Исследования температурных полей в конструкционной стали при воздействии лазерных потоков, сформированных фокусаторами излучения

ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ПОЛЕЙ В КОНСТРУКЦИОННОЙ СТАЛИ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ЛАЗЕРНЫХ ПОТОКОВ, СФОРМИРОВАННЫХ ФОКУСАТОРАМИ ИЗЛУЧЕНИЯ

С.П. Мурзин, Е.Л. Осетров Самарский государственный аэрокосмический университет

Аннотация

Проведены экспериментальные исследования температурных полей в конструкционной стали 40ХНМА при воздействии лазерных потоков, сформированных фокусаторами излучения. Для определения температуры в зоне лазерного воздействия использовался инфракрасный термометр «Кельвин». Воздействие на объекты полосовых движущихся энергетических источников предоставляет возможность обеспечить выравнивание значений максимальных температур в поперечных сечениях зоны термического влияния, а увеличение плотности мощности лазерного излучения по краям полосы компенсирует повышенный те-плоотвод с периферийных участков.

Введение

Применение дифракционных оптических элементов - фокусаторов излучения [1, 2] при лазерной обработке материалов предоставляет возможность создать требуемый комплекс свойств конструкционных материалов в зоне термического влияния. В этом случае форма лазерного пятна и распределение плотности мощности излучения рассматриваются в качестве основных параметров режима обработки, выбор параметров лазерного источника и оптической системы проводится в соответствии с результатами решения обратной задачи теплопроводности. В работах [3, 4] разработана методика расчета пространственного распределения мощности лазерного излучения для формирования требуемого энергетического воздействия на технологические объекты, применение которой позволяет создать более равномерное температурное поле по длине движущегося полосового источника.

Целью данной работы являются экспериментальные исследования температурных полей в конструкционном материале - хромоникельмолибдено-вой стали 40ХНМА при воздействии лазерных потоков, сформированных фокусаторами излучения.

Применение инфракрасного термометра «Кельвин» в составе системы бесконтактной диагностики температур

При проведении исследований для формирования излучения СО2-технологической установки ЛК-1300 «Хебр-1А» мощностью Q =103 Вт применялся отражающий дифракционный оптический элемент [5]:

г (и,У )= modm,

( 1 (ТТ2соЛ

(.X/(2со^е

^cosQ к

и we+v2

4/

и 006 е >1я2 -и2 ( и2 + V2 ^ Ь | ^ | ехр

\

с¥

/

/

где 2 (и ,У) - высота рельефа в точке (и ,У) оптического элемента; и,У - координаты точки отражающего оптического элемента в системе координат с осью Ои, направленной противоположно проекции падающего луча и имеющей начало в центре расположенной в области О: и2соб е + У2 = Я2 отражающей поверхности; Я - максимальный радиус фокусируемого пучка; Ь - длина фокального отрезка; / - фокусное расстояние оптического элемента; е - угол между оптической осью излучения и нормалью к плоскости оптического элемента; то<(И)тХ/(2с(ме) - функция, равная наименьшему положительному остатку от деления И на даХ/(2соБ е);

X - длина волны излучения; т - целое число; г -параметр фокусируемого пучка Гауссовского распределения плотности излучения, в котором интенсивность на расстоянии г от центра уменьшается в е раз по сравнению с интенсивностью в центре

пучка; ($) - значение двойного интеграла вероятности в области О для фокусируемого пучка гаус-совского распределения плотности излучения:

(и2 + У2 )"

(»)'=П Я ехР

<Ш <У.

Фокусатор имел следующие параметры: / =1 м;

Ь0 =12-10-3 м; Я =25-10-3 м; г = 0,7Я ; е =45°.

Для определения температуры в зоне лазерного воздействия в диапазоне значений Т =(600....1600) К использовался инфракрасный термометр «Кельвин», имеющий предел допустимой абсолютной погрешности А в диапазоне температуры окружающей

среды (293±5) К: А = (1 + 0,01 |ТТ + 273|) К, где ТТ -

показания прибора (°С). Для дополнительной калибровки прибора установлена зависимость между регистрируемым потоком теплового излучения и глубиной закалки центральной области зоны термического влияния.

О

На рис. 1а представлены расчетные зависимости глубины закалки технологического объекта из стали 40ХНМА с поглощающим покрытием МЦС-510 на основе метилцеллюлозы и силиката натрия при различной скорости движения полосовых энергетических источников:

д(х,у) = д0(-2,4568-10-7х° + 2,5128-10-57 --7,7806 •10-4 х6 + 6,8237 -10-3 х4 -

-1,7760-10-2 х +1,0142) • •(-1,0086у6 + 2,7886у4 - 2,7350у2 + +0.9967) [Вт/м2]

при д0 =8,8422-107 Вт/м2; х е[-5,5•Ю-3м; 5,5•Ю-3м]; у £ [-10-3м;10-3м].

