Способ управления процессом лазерной прошивки отверстий в сталях на основе анализа ультразвуковых колебаний Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.785 ББК 34

И.Р. ШАНГАРАЕВ, Д.Э. ВЕЛИЕВ,

Н.А. ГАЛАНИНА, В.В. ЗВЕЗДИН

СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ЛАЗЕРНОЙ ПРОШИВКИ ОТВЕРСТИЙ В СТАЛЯХ НА ОСНОВЕ АНАЛИЗА УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ

Ключевые слова: лазерное излучение, ультразвук, прошивка отверстий, плотность мощности, плавление, фокусное пятно, энергоэффективность.

Рассмотрен один из перспективных способов сверления отверстий в металлических изделиях в машиностроении - лазерная прошивка. Построена математическая модель температурного поля в зоне взаимодействия лазерного излучения на металл, которая с учетом допущений позволяет без ущерба для точности получаемых результатов заменить трехмерную задачу плоской. Показано, что при положении фокусного пятна на расстоянии, превышающем толщину самой детали, прошивка отверстия становится сложным, малоэффективным и энергозатратным процессом. Выявлена зависимость глубины прошивки отверстий от различных фокусных расстояний лазерного излучения. Получены основные параметры управления лазерным излучением, которые эффективно влияют на качество технологического процесса прошивки отверстий, что позволяет проводить прецизионную обработку металлов.

I.R. SHANGARAEV, D.E. VELIEV, N.A. GALANINA, V.V. ZVEZDIN METHOD OF CONTROL OF LASER HOLES DRILLING IN METALLS BASED ON ANALYSIS OF ULTRASONIC VIBRATIONS Key words: laser radiation, ultrasound, drilling, power density, melting, focal spot, energy efficiency.

Considered laser holes drilling - one of the most promising ways to drill holes in metallic products in mechanical engineering. Constructed mathematical model of temperature field in the zone of interaction of laser radiation with the metal, which allow replace three-dimensional problem by a flat without compromising the accuracy of the obtained results. It was shown that the positioning of the focal spot at a distance greater than the thickness of the part itself becomes drilling complex, inefficient and energyintensive process. Detected dependence of the depths of hole from the different focal length of the laser radiation for metals. Laser processing of materials provided a new level of quality and efficiency of the process, and set the stage for a brand new design and technological solutions in mechanical engineering.

Процесс лазерной прошивки металлов. Лазерное сверление часто бывает выгодно или незаменимо при получении отверстий в очень твердых материалах. Образование большого объема жидкой фазы металла и его неполное удаление из зоны обработки являются неблагоприятным и трудноуправляемым фактором, существенно снижающим эффективность обработки и качество отверстия. Основным методом повышения точности и качества лазерной размерной прецизионной обработки является многоимпульсная обработка материалов лазерным излучением [1, 5].

Цель исследования заключалась в определении оптимальной величины плотности потока и положения фокусного пятна лазерного излучения (ЛИ) для наиболее эффективной прошивки отверстий (ПО) в соответствии с требуемыми показателями качества, предъявляемыми заказчиком. В исследовании использовались образцы различных металлов.

Как правило, при лазерной ПО не используется удаление газовым потоком продуктов разрушения металла, особенно в случае, если отверстие не является сквозным. Возникает проблема, связанная с оптимизацией энерговклада, который определяется длительностью импульса ЛИ и напряжением разряда [2].

Если длительность импульса т достаточно мала и оптический разряд в окружающем газе за время т не возникает, то эффективный коэффициент поглощения А^ может достигать высоких значений. Из этого следует, что эффективность передачи энергии ЛИ обрабатываемому материалу характеризует коэффициент полезного действия процесса лазерной обработки. Его можно представить следующим выражением:

а 6ЛАЗ + йш 4 = й 8 ’ (1) где блАЗ - энергия ЛИ, поглощенная на стенках канала; й, - часть энергии факела, поглощаемая стенками канала в результате лучистого и конвективного теплообмена; - плотность мощности ЛИ.

Глубина определяется суммарным действием серии импульсов, а диаметр - параметрами отдельного импульса. Если длительность импульса составляет менее 1,5 мс, то толщина испаряемого материала из зоны мала и отсутствует напряженность приповерхностных слоёв.

