Full Text

Введение Лазерная сварка в среде защитных газов с использованием мощных технологических лазеров находит все более широкое применение в промышленном производстве [1-5]. Однако при большой мощности лазерного луча поглощение его энергии плазменным факелом, формирующимся у поверхности металла в зоне сварки, существенно снижает эффективность термического воздействия лазерного луча на металл [6-8]. В связи с этим в последнее время во всем мире возрастает интерес к лазерной сварке в вакууме, которая по эффективности процесса не уступает широко используемой в промышленном производстве электронно-лучевой сварке и в то же время имеет ряд преимуществ, среди которых отсутствие воздействия на процесс сварки остаточных магнитных полей в свариваемом изделии и низкие требования к степени вакуумирования технологической камеры установки для лазерной сварки в вакууме [9-13]. Процессы формирования плазмы при воздействии мощного лазерного луча на металл при атмосферном давлении достаточно хорошо изучены [14-17]. При лазерной сварке в вакууме в зоне воздействия лазерного луча в результате ионизации паров металла также возникает плазма, которая, в отличие от плазменного факела при лазерной сварки в среде защитных газов, не поглощает энергию лазерного излучения и в то же время является проводящей средой для вторично-эмиссионного тока, возникающего в зоне лазерной сварки в вакууме в результате интенсивной термоэлектронной эмиссии из зоны воздействия лазерного луча на металл [18-22]. Формирование вторично-эмиссионного сигнала в зоне воздействия мощного лазерного луча на металл в вакууме представляет значительный интерес с точки зрения реализации оперативного контроля процесса лазерной сварки в вакууме [19-22]. Величина этого сигнала существенно зависит от условий токопрохождения в промежутке между свариваемым изделием и коллектором заряженных частиц, установленным над зоной сварки для регистрации вторично-эмиссионного сигнала. Однако до настоящего времени отсутствуют сведения о параметрах плазменного облака в зоне лазерной сварки в вакууме. В соответствии с этим целью данной работы являлось исследование параметров плазмы в зоне воздействия лазерного луча на металл в вакууме и условий прохождения в ней вторично-эмиссионного тока, регистрируемого для осуществления контроля процесса лазерной сварки в вакууме. Методика исследований Исследование параметров плазмы производилось путем регистрации величины вторично-эмиссионного тока с помощью коллектора заряженных частиц, установленного над зоной воздействия лазерного луча на металл в вакууме и производящего отбор тока из плазмы, при изменении положительного потенциала коллектора. Регистрация вторично-эмиссионного тока осуществлялась путем создания внешней электрической цепи для зарядов плазмы. Эта цепь содержала регулируемый источник напряжения смещения на коллекторе, позволяющий изменять положительный потенциал коллектора в диапазоне 0-50 В, и резистор, падение напряжения на котором регистрировалось с помощью компьютерной информационно-измерительной системы, оснащенной аналого-цифровым интерфейсом на базе многоканального аналого-цифрового преобразователя Е20-10 фирмы L-Card. Эксперименты проводились на установке для лазерной сварки ALFA-300, оснащенной технологической вакуумной камерой с окном из кварцевого стекла в верхней крышке камеры для ввода лазерного луча. В качестве материала обрабатываемого изделия использовалась аустенитная сталь марки 12Х18Н10Т. Схема эксперимента представлена на рис. 1. 1 2 3 4 6 5 Рис. 1. Схема регистрации вторично-эмиссионного тока при лазерной сварке в вакууме: 1 - установка для лазерной сварки модели ALFA-300; 2 - вакуумная камера; 3 - коллектор заряженных частиц; 4 - свариваемое изделие; 5 - резистор нагрузки; 6 - источник напряжения смещения Как известно [16], одним из основных факторов, вызывающих образование плазмы в зоне воздействия мощного лазерного луча на металл, является ионизация металлических паров при взаимодействии с мощным лазерным излучением за счет тормозного поглощения при взаимодействии электромагнитной волны со свободными электронами. Эмиссия этих электронов из металла происходит как в результате термоэлектронной эмиссии из нагретого лазерным лучом металла, так и за счет фотоэлектронной эмиссии при поглощении металлом лазерного излучения. В этом случае коллектор заряженных частиц можно рассматривать как электрод, помещенный в «постороннюю» плазму, и анализировать вольт-амперную характеристику промежутка «коллектор - обрабатываемое изделие» как кривую тока на зонд Ленгмюра в плазме. По такой кривой, построенной в логарифмическом масштабе, могут быть рассчитаны концентрация и электронная температура плазмы с использованием выражений, справедливых для максвелловского распределения электронов по энергиям [23]: (1) (2) где U - напряжение между изделиями, соприкасающимися с плазмой электродом; jp - плотность регистрируемого тока в плазме, jp = IpS-1; Ip - регистрируемый вторично-эмиссионный ток; S - площадь поверхности электрода (в данном случае - коллектора заряженных частиц), соприкасающегося с плазмой; jpm - плотность тока насыщения (при потенциале электрода, равном потенциалу плазмы). При воздействии мощного лазерного луча на металл в вакууме ток, регистрируемый коллектором заряженных частиц, имеет колебательный характер [22]. В соответствии с этим среднее значение (постоянная составляющая) этого тока определялось путем обработки файлов регистрации вторично-эмиссионного тока, записанных в процессе экспериментов, c использованием программы Mathcad. В процессе обработки записанный сигнал очищался от сопутствующих помех фильтрацией по частоте 50 Гц. Производилось прямое и обратное преобразование Фурье. Полученный отфильтрованный сигнал разбивался на участки. Для каждого участка определялись экстремумы с дальнейшим вычислением среднего значения амплитуды. Результаты и обсуждение На рис. 2 приведена зависимость среднего значения вторично-эмиссионного тока, регистрируемого коллектором заряженных частиц в зоне воздействия лазерного луча на металл в вакууме, от напряжения между коллектором и изделием, построенная в полулогарифмическом масштабе при изменении этого напряжения в диапазоне 5-30 В. Площадь коллектора заряженных частиц составляла 180 мм2. Рис. 2. Полулогарифмическая зависимость среднего значения вторично-эмиссионного тока от напряжения между обрабатываемым изделием и коллектором заряженных частиц Эта зависимость анализировалась как электронная ветвь зондовой характеристики. Насыщение электронного тока из плазмы характеризует равенство потенциалов коллектора заряженных частиц, отбирающего ток из плазмы, и, таким образом, потенциал плазмы составляет величину 30-33 В. Из графика видно, что зависимость плотности среднего значения вторично-эмиссионного тока от напряжения между коллектором заряженных частиц и обрабатываемым изделием электронного тока имеет характер, близкий к линейному. Однако тот факт, что вторично-эмиссионный сигнал практически отсутствует при положительном потенциале коллектора заряженных частиц величиной менее 4-8 В, свидетельствует о нарушении линейности кривой электронного тока и, соответственно, об отклонении функции распределения электронов по энергиям в плазме от максвелловской в области высоких энергий. Эти отклонения могут быть связаны с искажением параметров плазмы в результате отбора тока из плазмы на электрод-коллектор заряженных частиц или с наличием в функции распределения высокоэнергетического «хвоста». Тем не менее, как показано в работе [24], эффективную температуру электронов плазмы можно оценить и в случае отклонения функции распределения электронов по энергиям от максвелловской. При этом для оценки эффективной температуры плазмы должна использоваться часть электронной ветви зондовой характеристики, соответствующая потенциалам, близким к потенциалу плазмы. В результате расчета параметров плазмы в зоне воздействия мощного концентрированного лазерного луча на металл в вакууме с использованием выражений (1) и (2) получено Те = 1,2×1010 К и ne = 6×109 м-3. Следует отметить, что произведенные оценки носят качественный характер, так как коллектор заряженных частиц имеет значительную площадь соприкосновения с плазмой и производит отбор тока, воздействуя на плазму и изменяя ее параметры. Высокие электронные температуры плазмы обусловлены в этой области нагревом в результате диссипации энергии при взаимодействии электромагнитной волны лазерного излучения со свободными электронами плазмы. Приведенные результаты показывают, что применительно к условиям регистрации вторично-эмиссионного тока, формируемого термоэлектронной эмиссией в плазму при лазерной сварке в вакууме, коллектор заряженных частиц может рассматриваться как электрод, работающий в режиме зонда. Величина падения потенциала в слое пространственного заряда вблизи этого электрода определяется отношением плотности регистрируемого вторично-эмиссионного тока jp к плотности полного тока из плазмы j [25]: При приложении к электроду потенциала, равного потенциалу плазмы, происходит насыщение регистрируемого вторично-эмиссионного тока, связанное с полным отбором тока из плазмы. Заключение Исследование зависимости величины вторично-эмиссионного тока в плазме при лазерной сварке в вакууме от напряжения между коллектором заряженных частиц и обрабатываемым изделием, анализируемой как электронная ветвь вольт-амперной характеристики зонда Ленгмюра в плазме, позволило определить параметры плазмы, возникающей в зоне лазерной сварки в вакууме: концентрацию, электронную температуру и потенциал плазмы.

About the authors

I. Yu Letyagin

Perm National Research Polytechnic University

K. V Felikan

Perm National Research Polytechnic University

V. Ya Belenkiy

Perm National Research Polytechnic University

A. P Erikov

Perm Military Institute of National Guard Troops of the Russian Federation

References

Statistics

Views

Abstract - 89

PDF (Russian) - 42

Refbacks

• There are currently no refbacks.