Full Text

Лазерная сварка металлов в вакууме является перспективной технологией, которая, несмотря на необходимость размещения свариваемых деталей в технологической вакуумной камере, позволяет получить по сравнению с лазерной сваркой в среде защитных газов существенно большую глубину проплавления металла при той же мощности лазерного луча и обеспечить высокую степень защиты зоны сварки от воздействия внешней среды [1-3]. Технологические возможности лазерной сварки в вакууме сопоставимы, а в ряде случаев и превосходят возможности электронно-лучевой сварки, которая также позволяет обеспечить высокую концентрацию мощности в зоне сварки и уже в течение многих десятилетий является высокоэффективным способом соединения деталей из сложнолегированных конструкционных сталей и сплавов в аэрокосмической и других высокотехнологичных отраслях промышленности. Изготовление ответственных изделий с использованием сварки в ряде случаев требует осуществления оперативного контроля процесса формирования сварного шва, что позволяет избежать дефектов в шве и обеспечить высокую воспроизводимость качества сварных соединений. При электронно-лучевой сварке широко применяются вторично-эмиссионные способы контроля процесса взаимодействия электронного луча с металлом, при которых регистрируются параметры электронных потоков, покидающих зону сварки [4, 5]. При лазерной сварке в вакууме использование вторично-эмиссионных сигналов для контроля процесса формирования сварного шва также представляет значительный интерес, так как в зоне воздействия мощного концентрированного лазерного луча протекают схожие с электронно-лучевой сваркой процессы, среди которых можно выделить термоэлектронную эмиссию из конденсированной фазы металла в зоне энерговыделения, формирование низкотемпературной плазмы над зоной сварки и наличие колебательных газо- и гидродинамических процессов в широкой спектральной области [4]. При лазерной сварке с глубоким проплавлением процесс взаимодействия лазерного луча с металлом носит взрывной характер, а энергия, вводимая в металл лазерным лучом, превышает затраты энергии на его взрывное разрушение. При этом некоторая часть энергии лазерного луча переходит во внутреннюю энергию плазменной фазы в зоне разрушения, и формирование интенсивных импульсов тока в плазме над зоной воздействия лазерного луча можно рассматривать как процесс прямого преобразования тепловой энергии в электрическую [6-10]. Таким образом, целью проводимых исследований было подтверждение связи энергетических характеристик вторично-эмиссионных сигналов из зоны лазерной сварки в вакууме с удельной мощностью лазерного луча и, как следствие, геометрией зоны проплавления. Известно, что главным источником электродвижущей силы в этом процессе преобразования энергии является тепловая энергия продуктов разрушения металла. В соответствии с этим наиболее полная информация об энергетических характеристиках процесса взрывного разрушения металла в зоне воздействия лазерного луча при лазерной сварке в вакууме может быть получена при анализе амплитудно-временных параметров импульсов тока в плазме с частотой порядка 104 Гц, отражающих процесс взрывного разрушения метастабильной конденсированной фазы металла [11-14]. При этом необходимо дифференцировать эти колебания и колебания, связанные с возникновением ионно-звуковых и потенциально-релаксационной неустойчивостей, которые наблюдаются в низкотемпературной изотропной плазме, как и при регистрации вторично-эмиссионных сигналов в процессе электронно-лучевой сварки [14]. Оба вида неустойчивости имеют схожую природу возбуждения и распространения и возникают в плазме при превышении плотности протекающего в ней тока некоторой критической величины. Амплитудно-временные параметры импульсов вторично-эмиссионного тока в плазме определяют энергию этих импульсов на единичном сопротивлении: (1) где t - длительность импульса; y - коэффициент формы импульса тока I(t) в нагрузке; Im - амплитуда импульса тока. Промежуток «свариваемое изделие - коллектор заряженных частиц», где коллектор заряженных частиц является электродом, отбирающим ток из плазмы, может быть рассмотрен в качестве нелинейного