Уравнение энергетического баланса при воздействии ЛИ на металл. Процесс воздействия ЛИ на металлы можно описать энергетическим уравнением [5]:

ш + ш + ш = ш + ш + ш + ш (2)

уу ЛИ ' уу наддува ' уу свет.давл. уу плавл. ' уу мех.кол. ' уу отраж. ' уу кин. > \^)

где шЛИ - энергия подводимого ЛИ в зону обработки; шнаддува - давление защитного газа; шсветдавл- механическая энергия воздействия ЛИ на поверхность металла; шплавл- энергия, затрачиваемая на плавление металла и его испарение; шмех.кол- энергия механических колебаний ЛИ; шотраж- отраженная энергия из зоны взаимодействия ЛИ с металлом; шкин. - энергия, затрачиваемая на вылет частиц расплавленного металла.

Подводимые энергии: шЛИ - энергия подводимого ЛИ в зону обработки;

то2 /

шнаддува - У2 - энергия давления защитного газа.

Расходуемые энергии: шплавл - су(Т) — + &уш , где ш = -ХТ (Т- тепло-

5/

вой поток; ХТ - коэффициент теплопроводности; шотраж. - отраженная энергия (составляет около 30% от мощности ЛИ, так как температура металла превышает температуру плавления и коэффициент поглощения составляет 0,7); шмех.кол. = Иуфот -энергия, затрачиваемая на возбуждение механических колебаний в металле (составляет 5-6% от мощности ЛИ); шкин = т°у2 - энергия, затрачиваемая на вылет частиц

расплавленного металла.

В процессе исследования проводилась съемка процесса лазерной ПО с помощью скоростной видеокамеры, что позволило определить динамику развития плазмы в зоне обработки, а также произвести подсчет необходимого количества импульсов для ПО. Наибольшая глубина получаемого отверстия достигается при фокусе ЛИ в глубине металла (таблица), наименьший диаметр обеспечивается при положении фокуса на поверхности (рис. 1).

Зависимость диаметра отверстия от положения фокусного пятна (напряжение 450 В, время импульса 2 мс, толщина 3 мм)

Положение фокусного пятна по глубине, мм Количество импульсов Диаметр отверстия

0 3 0,75 0,6 1,75

1,2 5 1,25 0,7 0,4

2,6 10 1,5 1,1 0,75

3,96 >20 1,05 1,42 1,55

(І, мм

4 6 8 Ел,Дж

Рис. 1. Зависимость диаметра отверстия от вкладываемой энергии:

1 - фокус ЛИ на поверхности металла; 2 - фокус ЛИ в глубине металла

При этом глубина определяется суммарной энергией импульсов, а диаметр в основном зависит от положения фокусного пятна относительно поверхности изделия.

Для оценки глубины проплавления И можно использовать следующую формулу [1]:

и=—^- іп , (3)

2%Х Т гл

где - коэффициент теплопроводности материала; Тк - температура кипения; а - коэффициент температуропроводности материала; Р - мощность излучения; гл - радиус пятна. Математическая модель температурного поля в зоне взаимодействия. В общем виде уравнение теплопроводности описывается следующим выражением [2]:

= дт + <2.

ді

(4)

где й - удельное количество теплоты, выделяемое тепловым источником; ДТ - изменение температуры.

С учетом начальных и краевых условий, а также нелинейного изменения теплофизических свойств материала преобразуем выражение (4) в систему уравнений, в состав которой входит дифференциальное уравнение теплопроводности:

с(Т )у(Т )—

ді дх

V (т ) дт

дх.

д_

ду

хт (т) дТ

ду _

д_

дг

%т (т) дТ

дг.

= 0,

(5)

где с(Т) - зависимость теплоемкости от температуры; ТТ) - зависимость теплопроводности от температуры.

Выражения, описывающие тепловой обмен на границах тела с окружающей средой, выглядят следующим образом:

Г аг (Т)(Т - Го), х = 1х,у = 1у ,2 = 1г, дт =]-аг (Г )(Г - То),- 2 = 0,( х, у) г g}, х = -1х, у = -1у, (6)

I 0, у = 0

где аТ(Т) - зависимость коэффициента полной поверхностной теплоотдачи от температуры; Т0 - температура окружающей среды; Т - температура поверхности; дТ - удельный тепловой поток вблизи границы тела.

Математическая модель температурного поля с учетом допущений позволяет без ущерба для точности получаемых результатов заменить трехмерную задачу плоской.

Расчеты, проведенные по математической модели, позволили выявить диапазон изменения технологических параметров лазерного технологического комплекса (ЛТК), таких как энергия, диаметр пятна ЛИ, распределение интенсивности излучения в зоне нагрева для заданных технических характеристик ЛТК (рис. 2) [4]. Здесь представлены термические циклы элементарных объемов материала на различной

_ . глубине от поверхности.

Рис. 2. Характер изменения температуры металла ,-г „

я Проведенный анализ возможных

по глубине фокуса лазерного излучения „ ^

от длительности импульса путей зторавлетия параметрами терми-

■ '\ <v,

Лл\\\ ■ i

1*-

-‘'Ч.

