автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.10, диссертация на тему:Теоретические основы гибридной лазерно-дуговой обработки материалов

005013448

/.

^ Г

Земляков Евгений Вячеславович

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ГИБРИДНОЙ ЛАЗЕРНО-ДУГОВОЙ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ

Специальность 05.02.10 - Сварка, родственные процессы и технологии

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 5 УД?

Санкт-Петербург - 2012

005013448

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет».

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Туричин Глеб Андреевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, Шиганов Игорь Николаевич

кандидат технических наук, старший научный сотрудник Вихман Валерий Борисович

профессор

Ведущая организация: ОАО «Центр технологии судостроения и

судоремонта» (ОАО «ЦТСС»), Санкт-Петербург

Защита состоится «04» апреля 2012 г. в 16:00 ч. на заседании диссертационного совета Д 212.229.26 в ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет» по адресу: 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., д. 29,1 уч. корп.. ауд. 41.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет».

Автореферат разослан «02» марта 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета, / / , ? , „

/-■г.', . * $ Л>--"7

■/'г I I лл* '

доктор технических наук, профессор ' / Тисенко В.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время сварочные технологии являются основными технологиями получения неразъемных соединений в промышленности. Использование материалов нового поколения (высокопрочных сталей и легких сплавов) при изготовлении ответственных сварных конструкций требует разработки современных сварочных технологий, не только гарантирующих получение необходимых эксплуатационных характеристик сварного соединения, но и обеспечивающих высокую производительность технологического процесса. Технологические решения, основанные на применении традиционных способов сварки, не позволяют в полной мере решить эти задачи. Наиболее перспективным путем их решения является развитие гибридных лазерно-дуговых технологий. Идея совместного использования лазерного луча и электрической дуги для обработки материалов принадлежит английскому ученому Стину В.М., предложившему гибридные способы сварки, резки, сверления и обработки поверхности в 80-х годах ХХ-го века. Теоретические и экспериментальные исследования гибридных лазерно-дуговых процессов проводятся в ведущих мировых научных центрах. В области исследования физических основ и математического моделирования лучевых технологий отечественные ученые традиционно занимают одно из ведущих мест в мире. В настоящее время исследования и разработки в данной области в России ведутся в СПбГПУ, МГТУ им. Н.Э. Баумана, ИПЛИТ РАН. При построении физической картины и математических моделей процессов гибридной лазерно-дуговой обработки могут быть использованы существующие модели родственных лазерных технологических процессов, особый вклад в развитие которых внесла научная школа СПбГПУ. Здесь необходимо отметить работы В.В. Башенко и В.А. Лопоты в области экспериментальных исследований электронно-лучевой и лазерной сварки, а также теоретические исследования процессов электроннолучевой, лазерной и гибридной лазерно-дуговой обработки, проводимые Г.А. Туричиным.

Отличительной чертой гибридного лазерно-дугового процесса являются особенности формирования теплового источника на поверхности обрабатываемого изделия при совместном воздействии лазерного излучения и электрической дуги. При лазерно-дуговой обработке значительное влияние на ход технологического процесса оказывает плазменный факел, который является

областью взаимного влияния лазерного и дугового источников нагрева, наличием которой объясняется повышение эффективности нагрева металла при совместном действии лазерного луча и электрической дуги. Этот факт диктует необходимость проведения теоретических и экспериментальных исследований физических процессов, протекающих в эрозионном пароплазменном факеле при мощном лазерном или лазерно-дуговом воздействии на металлические материалы, что и определяет актуальность данной работы.

Целью работы является разработка физико-технологических основ использования плазмы гибридного разряда при лазерно-дуговой обработке на базе результатов комплексных теоретических и экспериментальных исследований физических процессов, протекающих при лазерно-дуговом воздействии на металлические материалы.

Задачи работы.

Для достижения поставленной цели был решен ряд основных задач:

• разработано математическое описание процесса формирования химического состава плазмы в дуговом промежутке при лазерно-дуговой сварке с глубоким проплавлением, основанное на решении газодинамической задачи о смешении металлических паров с защитным газом;

• для определения макроскопических свойств плазмы в условиях гибридной лазерно-дуговой сварки построена кинетическая модель развития гибридного (оптико-дугового) разряда;

• разработана кинетическая модель процесса конденсации в плазменном факеле при гибридной лазерно-дуговой обработке металлических материалов;

• разработана самосогласованная математическая модель лазерно-дугового источника нагрева;

• проведена экспериментальная проверка теоретических положений и результатов моделирования.

