Методика исследования световых факторов, сопутствующих лазерным технологическим процессам

Язык труда и переводы:
УДК:
621.375.826
Дата публикации:
21 сентября 2021, 23:22
Категория:
А12. Лазерные технологии в машиностроении
Авторы
Шиганов Игорь Николаевич
МГТУ им. Н.Э. Баумана
Аннотация:
Представлены разработанные методики исследования факторов световой среды, возникающих в процессе лазерной технологической обработки металлов. Приведены этапы проведения измерений облученности от лазерного излучения, описана методика измерений энергетических параметров вторичного излучения, возникающего при взаимодействии лазерного излучения с обрабатываемыми материалами, в частности энергетической освещенности УФ-А и УФ-В-излучений, экспозиционной дозы УФ-С-излучения, яркости, освещенности и энергетической освещенности ИК-излучения.
Ключевые слова:
лазерная технологическая обработка, лазерный дозиметр, яркомер, люксметр, УФ-радиометр, световые параметры технологической среды, отраженное и рассеянное лазерное излучение
Основной текст труда

Введение

Основой процесса лазерной технологической обработки является тепловое воздействие лазерного излучения (ЛИ) на материал. Высокая концентрация подводимой энергии позволяет произвести обработку только локального участка материала без нагрева остального объема и нарушения его структуры и свойств. В результате достигаются экономические и технологические преимущества, в том числе возможность создания уникальной структуры и свойств обработанной поверхности.

Возможность регулирования параметров обработки в очень широком интервале режимов, легкость автоматизации процесса, возможность обработки на воздухе, возможность транспортировки излучения позволяют реализовать широкий круг технологических процессов и методов обработки материалов, включая сварку, наплавку, маркировку, резку и др. [1–3].

Основными характеристиками любой лазерной технологии являются:

  • параметры установки и лазерного излучения:

– энергетические (мощность излучения P, Вт) / энергия импульса W, Дж); плотность мощности ЛИ, сконцентрированная на поверхности материала q, Вт/м2);

– пространственно-временные (время обработки t, с) / длительность импульса τи, с); скорость движения луча v, м/с));

– оптические (длина волны излучения λ, нм); угол расходимости пучка θ, рад); фокусное расстояние F, м); диаметр пучка dп, м);

  • свойства материала (поглощательная способность материала А, м–1); коэффициент отражения Rотр, м–1); коэффициент теплопроводности λт; коэффициент температуропроводности а и др.);
  • сопутствующие факторы, возникающие в результате взаимодействия ЛИ с материалом (отраженное (рассеянное) ЛИ (энергетические характеристики: энергетическая экспозиция Н, Дж/м2), облученность Е, Вт/м2)); продукты взаимодействия ЛИ с обрабатываемым материалом (пары, аэрозоли и др.); параметры вторичного излучения (ВИ) от пароплазменного факела и обрабатываемого материала и др.) [1].

В зависимости от типа лазерной технологии, вид и интенсивность сопутствующих факторов варьируется. Тем не менее они в той или иной степени могут оказывать влияние на протекание обработки, например, поглощать долю энергии ЛИ или дестабилизировать процесс, поэтому их необходимо учитывать при разработке режимов работы лазерных технологий.

Цель настоящей статьи — предоставить описание разработанной методики измерения энергетических характеристик световой среды, в частности энергетической освещенности УФ-А и УФ-В-излучений, экспозиционной дозы УФ-С-излучения, яркости, освещенности и энергетической освещенности ИК-излучения, возникающих в процессе лазерной технологической обработки металлических материалов.

Методика измерений отраженного и рассеянного лазерного излучения

Сущность контроля диффузно-отраженного и рассеянного ЛИ (в настоящих исследованиях рассматриваются волоконные лазерные источники с рабочей длиной волны 1070 нм в ИК-диапазоне) заключается в измерении облученности лазерным дозиметром в заданной точке пространства [4–5]. Наиболее современным и востребованным в настоящее время является прибор ЛД-07 (рис. 1) [6, 7].

Рис. 1. Лазерный дозиметр ЛД-07: 1 — блок управления и индикации (БУИ); 2 — блок фотоприемников (БФП); 3 — фотоприемное устройство диапазона 1 (ФПУ1); 4 — фотоприемное устройство диапазона 2 (ФПУ2); 5 — лазерный целеуказатель; 6 — зарезервировано под фотоприемное устройство диапазона 3

Порядок проведения измерений состоит из нескольких этапов.

1. Определение точек контроля.

Точки контроля выбираются:

  • в местах предполагаемого нахождения оператора при выполнении основных и вспомогательных операций во время штатного режима работы ЛТУ;
  • в зонах зеркально-отраженного ЛИ, которое может представлять опасность для окружающего персонала.

При определении точек контроля необходимо учитывать особенности лазерных технологических процессов (ЛТП), которые оказывают существенное влияние на отражение и рассеяние ЛИ, например, угол наклона технологической головы, фокусное расстояние оптической системы и др. Поэтому измерения рекомендуется планировать заранее, чтобы рассчитать положения точек контроля, определить углы наклона блока фотоприемников (БФП) и составить схему измерений [5].

2. Установка прибора в точку контроля.

БФП закрепляется на штативе и устанавливается на уровень глаз (≈ 1400 мм от пола). С использованием винтов штатива БФП наклоняется под необходимым углом, наиболее близким к углу зеркального отражения ЛИ, который согласуется с углом наклона технологической головы.

