Способ измерения колебаний температуры в канале проплавления при воздействии мощного лазерного излучения на материалы

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и касается способа измерения амплитуды колебаний температуры в канале проплавления, образующемся при воздействии лазерного излучения на обрабатываемый материал. Способ включает в себя измерение временной зависимости теплового излучения, регистрируемого с тыльной по отношению к воздействующему лазерному излучению стороны обрабатываемого материала. Технический результат заключается в упрощении процесса измерений и расширении функциональных возможностей за счет обеспечения возможности измерения колебаний температуры в глубоких каналах проплавления. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

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.

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:Nd3+(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.

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, vz - скорость пробивки) находился в расплавленном состоянии. В этом случае максимальное значение теплового сигнала будет соответствовать температуре плавления материала пластины Тпл. Измеряя на графике максимальное значение теплового сигнала соответствующую моменту пробивки Iпл. 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: -

ΔI≈3.5 отн.ед., Iпл.≈150 отн.ед., Тпл.(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

1. Способ измерения амплитуды колебаний температуры в канале проплавления, образующемся при воздействии лазерного излучения на обрабатываемые материалы, заключающийся в том, что измерения проводят по временной зависимости теплового излучения, регистрируемого с тыльной стороны обрабатываемого материала.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что амплитуду колебаний температуры определяют в результате сравнения амплитуды колебаний теплового сигнала с максимальным тепловым сигналом, соответствующим температуре плавления материала.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области температурных измерений и может быть использовано для калибровки многоканальных пирометров. .
Изобретение относится к оптико-электронному приборостроению, в частности к ИК термографии (или тепловидению). .

Изобретение относится к устройствам обнаружения электромагнитного, в частности, инфракрасного излучения. .

Изобретение относится к методам и средствам для определения температуры нагретых тел и расплавленных металлов. .

Изобретение относится к черной металлургии и может быть использовано в сталеплавильном производстве. .

Изобретение относится к измерительной технике. .

Изобретение относится к измерительной технике. .

Изобретение относится к автоматике, в частности к устройствам стабилизации температуры фотодиодных приемников лучистой энергии оптико-электронных приборов, и может быть использовано в фотометрических устройствах.

Изобретение относится к измерительной технике. .

Изобретение относится к области измерения температуры, а именно к оптической пирометрии, и может использоваться для бесконтактного измерения температуры объектов в диапазоне, близком к температуре окружающей среды.

Изобретение относится к лазерному технологическому комплексу для обработки крупногабаритных объектов. .

Изобретение относится к способу и системе нанесения знако-графической информации на изделия и может быть использовано для лазерной маркировки, гравировки в различных отраслях техники.

Изобретение относится к способу формирования линий ослабления в частях элементов автомобильной облицовки, накрывающей устройства с пневмоподушками безопасности, для создания одного или более откидываемых лепестков окна для развертывания пневмоподушки, когда пневмоподушка накачивается.

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к технологии обработки материалов лазерным излучением. Лазерную обработку материалов выполняют с подсветкой рабочей зоны обрабатываемого материала, частота которой отлична от частоты лазерного излучения. Пропускают отраженные от обрабатываемого материала лучи лазерного излучения и подсветку через фокусирующую линзу. Разделяют лучи лазерного излучения и подсветки посредством поворотного диахронического зеркала. Фокусируют лучи подсветки в телевизионной камере. Используют ахроматическую фокусирующую линзу, а частоту подсветки выбирают в зеленой части видимого спектра. В результате повышается качество обработки за счет получения возможности дистанционного наблюдения за качеством процесса обработки при применении сканирующих устройств. 1 ил.

Изобретение относится к способу и устройству контроля проводимого на обрабатываемой детали процесса лазерной обработки. Способ содержит следующие этапы: регистрация по меньшей мере двух текущих измеренных значений посредством по меньшей мере одного сенсора, который контролирует процесс лазерной обработки, и определение по меньшей мере двух текущих показателей из по меньшей мере двух текущих измеренных значений. По меньшей мере два текущих показателя совместно представляют текущий характерный признак в пространстве показателей. Осуществляют предоставление предопределенного множества точек в пространстве показателей и классификацию процесса лазерной обработки посредством определения положения текущего характерного признака относительно предопределенного множества точек в пространстве показателей. 3 н. и 12 з.п. ф-лы, 19 ил.

