СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ КОЛЕБАНИЙ ТЕМПЕРАТУРЫ В КАНАЛЕ ПРОПЛАВЛЕНИЯ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ МОЩНОГО ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА МАТЕРИАЛЫ
METHOD TO MEASURE OSCILLATIONS OF TEMPERATURE IN MELTING CHANNEL UNDER ACTION OF POWERFUL LASER RADIATION AT MATERIALS

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к пирометрическим методам измерения температуры и может быть использовано для измерения и контроля температуры и флуктуации температуры в зоне воздействия лазерного излучения при лазерной термической обработке материалов.
Во многих лазерно-термических процессах обработки материалов (лазерная резка, пробивка отверстий, наплавка, термоупрочнение и др.) с целью контроля и управления технологическим процессом обработки, возникает потребность в измерении температуры и флуктуации температуры в зоне воздействия лазерного излучения. Однако малые размеры области воздействия лазерного излучения (при лазерной резке и пробивке отверстий это, как правило, доли миллиметра), присутствие светящего эрозионного факела (в ряде случаев), высокие температуры, нестационарность процесса, существенно затрудняют проведение измерений.
Особые трудности возникают, когда в зоне воздействия лазерного излучения формируется глубокий канал проплавления. В процессе образования канала проплавления в слое расплава на стенках канала могут возбуждаться неустойчивости движения расплава и пространственно-неоднородные колебания температуры. Эти взаимосвязанные между собой физические процессы приводят к ухудшению качества обработки материала (качества лазерной прибивки отверстий, качества лазерной резки, качества лазерной сварки). Поэтому для выбора оптимального режима лазерной обработки необходимо исследование механизмов и условий развития этих процессов. Для этого требуется. разработать способ позволяющий контролировать температуру и колебания температуры (частоту и амплитуду) в канале проплавления.
На сегодняшний день практически нет надежных и удобных для практического использования способов измерения температуры и колебаний температуры в канале проплавления. Известные методы температурных измерений, как правило, относятся к измерениям температуры на однородно нагретой и плоской поверхности. Из известных методов наибольшее распространение получили различные пирометрические методы, основанные на регистрации и обработке теплового излучения и методы зондирования нагретой поверхности пробным лучом (по изменению коэффициента отражения пробного луча).
Например в работе [см. заявка на изобретение RU 2010107443 А от 02.03.2010] предложен способ измерения яркостной и цветовой температуры поверхности в области воздействия лазерного излучения, основанный на сканировании поверхности с помощью гальвосканера с F-teta линзой, регистрации теплового излучения поверхности в двух узких спектральных интервалах и соответствующей обработке результатов измерений.
В работе [см. заявка на изобретение RU 2010128820 А от 12.07.2010] предложен способ измерения температуры нагретой поверхности по отраженному излучению пробного луча. Температура определялась путем сравнения интенсивности отраженного луча от исследуемой поверхности с интенсивностью этого же луча отраженного от поверхности с известной температурой.
Недостатком вышеприведенных методов является то, что их невозможно использовать для диагностики температуры и температурных изменений в канале проплавления, особенно в глубоком канале проплавления
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по поставленной цели, технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является способ измерения температуры и флуктуации температуры предложенный в работе [1]. Авторы указанной работы проводили измерения температуры и флуктуации температуры поверхности материала (металла) на фронте лазерного реза по тепловому излучению поверхности. С помощью диафрагм и оптической системы выделялось тепловое излучение поверхности. Далее с помощью селективных оптических фильтров из теплового излучения выделялись два узких спектральных диапазона и подавались на регистрирующую систему. Далее с помощью известной методики обработки теплового излучения определялась температура поверхности материала на фронте лазерного реза.
Недостатком указанного метода является трудности, возникающие при выделении теплового свечения поверхности фронта реза из-за малых размеров ширины реза (ширина реза составляет доли миллиметра, глубина несколько миллиметров). Кроме этого приведенный метод невозможно использовать для измерений температуры и флуктуации температуры стенок канала глубокого проплавления при лазерной пробивке отверстий из-за невозможности регистрации теплового свечения стенок канала проплавления.
Целью предлагаемого изобретения является разработка простого и информативного способа измерения частоты и амплитуды колебаний температуры в зоне воздействия концентрированных потоков энергии на материалы, в частности в канале глубокого проплавления в технологических процессах лазерной резки и пробивки отверстий в металлах.
Цель достигается тем, что измерения температуры в канале проплавления проводятся по тепловому излучению поверхности со стороны противоположной воздействующему лазерному излучению, (т.е. со стороны противоположной образующемуся каналу проплавления), где нет эрозионного факела и лазерного излучения, которые затрудняют проведение измерений.