Объектом исследования в данной работе являлась плазма гибридного разряда, образующаяся в процессе лазерно-дуговой сварки над поверхностью изделия при совместном воздействии лазерного излучения и электрической дуги, а

также параметры теплового источника, формирующегося при лазерно-дуговой обработке.

Методы исследования. В работе использовались методы теоретической и математической физики, вычислительной газодинамики, компьютерное и математическое моделирование. Для проверки разработанных теоретических положений использовались современные экспериментальные методы, такие как интерферометрия, спектроскопия, высокоскоростная видеосъемка. При разработке системы мультисенсорного мониторинга технологических процессов лазерной и лазерно-дуговой сварки также использовались методы цифровой обработки сигналов - быстрое преобразование Фурье и Вейвлет-преобразование.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

1. В приближении аксиально-симметричного пограничного слоя решена задача о вытекании струи горячего металлического пара из парогазового канала в атмосферу холодного защитного газа в условиях гибридной лазерно-дуговой сварки с учетом сжимаемости газовой смеси.

2. Разработана математическая модель плазменной кинетики, позволяющая определить макроскопические свойства пароплазменного факела (степень ионизации, электропроводность, коэффициент поглощения плазмой лазерного излучения), образующегося при лазерно-дуговой сварке.

3. На основе совместного решения задачи о диффузии металлических паров к поверхности растущих кластеров конденсированной фазы и кинетики роста самого кластера построена математическая модель, позволяющая количественно оценить влияние процесса конденсации на структуру и свойства плазменного факела при лазерно-дуговой сварке.

4. Разработанная самосогласованная модель кинетики гибридного разряда и газовой динамики пароплазменного факела при лазерно-дуговой сварке с глубоким проплавлением дает возможность определить основные характеристики пароплазменного факела и его влияния на распределение теплового источника на поверхности изделия.

Практическая ценность. Полученные результаты были использованы в качестве физико-технологических основ при разработке гибридных лазерно-дуговых технологий обработки материалов, а также при создании

технологических комплексов для их реализации. Также полученные результаты внедрены в образовательный процесс.

Достоверность полученных результатов обеспечена используемыми теоретическими методами исследований, а также современными экспериментальным оборудованием и методиками проведения экспериментов. Результаты теоретических исследований процесса формирования пароплазменного факела при гибридном лазерно-дуговой сварке хорошо согласуются с экспериментальными данными.

Достоверность также подтверждается практическим использованием полученных результатов при создании технологических комплексов для лазерно-микроплазменной сварки и наплавки, лазерно-дуговой сварки легких конструкций и металлов больших толщин, при разработке технологий гибридной лазерно-дуговой сварки легких сплавов и сталей больших толщин, а также при отработке алгоритмов мониторинга лазерных и лазерно-дуговых сварочных процессов и создании экспериментального образца системы мультисенсорного мониторинга.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Модель формирования химического состава пароплазменного факела при гибридной лазерно-дуговой сварке с глубоким проплавлением за счет смешения металлических паров с защитным газом.

2. Кинетическая модель комбинированного лазерно-дугового разряда в смеси паров металла и защитного газа в условиях гибридной лазерно-дуговой сварки.

3. Самосогласованная математическая модель теплового источника, формирующегося при гибридной лазерно-дуговой обработке материалов.

4. Результаты экспериментальных исследований пароплазменного факела при лазерной и лазерно-дуговой обработке.

5. Примеры практического использования полученных результатов при разработке лазерно-дуговых сварочных и родственных технологий и оборудования для их реализации.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы были представлены на следующих конференциях:

• 18-я конференция по математическому моделированию лазерной обработки материалов (Инсбрук, Австрия, 2005)

• 2-я, 3-я и 4-я международные конференции «Лазерные технологии в сварке и обработке материалов» (Кацивели, Украина, 2005, 2007, 2009)

• 3-я и 4-я международные конференции «Лазеры в промышленности» (Мюнхен, Германия, 2005,2007)

• 3-я международная конференция «Информационные технологии в сварке и родственных процессах» (Киев, Украина, 2006)

• 5-я н 6-я международные конференции «Лучевые технологии и применение лазеров» (Санкт-Петербург, 2006, 2009).

