимают импульсные и непрерывные волоконные лазеры, являющиеся продуктом последних достижений науки и техники в области квантовой электроники. Данные лазеры обладают рядом преимуществ по сравнению с предшественниками, к которым, прежде всего, относятся высокий КПД, надежность и простота эксплуатации в промышленных условиях. Однако, как показал первый опыт, технологические режимы работы волоконных и CO2-лазеров сильно отличаются. Поэтому сегодня существует важная задача раскрытия полного потенциала применений волоконных лазеров различных типов.

Значительное место занимает проблема, связанная с обратным отражением излучения в процессе лазерной обработки. Ее сущность состоит в том, что при резке, и особенно сварке таких сильно отражающих металлов, как алюминий и медь часть падающего лазерного излучения отражается металлом и, проходя обратный путь через оптическую систему доставки излучения к месту обработки, попадает обратно в лазер. При этом для лазерных систем с мощностью выходного излучения порядка нескольких киловатт и более интенсивность отраженного излучения может быть достаточно велика для возникновения различных нежелательных эффектов – от влияния на режим генерации до оптического повреждения одного из элементов лазера или выходного оптического тракта.

Мощные CO2-лазеры позволяют решать данную проблему, используя поляризационные способы оптической развязки, так как их излучение, как правило, имеет линейную поляризацию. Для волоконных лазеров также существуют некоторые способы получения поляризованного излучения [1], но в случае мощных промышленных лазеров они либо неприменимы, либо сильно повышают стоимость изготовления установок. По этой причине в большей части технологических комплексов на базе волоконных лазеров не применяется никаких оптических развязок, что в некоторых случаях приводит к серьезным трудностям, ограничивающим возможности применения волоконных лазеров.

С другой стороны, данная особенность может иметь и свои преимущества. Отраженное от металла излучение, попадающее обратно через оптическую систему в транспортное волокно лазера, возвращается в генерирующие лазерные модули, где, в силу конструкционных особенностей лазера, имеется очень простая возможность точного и быстрого измерения его интенсивности отдельно от прямого излучения. А так как есть основания полагать, что динамика отраженного излучения соответствует динамике некоторых развивающихся в металле при лазерной обработке процессов, то можно получить дополнительный способ диагностики, не требующий подключения каких-либо внешних устройств.

Вышесказанное обусловливает интерес к проведению всесторонних исследований отражения излучения волоконных лазеров от поверхности металлов в процессе основных технологических операций и разработке на основе проведенных исследований оптических методов диагностики данных процессов в реальном масштабе времени.



Рис. 1. Схема проведения эксперимента


Схема наблюдения сигнала обратного отражения показана на рис. 1. Отраженное от мишени 10 излучение волоконного иттербиевого лазера 1, проходя обратный путь по оптическому тракту в транспортное волокно 4 лазера, частично отражается от хорошо просветленной кварцевой плоскопараллельной пластинки 7, установленной в параллельном выходном пучке между коллиматором 5 и фокусирующей линзой 8. Осциллограф 3, синхронизующийся по управляющему сигналу соответствующего выхода системы ЧПУ 2, помимо полезного сигнала отраженного от мишени излучения регистрирует также отражение от оптических элементов фокусирующей системы – линзы 8 и защитного стекла 9. Данный факт ограничивает чувствительность измерений слабого сигнала, однако, в то же время позволяет при любой мощности лазера нормировать сигнал обратного отражения на известный коэффициент просветления оптических поверхностей (около 0,02 % от каждой поверхности).

Наблюдение сигнала обратного отражения проводилось в процессе импульсной пробивки отверстий в алюминиевом образце толщиной 1,5 мм. Длительность импульсов лазерного излучения составляла от 2 до 10 мс (меандр), импульсная мощность – от 600 до 3000 Вт. Для вытеснения расплава из отверстия использовалась струя воздуха с давлением 4–5 атм.

В этих условиях, как оказалось, существуют различные случаи характерного поведения сигнала обратного отражения, соответствующие разным диапазонам мощности лазерного излучения и, по-видимому, разной динамике расплавленного металла в канале проплавления.

Эксперименты с дополнительным датчиком пробивки, установленным под мишенью, показали, что существует довольно резкий (в пределах 50–70 Вт) порог по мощности, при превышении которого пробивка происходит за несколько первых импульсов излучения. Однако если мощность лазерного излучения ниже пороговой, сквозное отверстие не образуется даже за "бесконечное" число импульсов. В данных условиях пороговая мощность составляет около 600 Вт. При такой мощности отражение от мишени происходит в виде нерегулярных импульсов различной амплитуды (рис. 2), максимальная временная задержка между которыми (40– 50 мкс) намного меньше длительности импульса лазерного излучения.