д(х,у) = д0(1,1513•Ю-7х -1,0036• 10°х +

+2,4962•Ю-4х -2,0921 •Ш"3х + +8,2705 •Ю-3 х2 + 0,9969) х

х( -1,3516у6 + 3,3895у4 -3,0153у2 + + 0,9966) [Вт/м2]

при д0=7,9698-107 Вт/м2;

х е [-6,8•Ю-3м; 6,8•Ю-3м]; у е [-10-3м; 10-3м], где д0 - плотность мощности в центре энергетического источника; х, у - пространственные координаты; х = х/10-3 м , у = у/10-3 м - безразмерные координаты. Формулы (3) и (4) получены в результате аппроксимации расчетного распределения плотности мощности в фокальной плоскости полиномами десятой степени [4].

Зависимость (3) описывает распределение плотности мощности в фокальной плоскости оптического элемента (1) при значении параметров фокусируемого пучка ЯФ = гф =18-10-3 м и мощности излучения Q =950 Вт, а зависимость (4) - при Яф = Гф =22-10-3 м.

При определении глубины закалки ^ рассматривалась нелинейная задача теплопроводности при нагреве технологического объекта полосовым поверхностным энергетическим источником. Расчет проводится для технологического объекта, который перемещался с постоянной линейной скоростью и в положительном направлении оси Oy в системе координат (х, у, г), помещенной в центр энергетического источника мощностью Q. Принималось допущение: энергетический источник с заданными геометрией и пространственным распределением мощности является поверхностным и занимает область ф на поверхности исследуемого объекта. На

-3

остальной части поверхности задаются нелинейные условия теплообмена с окружающей средой.

После воздействия на образец лазерного излучения изготавливались микрошлифы поперечного сечения зоны термического влияния и проводились измерения глубины закаленного слоя. Характерные диаграммы регистрируемого сигнала для образца из стали 40ХНМА с поглощающим покрытием МЦС-510, а также результаты измерений глубины закаленных слоев образцов приведены на рис. 16. На рис. 1 обозначено: пед - относительные единицы

показаний прибора; ^ - глубина закалки.

к„10~3м

0,6

0,4

0,2

у У У / * У У У У

/ / / / / у у /

Г / / / / / //

:/ г

а)

1150

1250

1350

Т,К

б)

0,6 К.Ю 'м

Рис. 1. Расчетные зависимости глубины закалки кг технологического объекта из стали 40ХНМА с поглощающим покрытием от температуры поверхности Т при воздействии поверхностных энергетических источников (3), (4) (а); результаты измерения глубины зоны закалки ^ образцов из стали 40ХНМА с поглощающим покрытием МЦС-510 после проведения лазерного воздействия и интенсивности сигналов инфракрасного термометра пед, полученные на этих образцах (б). Скорость движения энергетических источников и, 10'3 м/с: кривая 1 - 1,3; кривая 2 - 0,7

Представленные на рис. 1 результаты исследований предоставляют возможность прокалибровать прибор и при проведении последующих измерений определять температуру поверхности в зоне обработки. Основным недостатком при определении температуры в зоне лазерного воздействия бесконтактным методом является зависимость показаний прибора от взаимного расположения пиродатчика и визируемой области, поскольку выходной сигнал пропорционален регистрируемому тепловому потоку. Это вызывает необходимость точной юстировки, калибровки показаний перед началом, а также периодически в ходе проведения измерений.

Результаты экспериментальных исследований

В результате расчета и эксперимента определены: изотермы температурного поля и распределение температуры Т по ширине зоны термического влияния на поверхности деталей из хромоникельмо-либденовой стали 40ХНМА, имеющие место при движении полосовых энергетических источников мощностью Q =0,95-103 Вт со скоростью и =1,110-2 м/с,

представленные на рис. 2, 3. у, 10~3м

Т=500К

Т=700К

Т=900К

Т=1100К

Т=1300К

а)

3 х, 10 м

у, 10~3м 9

б)

/ \

/ 1 \

✓ ✓ / ^ -г

/ ! . ' ^ - 1 ' ' ЧЧ С -

1 **« _ ----

,Т=1100К ,Т=900К ,Т=700К ,Т=500К

-6

-3

О

х, 10'3м

Рис. 2. Изотермы температурного поля на поверхности детали из стали 40ХНМА при проведении лазерного термоупрочнения. Скорость движения полосовых энергетических источников с различным распределением мощности и =1,1-10'2м/с. Мощность излучения СО2-лазерной установки Q =950 Вт. пунктирная линия - результаты расчета, сплошная - эксперимент

Т,К\

1200

900

600

а)

300

/ \\

1 1 1 а \\ \\ N \\ к

\ \ ч V

о/' V ----- о__ _ -в---- < о ___, о-- __О ~~' о

,х=0 ,х=2-10'3м ,х=4-10'3м ,х=б-10'3м ,х=8-10'3м

9 у, 10'3м

Т,К

1200

900

600

б)