активного двухполюсника в цепи регистрации вторично-эмиссионного тока, а внешние источники электродвижущей силы - как факторы, изменяющие распределение потенциала в слоях пространственного заряда, отделяющих плазму от соприкасающихся с ней электродов, и определяющие условия прохождения вторично-эмиссионного тока в плазме. Тогда импульсы вторично-эмиссионного тока в плазме над зоной лазерной сварки в вакууме с частотой порядка 104 Гц в нагрузке измерительной цепи могут рассматриваться как импульсы термоэлектродвижущей силы, генерируемой при тепловом взрыве конденсированной фазы металла в зоне воздействия лазерного луча. Энергия этих импульсов пропорциональна тепловой энергии Q, выделяемой продуктами разрушения металла: (2) где h - коэффициент полезного действия, учитывающий термодинамические потери и потери в электрической цепи и составляющий, применительно к условиям регистрации вторично-эмиссионного тока в плазме над зоной лазерной сварки в вакууме, величину 0,1-0,01 %. Энергия, выделяемая при тепловом взрыве конденсированной фазы металла, определяется в адиабатическом приближении величиной избыточной энтальпии перегретого металла (3) где m - масса перегретого металла, подвергаемого взрывному разрушению; с - удельная теплоемкость конденсированной фазы металла; Т - температура металла в момент, предшествующий взрывному разрушению; Т0 - температура кипения металла. Масса металла, разрушающегося при воздействии лазерного луча, (4) где q - мощность, выделяемая лазерным лучом; L - удельная энергия разрушения; τ - время энергонакопления, в течение которого температура повышается от Т0 до Т. Нагрев металла лучом лазера большой мощности вызывает значительный перегрев металла выше температуры кипения, величина которой определяется скоростью нарастания температуры металла. Эту скорость можно оценить, пренебрегая потерями на теплопроводность, по формуле (5) где qs - удельная мощность лазерного луча в зоне энерговыделения; r - плотность конденсированной фазы металла; δ - глубина слоя перегретого металла. Если аппроксимировать зависимость величины перегрева от скорости нарастания температуры степенной функцией (6) где a и γ - постоянные коэффициенты, а T ограничена сверху температурой спинодали, определяющей предельное устойчивое состояние метастабильной жидкости, то из выражений (5) и (6), с учетом приближенной постоянной скорости нарастания температуры в температурном интервале перегрева, следует (7) (8) Тогда энергия, выделяемая при взрывном разрушении металла в зоне воздействия лазерного луча в вакууме, приближено равна (9) и взаимосвязь энергии импульсов вторично-эмиссионного тока, регистрируемого в плазме над зоной лазерной сварки в вакууме, и удельной мощности лазерного луча при постоянном значении полной мощности определяется выражением (10) где А - постоянный коэффициент, Для оценки значения степенного параметра γ было проведено экспериментальное исследование взаимосвязи энергии импульсов вторично-эмиссионного тока, регистрируемого в плазме над зоной лазерной сварки в вакууме, и удельной мощности лазерного луча при воздействии лазерного луча на плоские образцы толщиной 4 мм из стали 12Х18Н10Т. С целью уменьшения отражающей способности зачистка поверхности образцов не проводилась. Для экспериментов использовалась установка ALFA-300 с варьированием максимального напряжения накопителя от 200 до 400 В, длительностью импульсов от 4 до 20 мс, частотой следования импульсов 1 Гц. Для контроля процесса взаимодействия лазерного луча с металлом при лазерной сварке в вакууме по параметрам вторично-эмиссионных сигналов над зоной сварки был установлен коллектор заряженных частиц (рис. 1), на который подавался положительный потенциал, и создавалась внешняя электрическая цепь для регистрации тока, протекающего в плазме, формирующейся над зоной сварки [15, 16]. 