Рис. 2. Осциллограмма сигнала обратного отражения

На рис. 2 также видно резкое прекращение отражения от мишени в момент пробивки сквозного отверстия, зафиксированного датчиком пробивки (нижний луч). Этот факт может использоваться для точного определения времени пробивки металлов по сигналу обратного отражения в реальных технологических процессах.

При увеличении мощности падающего излучения средняя амплитуда пучков обратного отражения убывает незначительно, но резко уменьшается число пучков в единицу времени. Сокращение происходит в основном за счет исчезновения пучков в середине и конце импульса лазерной генерации, тогда как на фронтах они продолжают отчетливо наблюдаться. Наконец, при мощности лазера около 1000 Вт, импульсы отражения возникают только на фронтах импульсов генерации. На рис. 3 показана зависимость числа пучков обратного отражения в единицу времени от мощности падающего лазерного излучения.




Рис.3. Зависимость числа пучков в единицу времени от мощности падающего излучения


При еще большем увеличении мощности лазера (1,3 кВт и выше) на осциллограмме сигнала обратного отражения остается лишь один-единственный пичок на переднем фронте первого импульса лазерной генерации, который, очевидно, соответствует отражению от еще не разрушенной поверхности мишени.

Из представленных результатов можно заключить, что отраженное излучение в данном эксперименте соответствует определенным колебаниям ванны расплава и парогазовой среды над ней, которые приписываются чаще всего капиллярным колебаниям и релаксационным осцилляциям, связанным с испарительными, гидродинамическими и плазменными процессами [2]. При этом непрерывная составляющая отражения, повторяющая по форме падающее излучение, перестает наблюдаться, как только происходит разрушение твердой гладкой поверхности металла. Наряду с уменьшением коэффициента отражения металла при нагреве и плавлении, это также обусловлено сильной расходимостью отраженного от лунки излучения, что было показано экспериментально путем измерения пространственного распределения обратного отражения.

Переходя к проблеме лазерной сварки, следует заметить, что технологические режимы качественной сварки со сквозным проплавлением по плотности мощности очень близки к пороговой величине, описанной выше. Поэтому можно ожидать, что характер отраженного сигнала в процессе лазерной сварки будет подобен показанному на рис. 2. Учитывая, что вблизи границ режимов лазерной сварки на всех частотах наблюдаются всегда намного более интенсивные колебания, чем внутри рабочих диапазонов, видна возможность реализации диагностики процессов лазерной сварки в реальном масштабе времени методом детектирования отраженного излучения.

Из частоты следования пучков обратного отражения (104-105 Гц) следует, что оно соответствует хорошо описанным в литературе [2, 3, 4] высокочастотным колебаниям, проявляющимся в виде периодических выбросов пара с эрозионным или плазменным факелом. Однако, во-первых, в этом случае трудно объяснить убывание средней интенсивности отражения (см. рис. 3), так как рост плотности мощности лазерного излучения может только увеличивать интенсивность выбросов. Во-вторых, плотность образующегося при данных условиях плазменного факела, согласно расчетам, не превышает 1019 см–3. Такая плазма является практически прозрачной для излучения волоконного лазера с длиной волны 1,06 мкм и, следовательно, не может влиять на сигнал отраженного излучения. Регистрация фотоприемником свечения самой плазмы также исключена, так как перед ним были установлены соответствующие частотные фильтры.

Возможно, что импульсы отраженного излучения, наблюдавшиеся в данном эксперименте, соответствуют не макроколебаниям поверхности ванны расплава, а описанным в [2] микроколебаниям поверхности жидкого металла, генерирующихся в зоне поглощения лазер-ного излучения. Образование периодических структур (“ряби”) на поверхности жидкой фазы существенно с точки зрения механизма поглощения лазерного излучения поверхностными эле-ктромагнитными волнами [5], а также с точки зрения изменения условий теплообмена и испа-рения металла в парогазовом канале. Поэтому разработанный способ диагностики может дать возможность экспериментального наблюдения параметров этого малоизученного явления в процессе формирования сварного шва.

Также вклад в сигнал обратного отражения могут давать резонансные моды капиллярных колебаний, обладающие похожим спектром частот [6]. Эти колебания поддерживаются за счет «надвигания» коллапсирующего парогазового канала на зону лазерного пучка с последующим «отскакиванием», наподобие отскакивания теннисного мяча от ракетки. Хорошим подтверждением этого предположения является вид разрешенной структуры сигнала датчика пробивки (нижний луч на рис. 2). Оказалось, что сразу после пробивки и в течение некоторого времени этот сигнал тоже представляет собой набор пучков со спектром, аналогичным отраженному излучению, что может быть обусловлено периодическим схлопыванием узкой части дна канала.

Кроме того, оба этих механизма приводят к неизбежному уменьшению интенсивности колебаний при увеличении мощности лазера, вследствие сильного роста давления паров над поверхностью жидкого металла.