Для этого на тыльной стороне образца (обрабатываемого материала) устанавливается инфракрасный (ИК) фотоприемник с оптической системой сбора теплового излучения. Возникающие при воздействии мощного лазерного излучения колебания температуры в канале проплавления возбуждают температурные волны в обрабатываемом материале, которые распространяясь по материалу доходят до тыльной стороны образца. Тепловое излучение участка поверхности расположенного напротив образующегося канала проплавления с помощью оптической системы подается на вход фотоприемника.
3+
На рис.1 приведена конкретная схема для регистрации температуры и флуктуации температуры на дне канала проплавления при лазерной пробивке отверстий в металлах. Пробивка отверстий проводится импульсно-периодическим излучением твердотельного лазера YAG:Nd(λ=1.06 мкм, W=5 Дж, τ≈1.2 мс). Излучение лазера 1 фокусируется линзой 2 на металлическую пластину 3 толщиной 3 мм. При воздействии лазерного излучения происходит нагрев поверхности, плавление и образование канала проплавления см. рис.1. Одновременно в материале начинают распространяться температурные волны, которые через определенное время (определяемое соотношением
, где z - расстояние от дна канала проплавления до тыльной стороны, χ - температуропроводность материала) доходят до тыльной стороны пластины. Тепловое излучение тыльной стороны пластины собирается линзой 5 (линза расположена на двойном фокусном расстоянии от зондируемого участка поверхности) и направляется на вход ИК фотоприемника 6. Для выделения теплового излучения зондируемого участка поверхности перед входом фотоприемника установлена диафрагма. С фотоприемника тепловой сигнал подается па цифровой осциллограф 7 и далее на компьютер 8 для обработки. Осцилляции теплового сигнала наиболее четко проявляются когда толщина непробитой части мала.
z
пл.
пл.
На рис.2 показаны тепловые сигналы регистрируемые с тыльной стороны пластины при пробивке лазерным импульсом. Штриховой линией 1 показано положение лазерного импульса. Кривая 2 - изменение теплового сигнала за время действия лазерного импульса. На фронте теплового сигнала, перед образованием сквозного канала видны небольшие квазипериодические осцилляции теплового излучения, которые указывают на колебания температуры в канале проплавления. Как отмечалось выше причиной осцилляции движения расплава и колебаний температуры является развитие гидродинамических неустойчивостей течения расплава в канале проплавления. Для выделения слабых колебаний на фоне большой общей амплитуды прописывается производная теплового сигнала (см. рис.2, кривая 3). На графике производной четко проявляется колебательный характер изменения температуры в канале проплавления. Как следует из рисунка частота колебаний для выбранного режима пробивки и выбранного материала (молибден) составляет f≈20-25 кГц. Для определения амплитуды колебаний температуры ΔТ в канале проплавления плотность, мощности лазерного импульса выбирается такой, чтобы пластина к концу лазерного импульса не пробивалась до конца, а оставшийся тонкий слой толщиной
(где δ - толщина слоя расплава, χ - температуропроводность материала, v - скорость пробивки) находился в расплавленном состоянии. В этом случае максимальное значение теплового сигнала будет соответствовать температуре плавления материала пластины Т Измеряя на графике максимальное значение теплового сигнала соответствующую моменту пробивки I и амплитуду колебаний теплового сигнала ΔI (в относительных единицах см. рис.2) можно оценить амплитуду колебаний температуры в канале проплавления ΔT:
Подставляя численные значения измеренные из графика получаем: -
пл.
пл.
ΔI≈3.5 отн.ед., I≈150 отн.ед., Т(Мо)≈2620°С, получим, ΔТ≈20°С
Таким образом, предложенный способ позволяет проводить измерения частоты и амплитуды колебаний температуры в канале проплавления при воздействии лазерного излучения на материалы.
Способ иллюстрируется Рис.1, Рис.2
Рис.1. Схема иллюстрирующая принцип работы предложенного способа измерения частоты и амплитуды колебаний температуры в канале проплавления. 1. лазер, 2. фокусирующая линза, 3. пластина из молибдена, 4. диафрагма, 5. фокусирующая линза, 6. ИК-фотоприемник, 7. цифровой осциллограф, 8. Компьютер
Рис.2. Тепловой сигнал с тыльной стороны пластины. 1. Положение лазерного импульса, 2. изменение тепловой сигнал с тыльной стороны пластины, 3. производная теплового сигнала
Библиографические данные:
1. Dubrov A.V., Dubrov V.D., Zavalov Y.N. et al "Application of optical pyrometry for online monitoring in laser-cutting technologies". Applied Physics B: Lasers and Optics, V.105, pp.537-543, (2011). DOI: 10.1007/s00340-011-4611-3