300

\

—1 1 / / \

/ ;/ V ч

1. о__— ^Ч о "о —

,х=0 ,х=2-10'3м ,х=4-10'3м ,х=б-10'3м .х=8-10'3м

О

9 у, 10 м

Рис. 3. Распределение температуры Т по ширине зоны термического влияния на поверхности стали 40ХНМА при проведении лазерного термоупрочнения полосовыми энергетическими источниками с различным распределением мощности. Скорость движения энергетических источников и =1,1-10'2м/с. Мощность излучения СО2-лазерной установки Q =950 Вт. пунктирная линия - результаты расчета, точки - эксперимент

Применялась схема нагрева непрерывным излучением, сфокусированным в неподвижный отрезок, установленный перпендикулярно траектории движения заготовки. Численное интегрирование дифференциального уравнения теплопроводности проводилось с учетом зависимостей от температуры те-плофизических характеристик обрабатываемых материалов (теплопроводности, объемной теплоемкости, а также полной поверхностной теплоотдачи) и эффективного коэффициента поверхностного поглощения лазерного излучения, которые задавались табулированными значениями с шагом по температуре.

Дополнительное перераспределение мощности излучения к краям лазерного пятна достигалось путем повышения доли энергии, формируемой периферийными зонами фокусатора, увеличением радиуса фокусируемого луча ЯФ .

Скорости нагрева и охлаждения материала на поверхности деталей из хромоникельмолибденовой стали 40ХНМА, имеющие место при движении полосовых энергетических источников мощностью

Q =0,95-103 Вт со скоростью и =1,110-2 м/с, приведены на рис. 4.

а)

-5-10

б) Ъ-0,3 ^ ^+0,3

Рис. 4. Термические циклы (а), а также скорости нагрева и н и охлаждения иохл (б) точек на поверхности технологического объекта из стали 40ХНМА. х, 10'3м: кривая 1 - 0; кривая 2 - 2; кривая 3 - 4; кривая 4 - 6; кривая 5 - 8. tпp - момент

прохождения центральной части лазерного пятна над расчетным сечением

При воздействии излучения, имеющего параметры фокусируемого пучка ЯФ = гф =18-10-3 м, и мощность, равную Q =950 Вт, на движущийся со скоростью и =1,1-10-2м/с технологический объект из стали 40ХНМА, величина максимальной температуры на поверхности в центре зоны термического влияния

равна max

T

=1450 K. Ширина изо-

- =6,5-10 м.

термы Т =1100 К составляет ЬТ=

Изменение параметров фокусируемого пучка излучения до значений ЯФ = гф =22-10-3 м приводит к уменьшению в 1,12 раза величины максимальной температуры в центре зоны термического влияния,

Ширина изотермы Т =1100 К увеличивается в 1,4 раза и равна ЬТ=1100 К=9,2-10-3 м. Результаты экспериментальных исследований температурных полей в обрабатываемом материале при воздействии движущихся распределенных поверхностных источников энергии удовлетворительно (погрешность 5Т < 10...15%) коррелирует с результатами расчетов. Скорость охлаждения в диапазоне значений температур от Т =1100 К до Т =940 К составляет и„

103...2-103 К/с.

которая составляет max

T

= 1300 К.

Заключение Приведенные результаты экспериментальных исследований температурных полей в обрабатываемом материале - хромоникельмолибденовой стали 40ХНМА при воздействии движущихся распределенных поверхностных источников энергии удовлетворительно

коррелирует с результатами расчетов. Воздействие на объекты полосовых движущихся энергетических источников предоставляет возможность обеспечить выравнивание значений максимальных температур в поперечных сечениях зоны термического влияния в ходе термических циклов нагрева и охлаждения, а увеличение плотности мощности лазерного излучения по краям полосы компенсирует повышенный теплоотвод с периферийных участков. Дополнительное перераспределение мощности излучения к краям лазерного пятна достигается путем повышения доли энергии, формируемой периферийными зонами фокусатора, например, увеличением радиуса фокусируемого луча или использованием кольцевого распределения плотности потока. Достигается выравнивание значений максимальных температур вдоль линии перемещения энергетического источника в центре и на периферии зоны термического влияния с увеличением ширины требуемых изотерм максимальных температур.

Литература

1. Optical phase element for focusing monochromatic radiation: Patent GB 2185126. 24.05.89. Int. cl.5 G 02 B 5/10. // Prokhorov A.M., Sisakian I.N., Golub M.A., Soifer V.A., Karpeev S.V., Goncharsky A.V.

2. Golub M.A., Sisakian I.N., Soifer V.A. Infra-red radiation focusators // Optics and lasers in engineering, 1991. - Vol. 15. - N 5. - P. 297-309.

3. Мурзин С.П. Повышение эффективности лазерной обработки материалов при использовании элементов компьютерной оптики // Перспективные материалы. 2003. - №2. - С. 74-78.

4. Мурзин С.П., Клочков С.Ю., Артюшина В.И. Формирование энергетического воздействия при лазерной обработке материалов // Вестник СГАУ, 2006. - В. 43. -С. 160-166.

5. Методы компьютерной оптики / Под ред. В. А. Сойфе-ра. - М.: Физматлит, 2000. - 688 с.