У

#*

Рис. 3. Фото поверхности стали 45 после воздействия импульсного лазерного излучения:

1 - отверстие диаметром 0,5 мм в пластине толщиной 2 мм; энергия ЛИ - 12 Дж; напряжение 400 В; длительность импульса 3 мс;

2 - кольца уплотнения

ческих циклов показал, что наиболее эффективным способом является изменение распределения плотности энергии и длительности импульса ЛИ в пятне нагрева.

При воздействии импульсного ЛИ на металл в зоне взаимодействия возникают упругие механические колебания с частотой 30-600 кГц [1]. Данные колебания подтверждаются наличием колец уплотнения на поверхности металла (рис. 3). На рис. 4 показан разрез стали 45 с отверстием.

Экспериментальные исследования показывают наличие зависимости диаметра отверстия от положения фокуса ЛИ и его энергии. Для оптимизации параметров ЛТК с целью минимизации энергетических затрат и повышения качества технологического процесса (ТП) необходимо регулировать энергетические параметры ЛТК, от которых зависят амплитуда и спектральный состав модуляционной функции ультразвуковых колебаний (УЗК).

Таким образом, модуляция представляет собой процесс преобразования информационного сигнала на известную несущую частоту, которая отвечает за показатели качества ТП. Позиционирование ЛИ относительно заданных размеров получаемых отверстий позволяет повысить характеристики точности выполняемой технологической операции, причем не только за счет программного управления положением фокуса ЛИ, но и за счет оптико-электронного метода измерения относительно начала координат [5].

Спектр сигнала УЗК находится в области низких частот, но для повышения точности измерения параметров модуляционной функции, которая определяет показатели качества ТП, применяем несущую частоту УЗК.

Модуляция является нелинейным процессом. В качестве несущей частоты УЗК используется гармоническое колебание

U(t) = Um cos(oo +фо). (7)

Модуляционный сигнал является гармоническим s(t) колебанием

s(t) = US cos(Qt + Ф0). (8)

Для исключения влияния помех на производстве, изменения зависимостей между амплитудой УЗК и показателями качества ТП применяем модуляцию низкочастотных колебаний за счет включения высокочастотных УЗК.

Выводы. Анализ полученных зависимостей позволяет выделить основные параметры управления лазерным излучением, эффективно влияющие на качество технологического процесса прошивки отверстий. Это позволяет проводить прецизионную обработку металлов.

Рис. 4. Фото разреза отверстия в стали 45 после воздействия импульсного лазерного излучения (увеличение 50)

Литература

1. Григорьянц А.Г., Шиганов И.Н., Мисюров А.И. Технологические процессы лазерной обработки: учеб. пособие для вузов / под ред. А.Г. Григорьянца. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006. 664 с.

2. Исследование процесса влияния изменения мощности при газолазерной резке металлов / В А. Песошин, В.В. Звездин, С.М. Портнов и др. // Вестник КГТУ им. Туполева. 2010. № 2. С. 43-46.

3. Лосев В. Ф., Морозова Е.Ю., Ципилев В.П. Физические основы лазерной обработки материалов: учеб. пособие. Томск: Изд-во Томск. политехн. ун-та, 2011. 199 с.

4. Модель формирования микроструктур в металлах при лазерной обработке / В.В. Звездин, А.В. Хамадеев, Р.Б. Каримов и др. // Проектирование и исследование технических систем: межвуз. науч. сб. Набережные Челны: Изд-во ИНЭКА, 2008. Вып. 11. С. 150-154.

5. Позиционирование лазерного излучения относительно сварного шва как показатель качества технологического процесса / В.В. Звездин, А.В. Хамадеев, Р.Г. Загиров и др. // Вестник КГТУ им. Туполева, 2008. № 3. С. 17-21.

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

ЗИАЧСАКАЖУ ГЬОАК КАКОУШН - 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 высокоэнергетической и пищевой инженерия, Набережночелнинский институт (филиал) Казанского (Приволжского) федерального университета, Россия, Набережные Челны (gotoindvdum@gmail.com).

VELIEV DАVШ EHLM^NOVICH - 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. 266.

ЗВЕЗДИН ВАЛЕРИЙ ВАСИЛЬЕВИЧ - доктор технических наук, доцент кафедры высокоэнергетической и пищевой инженерии, Набережночелнинский институт (филиал) Казанского (Приволжского) федерального университета, Россия, Набережные Челны.

ZVEZDIN VАLERIY VАsILYEVICH - 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.