Регистрация / Вход
Прислать материал

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕРМИЧЕСКОГО РАССПРЕДЕЛЕНИЯ ПРИ ЛАЗЕРНОЙ ОБРАБОТКЕ МАТЕРИАЛА И СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ДЛЯ ЛАЗЕРНОЙ НАПЛАВКИ

Сведения об участнике
ФИО
Лапшин Сергей Викторович
Вуз
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н.Туполева-КАИ»
Тезисы (информация о проекте)
Область наук
Новые материалы. Производственные технологии и процессы
Раздел области наук
Производственные технологии
Тема
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕРМИЧЕСКОГО РАССПРЕДЕЛЕНИЯ ПРИ ЛАЗЕРНОЙ ОБРАБОТКЕ МАТЕРИАЛА И СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ДЛЯ ЛАЗЕРНОЙ НАПЛАВКИ
Резюме
Анализ существующих решений и создание системы автоматического определения и контроля температуры материала при лазерной обработке.
Ключевые слова
Лазерные технологии, пирометрия, автоматизация.
Цели и задачи
Создание и испытание установки определения температурных значений поверхности материала при лазерной обработке, системы автоматического контроля температуры и анализ эксплуатационных возможностей и перспективы применения.
Введение

В последние годы широкое развитие получила лазерная обработка материалов, область применения которой резка, сварка, нанесение покрытий и изготовление методом послойного или прямого наплавления порошка на подложку деталей сложных форм. Однако, если при воздействии на материал с уже заранее сформированной кристаллической решёткой, например при резке, термическое влияние не велико, или относительно легко компенсируется последующей термической обработкой, то при формировании объёма изделия путём сплавления, высокие температурные градиенты вносят неоднородности в строение кристаллической решётки металла, и, тем самым, снижают качество изделия, вплоть до полного его разрушения при остывании.

Методы и материалы

Возникает актуальная проблема контроля термического распределения в процессах лазерной наплавки. Такие факторы как температура в ванне расплава, скорость остывания и нагрева, величина температурного градиента вносят значительное влияние в процесс. Но, если для простого нанесения покрытия на поверхность эти параметры могут быть подобранны практически и установлены перед запуском комплекса, то для более сложных операций, в процессе которых обрабатываемая поверхность изменяет свои параметры, требуется динамически подстраиваемая система, отслеживающая и поддерживающая оптимальные термические параметры в рабочей области. Современные оптические методы регистрации позволяют обеспечить дистанционное отслеживание температурных параметров в различных участках рабочей области, что делает возможным разработку такой автоматической системы.

Описание и обсуждение результатов

Данная работа посвящена параметрическому анализу спектрометрических и тепловизионных измерений различных операций лазерной термической обработки материала, а так же разработке и апробации автоматической системы контроля термических параметров. Как наименее плазмообразующий процесс лазерной обработки была выбрана лазерная наплавка. Производилась съёмка на скоростную камеру и тепловизор. Был проведён эксперимент по определению температурных распределений при сверхзвуковой наплавке. Собранный стенд из проточного нагревателя, форкамеры и сверхзвукового сопла Лаваля идентичен по температурным характеристикам и расходу газа установке по сверхзвуковой лазерной наплавке. Был собран и испытан пирометр спектрального отношения на базе цифровых волоконных спектрометров «Ocean Optics NIR Quest» и «Ocean Optics HR4000». Для обработки данных поступающих со спектрометра была написана программа в среде разработки Lab-View. Программа выполняется на процессоре реального времени Compact RIO, и взаимодействует с модулем ПЛИС, через который производится управление выходным ЦАП. Для генерации сигнала ЦАП задействован программный модуль ПИД регулятора (пропорционально интегрально дифференциальный) для поддержки заданной температуры в области видимости пирометра. На основе данного пирометра спектрального отношения, тепловизионной камеры и станка по сверхзвуковой лазерной наплавке был собран стенд по отладке и проверке данного способа регистрации и контроля. Температура в зоне действия лазера определённая тепловизором с учётом коэффициента излучения 0,18 и угла обзора и составила 900 - 1100°С и заметно изменяется в процессе вращения, что вызвано колебаниями в качестве поверхности. В дальнейшем, при повторном прохождении луча лазера по поверхности неоднородности становились меньше, так как из-за термического воздействия металл покрывался равномерной оксидной плёнкой. При подаче материала возникает дополнительное шумовое излучение, при общем увеличении интенсивности спектра. Однако, при наложении спектра излучения ванны расплава и излучения нагретых частиц порошка наклон коротковолновой части спектра искажается и требуется коррекция. Так как искажённый фронт является суперпозицией нескольких сдвинутых фронтов с разным наклоном, увеличение расстояния между точками замера увеличит погрешность, следовательно точки замера необходимо располагать максимально близко, пока выполняется необходимая точность измерения, в то же время надо учитывать соотношение сигнала и шума на принимающем приборе. Практически подобрано значение 30 – 80нм для диапазона волн 700 – 950нм при измерении спектрометром HR4000.

Используемые источники
1. А.Н.Магунов. Спектральная пирометрия. М.: Физматлит, 2012. 248 с.
2. Свет Д.Я. Оптические методы измерения истинных температур. –М.: Наука, 1982
3. Григорьянц А.Г. Основы лазерной обработки материалов. М.: Машиностроение, 1989. — 304 с.
4. Benedetti L.R., Guignot N., Farber D.L. // J. Appl. Phys. 2007. V.101, №1. 013109.
5. Development and qualification of a novel laser-cladding head with integrated sensors Guijun Bia, Bert Schurmannb, Andres Gasserc, Konrad Wissenbachc, Reinhart Poprawec.
6. E. Schubert, T. Seefeld, A. Rinn, G. Sepold, Laser beam cladding: a flexible tool for local surface treatment and repair, Journal of Thermal Spray Technology 8 (4) (1999) 590–596.
Information about the project
Surname Name
Lapshin Sergey
Project title
STUDY OF THERMAL DISTRIBUTION IN THE LASER TREATMENT AND AUTOMATIC TEMPERATURE CONTROL FOR LASER DIRECT METAL DEPOSITION
Summary of the project
Analysis of existing solutions and create a system of automatic detection and control of temperature of the material in the laser treatment.
Keywords
Laser Technology, Pyrometer, Automation.