2 1 3 4 Рис. 1. Схема регистрации вторично-эмиссионного тока при лазерной сварке: 1 - коллектор заряженных частиц; 2 - свариваемое изделие; 3 - источник напряжения смещения; 4 - резистор нагрузки В ходе экспериментов проводилось изменение точки фокусировки лазерного излучения в пределах ± 1,6 мм, что приводило к изменению удельной мощности лазерного луча. Удельную мощность лазерного луча вычисляли в значениях, приближенных к ее равномерному распределению, по диаметру пучка, который определяли путем прожигания фольги при импульсном воздействии лазерного луча. Для определения усредненных значений энергии импульсов по формуле (1) использовались полученные в ходе экспериментов средние значения амплитуды и частоты импульсов вторично-эмиссионного тока, при этом средняя длительность импульса принималась приближенно равной где f - средняя частота колебаний. На рис. 2 приведен график зависимости энергии импульсов вторично-эмиссионного тока, регистрируемого коллектором заряженных частиц, от величины удельной мощности лазерного луча. Как видно из графика, в первом приближении зависимость энергии импульсов вторично-эмиссионного тока является пропорциональной, и величина степенного параметра в выражении (10) может быть принята γ @ 1. E, отн. ед. qs ×10-9, Вт/м2 Рис. 2. Зависимость энергии импульсов вторично-эмиссионного тока от величины удельной мощности лазерного луча При заглублении фокуса лазерного луча в изделие наблюдается изменение как значений амплитудно-временных характеристик, так и их частотного распределения (рис. 3, 4). Данный процесс может быть объяснен увеличением взрывного разрушения металла в сварочной ванне и усилением эмиссии электронов из зоны воздействия на металл лазерного излучения [17, 18]. Рис. 3. Регистрируемый вторично-эмиссионный сигнал при смещении фокуса вглубь изделия на 0,4 мм Рис. 4. Регистрируемый вторично-эмиссионный сигнал при смещении фокуса вглубь изделия на 0,6 мм Анализ амплитудно-временных характеристик показал увеличение количества регистрируемых пиков вторично-эмиссионного тока, что подтверждает увеличение эмиссии из плазменной фазы в зоне разрушения. В спектре регистрируемого сигнала присутствует высокочастотная составляющая (f > 10 кГц) и ее гармоники. Эта составляющая вторичного тока в плазме, измеряемого с помощью коллектора, находящегося под положительным потенциалом, отражает автоколебательные процессы в столбе плазмы при возбуждении в нем несамостоятельного разряда. Величина сигнала возрастает при увеличении величины заглубления фокуса лазерного луча в изделие. Природа этих автоколебательных процессов связана с возникновением ионно-звуковой неустойчивости. При этом наблюдаемая неустойчивость аналогична потенциально-релаксационной неустойчивости, характеризующейся большой амплитудой колебаний на положительном электроде, расположенном в плазме. Оба вида неустойчивости имеют схожую природу возбуждения и распространения. Возникающие автоколебания в плазме над зоной сварки модулируют осцилляции в спектре вторичного сигнала в диапазоне от 100 Гц до 10 кГц, вызванные капиллярными неустойчивостями канала проплавления, стохастическим перемещением зоны взаимодействия лазерного луча с металлом на стенках канала проплавления, локальными перегревами в канале проплавления, пульсациями потоков паров из канала проплавления и другими периодическими процессами в канале проплавления. Экспериментальные исследования зависимости коэффициента формы зоны проплавления (отношения глубины зоны к ее ширине) от удельной мощности лазерного луча показали, что эта зависимость в первом приближении близка к линейной (рис. 5). 0 3 6 9 12 qs × 10-9, Вт/м2 0 4 8 12 16 20 K 1 2 Рис. 5. Зависимость коэффициента формы зоны проплавления от удельной мощности лазерного луча: 1 - заглубление фокуса 0,4 мм, 2 - заглубление фокуса 0,6 мм Таким образом, энергия импульсов в первом приближении пропорциональна отношению глубины зоны проплавления к ее ширине. Это позволяет осуществить оперативный контроль геометрии зоны проплавления при лазерной сварке в вакууме по амплитудно-временным параметрам импульсов вторично-эмиссионного тока, регистрируемого в плазме над зоной лазерной сварки в вакууме.

About the authors

I. Yu Letyagin

Perm National Research Polytechnic University

V. Ya Belenkiy

Perm National Research Polytechnic University

D. N Trushnikov

Perm National Research Polytechnic University

References

Statistics

Views

Abstract - 16

PDF (Russian) - 6

Refbacks

• There are currently no refbacks.