Помимо процессов сварки и пробивки отверстий, были проведены некоторые эксперименты по диагностике лазерной резки. В результате выяснилось, что при заведомо плохом качестве реза наблюдается интенсивный сигнал обратного отражения, состоящий как из коротких пучков, так и из непрерывных участков, и обусловленный, возможно, отражением от нависающего на нижней кромке слоя застывающего металла при движении лазерного луча. Но при чистом резе отраженное излучение практически отсутствует. Таким образом, такой метод дает, хотя и грубый, но в некоторых случаях полезный способ диагностики качества проведения лазерной резки. В то же время следует отметить, что как данный, так и все остальные описанные выше методы, требуют более тщательных количественных исследований для каждой конкретной технологической задачи.


СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ


1. Агравал Г. Нелинейная волоконная оптика / Г. Агравал; пер. с англ. – М.: Мир, 1996.

2. Голубев В.С. Анализ моделей динамики глубокого проплавления материалов лазерным излучением / В.С. Голубев. – Препринт ИПЛИТ РАН № 83, Шатура, 1989.

3. Григорьянц А.Г. Лазерная сварка металлов / А.Г. Григорьянц, И.Н. Шиганов. М.: Высшая школа, 1988.

4. Григорьянц А.Г. Технологические процессы лазерной обработки / А.Г. Григорьянц, Н.Н. Шиганов, А.И. Мисюров. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008.

5. Ахманов С.А., Емельянов В.П., Коротеев Н.И. и др. // УФН. 1985. Т. 147, № 4. С. 675.

6. Лесков Г.И., Трунов Е.Н., Живага Л.И. // Автоматическая сварка. 1975. Т. 262, № 1. С. 12.



Похожие:

Определение параметров отраженного от металлов лазерного излучения в процессах резки, сварки и пробивки iconРабочая программа учебной дисциплины «процессы и оборудование для сварки и резки в нефтегазовом производстве»
Целью дисциплины – «Процессы и оборудование для сварки и резки» по профилю «Оборудование нефтегазопереработки» является расширенное...
Определение параметров отраженного от металлов лазерного излучения в процессах резки, сварки и пробивки iconК вопросу о возможности использования фемтосекундного лазерного излучения в экспериментальной и клинической онкологии
В 1982г по его инициативе была создана лаборатория лазерной хирургии в фиане, в которой началось изучение спектрально-селективного...
Определение параметров отраженного от металлов лазерного излучения в процессах резки, сварки и пробивки iconПроекта
Разработка и создание оптоэлектрических анализаторов поляризации лазерного излучения на наноразмерных плёночных структурах
Определение параметров отраженного от металлов лазерного излучения в процессах резки, сварки и пробивки iconКомбинированное применение низкоэнергетического инфракрасного лазерного излучения и гиалуроновой кислоты в коррекции инволюционных изменений красной каймы губ и периоральной области

Определение параметров отраженного от металлов лазерного излучения в процессах резки, сварки и пробивки iconЛитература 18 Сварка. Понятие, сущность процесса. Сварка
Сварка это один из ведущих технологических процессов обработки металлов. Большие преимущества сварки обеспечили её широкое применение...
Определение параметров отраженного от металлов лазерного излучения в процессах резки, сварки и пробивки iconРазработка лазерного проекционного микроскопа для визуализации областей взаимодействия плазмы и мощного лазерного излучения с поверхностью различных веществ в условиях сильных фоновых засветок
Влен метод наблюдения областей взаимодействия мощных потоков энергии с поверхностями различных веществ непосредственно в процессе...
Определение параметров отраженного от металлов лазерного излучения в процессах резки, сварки и пробивки iconОптимизация технологических параметров скважинного подземного выщелачивания драгоценных металлов (На примере месторождения Долгий Мыс)
Оптимизация технологических параметров скважинного подземного выщелачивания драгоценных металлов
Определение параметров отраженного от металлов лазерного излучения в процессах резки, сварки и пробивки iconСварка металлов термины и определения основных понятий гост 2601-84
Настоящий стандарт устанавливает применяемые о науке, технике и производстве термины и определения основных понятий в области сварки...
Определение параметров отраженного от металлов лазерного излучения в процессах резки, сварки и пробивки iconXv международная выставка «сварка»
С 15 по 18 мая 2012 года в «Ленэкспо» пройдет XV международная cпециализированная выставка в области сварки, резки и родственных...
Определение параметров отраженного от металлов лазерного излучения в процессах резки, сварки и пробивки iconПеречень технических характеристик и параметров излучения беспроводного
Рабочие частоты передачи/приема радиоэлектронного средства (полоса рабочих радиочастот высокочастотного устройства), мгц
Разместите кнопку на своём сайте:
Библиотека


База данных защищена авторским правом ©lib2.znate.ru 2012
обратиться к администрации
Библиотека
Главная страница