Исследование акустических колебаний при воздействии импульсного лазерного излучения

УДК 621.785 ББК 34

И.Р. ШАНГАРАЕВ, Д.Э. ВЕЛИЕВ, НА. ГАЛАНИНА, ВВ. ЗВЕЗДИН, Р.Р. САУБАНОВ

ИССЛЕДОВАНИЕ АКУСТИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ИМПУЛЬСНОГО ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Ключевые слова: модуляция, несущая частота, ультразвуковые колебания, лазерное излучение.

Рассмотрены особенности возникновения ультразвуковых колебаний в металле при воздействии лазерного излучения. Установлено, что при выделении механической энергии в металле возникают ультразвуковые колебания. Предложен способ повышения качества информационного сигнала из зоны взаимодействия на основе модуляции.

I. SHANGARAEV, D. VELIEV, N. GALANINA, V. ZVEZDIN, R. SAUBANOV STUDY OF ACOUSTIC OSCILLATIONS UNDER PULSED LASER

Key words:modulation, carrying frequency, ultrasound, laser radiation.

The ultrasonic vibrations features in the zone of the metal interaction of the laser radiation were considered. It was shown that the allocation of the mechanical energy is the cause of the ultrasonic vibrations. The modulation based method of the improving the quality of the information signal from the interaction zone was offered.

При воздействии импульсного лазерного излучения (ЛИ) на металл в зоне взаимодействия возникают упругие механические колебания с частотой 30-600 кГц, на поверхности образца наблюдаются ярко выраженные кольца уплотнений металла (рис. 1). Данные кольца свидетельствуют о возникновении механических колебаний в металле [1], причем микротвердость в зоне термического влияния образца увеличивается в 2-2,5 раза по отношению к микротвердости матрицы.

Распространение модулированной волны в металле можно представить следующим образом:

S = So +8нл ,

где s0 - линейная диэлектрическая проницаемость; енл- нелинейная добавка.

Стационарное воздействие волн описывается уравнением Гельмгольца:

ю ю

ДЕ = — S0E+—sraE, (2) с2 с

где ш - частота излучения; E - вектор напряженности электрического поля волны, с - скорость распространения волны. Медленно меняющаяся амплитуда

E =

V V 1 v<

V jf ';ff:

. V <;.

Рис. 1. Фото поверхности образца

где е - единичный вектор поляризации; г - направление распространения пучка; х, у - поперечные координаты; ц - малый параметр, характеризующий отличие пучка от линейной плоской волны, которое проявляется у него вследствие дифракции и нелинейности среды; к - модуль волнового вектора.

Действительная амплитуда поля

где Е - фокусное расстояние до металла; Е(0) - амплитуда поля; а - ширина пучка на металле.

В спектре полученных сигналов ультразвуковых колебаний (УЗК) преобладают низкие частоты, поэтому для повышения точности анализа был использован метод модуляции информационным сигналом несущей частоты генератора ультразвука. Модуляция низкочастотных информационных колебаний за счет включения высокочастотных ультразвуковых колебаний (генератора УЗК), несущая частота которых на порядок выше, чем частота исходного УЗК, позволяет более точно определить показатели качества технологического процесса (ТП), такие как диаметр отверстия, микротвердость и шероховатость поверхности, точность позиционирования, фокусное расстояние от поверхности. Амплитуда такой модуляционной функции должна быть пропорциональна глубине фокуса ЛИ зоны термического влияния [2].

Таким образом, модуляция представляет собой процесс изменения одного или нескольких параметров высокочастотного несущего колебания по закону низкочастотного управляющего сигнала.

Передаваемая информация заложена в управляющем (модулирующем) сигнале, а роль переносчика информации выполняет высокочастотное колебание, называемое несущей частотой (рис. 2).

Огибающая

Сигнал

а

Управляющий сигнал

Несущая

б

Рис. 2. Амплитудная модуляция Ц^Г): а - смодулированная несущая частота; б - модулированная несущая частота

В результате модуляции спектр низкочастотного управляющего сигнала переносится в область высоких частот.

и = и0со8

где и0, ш0, ф0 - амплитуда, частота и начальная фаза, соответственно.

ит = и 0 + Дих

где Ли - постоянная составляющая; х(0 - низкочастотный сигнал.

Тогда выражение для амплитудно-модулированного сигнала примет вид:

иАМ = и0 1 + Диих

_ и 0 _

Подобный подход обеспечивает исключение влияния помех и стабилизацию зависимостей между амплитудой УЗК и показателями качества ТП.

Экспериментальные исследования показывают, что диаметр отверстия зависит от положения фокуса ЛИ и его энергии. Для оптимизации параметров лазерного технологического комплекса (ЛТК) с целью минимизации энергетических затрат и повышения качества ТП необходимо регулировать энергетические параметры ЛТК, оценивать которые можно по амплитуде и спектральному составу модуляционной функции УЗК.

При модуляции происходит не сложение, а перемножение сигналов, поэтому для извлечения сигнала используем демодуляцию (детектирование) -обратную функцию модуляции.

Для выделения информационного сигнала из УЗК была разработана структурная схема системы автоматического управления ЛТК (рис. 3).