Изобретение относится к способу и устройству контроля проводимого на обрабатываемой детали процесса лазерной обработки. Способ содержит следующие этапы: регистрация по меньшей мере двух текущих измеренных значений посредством по меньшей мере одного сенсора для контроля процесса лазерной обработки, определение текущих показателей из текущих измеренных значений. Два текущих показателя совместно представляют текущий характерный признак в пространстве показателей. Выполняют предоставление предопределенного множества точек в пространстве показателей и классификацию процесса лазерной обработки посредством определения положения текущего характерного признака относительно предопределенного множества точек в пространстве показателей. По меньшей мере один сенсор содержит по меньшей мере один блок камеры, который выполняет съемку изображений камеры с различными временами выдержки и их совместно пересчитывает посредством метода высокого динамического диапазона (HDR), чтобы предоставить в качестве изображений текущих измеренных значений с высоким коэффициентом контрастности. 3 н. и 15 з.п. ф-лы, 19 ил.

Изобретение относится к лазерной обрабатывающей головке для лазерной обрабатывающей установки (варианты) и лазерной обрабатывающей установке. Лазерная головка содержит держатель (2) для узла (3) датчика, сформированный из электропроводящего материала, внешний изоляционный узел (4), изготовленный из электроизоляционного материала, такого как пластик, для электрического экранирования и внутренний изоляционный узел (5), вставленный во внешний изоляционный узел (4) в качестве экрана для излучения. Внутренний изоляционный узел (5) сформирован из металла и электрически изолирован от узла (3) датчика. В результате повышается срок службы лазерной головки, поскольку исключается повреждение узлов лазерной головки от излучения в процессе ее работы. 5 н. и 30 з.п. ф-лы, 3 ил.

Группа изобретений относится к способу и устройству для лазерной резки. Согласно настоящему изобретению процессом лазерной резки управляют, используя в качестве опорного сигнала одну или несколько линий спектра испускания, характерных для излучения, испускаемого вспомогательным газом или газообразной примесью, находящейся в объеме материала, облучаемого сфокусированным лазерным лучом, сфокусированным лазерной головкой (12), при этом на основании определенного сигнала проводится корректировка по меньшей мере одного из следующих контролируемых параметров: мощность лазерного излучения, частота и коэффициент заполнения лазерных импульсов, давление вспомогательного газа, испускаемого соплом (16), являющимся частью лазерной головки (12), скорость перемещения лазерной головки (12) относительно заготовки (P), расстояние между лазерной головкой (12) и поверхностью (S) заготовки (P), и расстояние между фокусом (F) лазерного луча и поверхностью (S) заготовки (P). Техническим результатом является улучшение качества лазерной резки. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 12 ил.

Изобретение относится к способу сканирования трубы, предназначенной для обработки на станке для лазерной резки. Способ включает этапы, на которых: а) излучают посредством режущей головки (50) станка для лазерной резки сфокусированный лазерный луч таким образом, чтобы не происходила резка или вытравливание материала трубы (Т); b) передвигают режущую головку (50) вдоль заданного направления (х) сканирования; и с) во время перемещения режущей головки (50) вдоль направления (х) сканирования детектируют посредством соответствующих датчиков (56) излучения, отраженное или излучаемое трубой (Т), и устанавливают последовательно точка за точкой, на основе сигнала, предоставляемого датчиками (56), присутствие или отсутствие материала трубы (Т). Изобретение позволяет измерять положение точки реза на поверхности трубы независимо от положения трубы на станке для лазерной резки и от формы трубы. 5 з.п. ф-лы, 8 ил.

Изобретение относится к области лазерного резания с нагнетанием потока продувочного газа в зону резания для удаления шлаков и газов, образующихся в процессе резания. Нагнетание продувочного газа в зону резания осуществляют с помощью импульсов газа, при этом непрерывно измеряют интенсивность отраженного из зоны резания излучения лазера и осуществляют регулирование расхода продувочного газа путем изменения частоты, давления, либо одновременно частоты и давления импульсов газа в зависимости от измеренной интенсивности, которую поддерживают на заданном минимуме. Использование изобретения позволяет повысить качество процесса резания. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 8 ил.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и касается способа измерения амплитуды колебаний температуры в канале проплавления, образующемся при воздействии лазерного излучения на обрабатываемый материал. Способ включает в себя измерение временной зависимости теплового излучения, регистрируемого с тыльной по отношению к воздействующему лазерному излучению стороны обрабатываемого материала. Технический результат заключается в упрощении процесса измерений и расширении функциональных возможностей за счет обеспечения возможности измерения колебаний температуры в глубоких каналах проплавления. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Наверх