Для определения положения БФП следует использовать лазерный дальномер. Указатель дальномера возможно направить под любым углом, с любого расстояния (входящего в пределы измерений) и в любую точку на рабочей поверхности лазерного технологического комплекса (ЛТК). Для сведения погрешностей позиционирования к минимуму необходимо совместить на поверхности основного материала пятно от лазерного дозиметра и пятно от лазерного целеуказателя БФП.

3. Измерение максимальной облученности Emax.

Методика измерения Emax отличается особенностями фиксации значений, полученных во время проведения лазерной обработки. ЛТП являются нестационарными, что накладывает особенности на методику измерений и фиксацию показаний приборов. Начальный момент времени ЛТП является переходным, когда металл от комнатной температуры нагревается до плавления. На этом этапе коэффициент отражения материала максимален, следовательно энергетические характеристики отраженного ЛИ также максимальны. С течением времени обрабатываемый материал нагревается до температур плавления и коэффициент отражения начинает снижаться, а значение Emaxуменьшается. Процесс становится стабильным вплоть до его окончания. Момент окончания процесса и выключения подачи ЛИ также можно считать переходным от расплавленного металла до твердого. Поэтому рекомендуется направлять лазерный целеуказатель в точку на траектории ведения лазерного луча. В точке рекомендуется проводить от 3 до 10 измерений для каждого режима работы в целях выявления погрешностей. Для дальнейшей обработки результатов измерений следует выбирать наибольшее значение из серии. [5]

Результаты проведенных измерений показали, что интенсивность сопутствующих факторов, особенно температура и свечение пароплазменного факела (повышенная яркость света), влияют на показания прибора ЛД-07. Этот факт доказывает необходимость использования дополнительных приборов для определения параметров световой среды, в том числе и для анализа значений, полученных при помощи прибора ЛД-07.

Методика измерений вторичного излучения

В результате взаимодействия ЛИ с материалом в процессе обработки мощными волоконными лазерами возникает ВИ от пароплазменного факела и обрабатываемого материала. Оно содержит спектры УФ-излучения, излучения видимого диапазона, ИК-излучения, наличие и энергетические характеристики которых зависят от марки материала, также ЛТП сопутствует повышенная яркость света.

Для исследования свойств ВИ используется метод определения световых параметров технологической среды. Данный метод основан на измерении энергетических параметров отраженного и рассеянного ВИ с использованием ряда приборов. Для определения характеристик в УФ-диапазоне длин волн используются УФ-радиометры, в видимом диапазоне — яркомер и люксметр, в ИК-диапазоне — ИК-радиометр, которые позволяют определить энергетическую освещенность УФ-А и УФ-В-излучений, экспозиционную дозу УФ-С-излучения, яркость, освещенность и энергетическую освещенность ИК-излучения соответственно.

Таким образом, для комплексного контроля параметров технологической среды ЛТК одновременно с работой ЛД-07 необходимо использовать указанные ранее приборы (УФ-радиометры, яркомер и люксметр, лазерный дозиметр и ИК-радиометр). Для осуществления указанных задач выбраны приборы типа АРГУС, которые по своим характеристикам являются предпочтительными. Пример радиометра АРГУС-04, измеряющего УФ-A-излучение в диапазоне длин волн 315...400 нм представлен на рис. 2. Измерительный блок прибора включает в себя ультрафиолетовый фотоприемник с устройством подачи напряжения смещения и специально разработанным светофильтром [8].

Рис. 2. Радиометр УФ-А АРГУС-04

Для проведения измерений все приборы необходимо поместить в одной области в границах рабочей зоны оператора. Для более легкого осуществления данного процесса сотрудниками НТО «ИРЭ-Полюс» был разработан стенд, 3D-модель которого показана на рис. 3.

Рис. 3. 3D-модель стенда измерения световых характеристик отраженного излучения

Приборы включаются до начала ЛТП. Во время ЛТП происходит измерение требуемых параметров. Поскольку приборы типа АРГУС не имеют функции запоминания измеренных значений, то для регистрации показаний используется видеофиксация. Получение итоговых значений происходит путем обработки видеофайлов.

Заключение

В силу особенностей взаимодействия лазерного излучения с материалами, помимо отраженного и рассеянного лазерного излучения, во время лазерных технологических процессов возникает вторичное излучение, включающее спектры УФ-излучения, излучения видимого диапазона и ИК-излучения. Для определения энергетических характеристик всех типов излучения разработана методика определения световых параметров технологической среды.

Литература
  1. Григорьянц А.Г., Шиганов И.Н., Мисюров А.И. Технологические процессы лазерной обработки. Москва, Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006, 664 с.
  2. Ковалев О.Б., Фомин В.М. Физические основы лазерной резки толстых листовых материалов. Москва, ФИЗМАТЛИТ, 2013, 256 с.
  3. Панченко В.Я., Голубев В.С., Васильцов В.В., Галушкин М.Г. Лазерные технологии обработки материалов: современные проблемы фундаментальных исследований и прикладных разработок. Москва, Физматлит, 2009, 663 с.
  4. Таксанц М.В. Охрана труда и правила техники безопасности при работе на лазерных установках. Москва, МИФИ, 2012, 29 с.
  5. Крючина О.А., Шиганов И.Н., Садовников И.Э. Совершенствование методики контроля отраженного и рассеянного излучения при лазерных технологических процессах. Технология машиностроения, 2021, № 1, с. 63–67.
  6. Крючина О.А., Садовников И.Э. Проблемы проведения измерений облученности в процессе лазерной обработки металлов. Фотоника, 2019, т. 13, № 3, с. 308–311.
  7. Лазерный дозиметр ЛД-07. URL: https://ntm.ru/products/127/8105 (дата обращения 21.05.2021).
Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.