Х1(

Х1

/V

Х„

4

Х2

X

2

X

Хд

X,

1 3

Х9

12

12

V

6

Х13

Хб

10

X

т

11

Х7

Рис. 3. Структурная схема системы автоматического управления ЛТК: 1 - блок питания; 2 - оптический квантовый генератор; 3 - оптическая система; 4 - числовое программное управление; 5 - перемещение двигателя постоянного тока по оси г; 6 - перемещение по оси г; 7 - генератор ультразвуковых колебаний; 8 - деталь; 9 - датчик ультразвуковых колебаний; 10 - детектор; 11 - усилитель; 12 - аналого-цифровой преобразователь; 13 - микропроцессорная система

5

3

2

7

8

9

1

Соответствующие амплитудная и фазовая логарифмические частотные характеристики показаны на рис. 4.

о

-30 -60 -90 -120 -150 -180 -210 -240 -270 -300

Ф(0

\

\

к

]

б

Рис. 4. Логарифмические частотные характеристики: а - амплитудная; б - фазовая

Позиционирование ЛИ относительно заданного начала координат позволяет повысить точность выполняемой технологической операции и в данном случае задается программным обеспечением ЧПУ [3].

Передаточные функции структурной схемы системы автоматического управления ЛТК (рис. 3) выглядят следующим образом.

Блок питания:

Оптический квантовый генератор: Оптическая система: Генератор:

Деталь:

Детектор: Усилитель:

Аналого-цифровой преобразователь: Микропроцессорная система:

Числовое программное управление:

ТБ

Т

Х

+ Х1 = Кбп • Х9.

+ Х] = Кокг • Х9.

Т---+ Х 3 = К • Х 2

Ж

ж (у) =

к

Т

де

Т • 5 +1 ЖХ5

+ Х, = Кдет • Хд.

Ж

Х 7 = К • Х 6. Х 8 = К • Х 7 .

Х9 = КАЦП • Х8 . Х10 = КМПС • Х9 .

Т • Ж^ + Х п = К • Х 1(

Ж

а

dX1 о

Привод: T--12 + X12 = K • Xjj.

dt

dX 13

Устройство перемещения: T---+ X13 = K • X12.

dt

Выводы. Анализ ультразвуковых колебаний позволяет судить о параметрах зоны взаимодействия после воздействия лазерного излучения. Модуляционная функция содержит информацию о качестве получаемых отверстий в металлах. Поэтому исследование взаимосвязи параметров ультразвуковых колебаний с показателями качества технологического процесса позволяет осуществлять управление ходом технологического процесса для достижения заданных показателей качества, что приводит к повышению экономической эффективности.

Литература

1. Исследование процесса влияния изменения мощности при газолазерной резке металлов / В.А. Пе-сошин, В.В. Звездин, С.М. Портнов, Р.А. Кисаев, И.Н. Кузнецов // Вестник КГТУ им. Туполева. 2010. № 2. С. 43-46.

2. Система управления процессом термообработки концентрированными потоками энергии поверхности деталей / С.М. Портнов, Р.Р. Саубанов, Р.А. Кисаев, И.Н. Кузнецов, И.Х. Исрафилов, В.В. Звездин, А.И. Нугуманова // Глобальный научный потенциал. 2011. № 8. С. 95-100.

3. Позиционирование лазерного излучения относительно сварного шва как показатель качества технологического процесса / В.В. Звездин, А.В. Хамадеев, Р.Г. Загиров, И.Р. Шангараев // Вестник КГТУ им. Туполева. 2008. № 3. С. 17-19.

ШАНГАРАЕВ ИЛЬДАР РАИСОВИЧ - аспирант кафедры высокоэнергетических процессов и агрегатов, Набережночелнинский институт (филиал) Казанского (Приволжского) федерального университета, Россия, Набережные Челны (Ildar_chelni2010@mail.ru).

8ИАМСАКАЕУ 1ЬБАК - post-graduate student of High-Energy and Food Engineering Chair, Naberezhnye Chelny Institute (Branch) of Kazan (Volga region) Federal University, Russia, Naberezhnye Chelny.

ВЕЛИЕВ ДАВИД ЭЛМАНОВИЧ - аспирант кафедры высокоэнергетических процессов и агрегатов, Набережночелнинский институт (филиал) Казанского (Приволжского) федерального университета, Россия, Набережные Челны (gotoindvdum@gmail.com).

VELIEV DАVID - post-graduate student of High-Energy and Food Engineering Chair, Naberezhnye Chelny Institute (Branch) of Kazan (Volga region) Federal University, Russia, Naberezhnye Chelny.

ГАЛАНИНА НАТАЛИЯ АНДРЕЕВНА. См. с. 97.

ЗВЕЗДИН ВАЛЕРИЙ ВАСИЛЬЕВИЧ - доктор технических наук, профессор кафедры высокоэнергетических процессов и агрегатов, Набережночелнинский институт (филиал) Казанского (Приволжского) федерального университета, Россия, Набережные Челны.

ZVEZDIN VАLERIY - doctor of technical sciences, associate professor of High-Energy and Food Engineering Chair, Naberezhnye Chelny Institute (Branch) of Kazan (Volga region) Federal University, Russia, Naberezhnye Chelny.

САУБАНОВ РУЗИЛЬ РАШИТОВИЧ - кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры высокоэнергетических процессов и агрегатов, Набережночелнин-ский институт (филиал) Казанского (Приволжского) федерального университета, Россия, Набережные Челны.

SAUBANOV RUZIL - candidate of technical sciences, senior teacherof High-Energy and Food Engineering Chair, Naberezhnye Chelny Institute (Branch) of Kazan (Volga region) Federal University, Russia, Naberezhnye Chelny.