• 4-й международный симпозиум «Высокомощные волоконные лазеры и их применение» (Санкт-Петербург, 2008)

Публикации. По теме диссертации опубликовано более 20 печатных работ, в том числе 4 публикации в журналах, входящих в перечень ВАК.

Личный вклад автора. При выполнении работ по теме диссертации автором выполнен обзор современного состояния исследований в области обработки материалов с помощью гибридных источников энергии, проанализированы основные проблемы в данной области, сформулированы цель и основные задачи работы, выбраны обоснованные пути их решения. Автором разработана самосогласованная модель кинетики гибридного разряда и газовой динамики пароплазменного факела при лазерно-дуговой обработке металлических материалов. Для проверки результатов теоретических исследований автором были проанализированы существующие методы диагностики низкотемпературной плазмы и разработаны схемы экспериментальных стендов. Автор принимал непосредственное участие в проведении экспериментов и обработке экспериментальных данных, а также в разработке системы мониторинга лазерных и лазерно-дуговых сварочных процессов. Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения и включает в себя 217 страниц текста, 78 иллюстраций и список литературы из 147 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранной темы, сформулирована научная новизна полученных результатов и описано их практическое использование.

В первой главе выполнен обзор современного состояния исследований в области обработки материалов с помощью гибридных источников энергии. Рассмотрена история развития гибридных лазерно-дуговых технологий и проанализированы области их возможного применения. Особое внимание было уделено анализу результатов теоретических и экспериментальных исследований процессов формирования плазменного факела при лазерно-дуговой сварке, что позволило выделить основные физические процессы, определяющие структуру и свойства пароплазменного факела: смешение металлических паров с окружающим (защитным) газом; объемная конденсация металлических паров; развитие гибридного разряда. Также в первой главе были сформулированы цель и основные задачи работы, определены методы их решения.

Вторая глава посвящена описанию газодинамики пароплазменного факела при лазерно-дуговой сварке. Пароплазменный факел рассматривался как дозвуковая затопленная струя. Для упрощения постановки задачи о смешении струи металлических паров с защитным газом было использовано приближение пограничного слоя для системы связанных уравнений непрерывности потоков импульса, энтальпии и вещества (диффузии) в цилиндрических координатах (г,г) для осесимметричного случая:

где V, ,УГ - продольная и радиальная компоненты скорости течения смеси, С -концентрация металлических паров в смеси, В - коэффициент диффузии, /г, Т -энтальпия и температура смеси, р - давление, р - плотность смеси, // -коэффициент динамической вязкости, ?.т - коэффициент теплопроводности. Вместе с уравнением состояния уравнения (1)-(3) полностью описывают задачу о вытекании струи металлического пара из парогазового канала в защитный газ. Для упрощения системы и сведения ее к виду уравнений для несжимаемой жидкости было использовано преобразование Ховарта-Дородницына. Неизвестные функции (скорость течения, энтальпия и концентрация смеси)

(3)

были представлены в виде разложений по степеням продольной координаты, умноженным на функции автомодельной переменной. Такая подстановка позволила получить цепочку зацепляющихся дифференциальных уравнений для функций автомодельной переменной. Последовательное решение этих уравнений и обратное преобразование Ховарта-Дородницына позволили получить искомые распределения температуры, скорости и концентрации смеси.

Для проверки аналитического решения система уравнений (1)-(3) (без использования преобразования Ховарта-Дородницына) была решена численно с помощью метода конечных разностей. Сравнение решений показало практически полное совпадение повсюду за исключением небольшого начального участка струи. Для исключения этого участка из области решения начало продольной оси было сдвинуто вглубь парогазового канала, из которого и вытекает струя. Примеры расчетов по разработанной модели представлены на рисунке 1.

В отличие от «классической» затопленной струи полученное решение позволяет учесть влияние сжимаемости, диффузии и теплопроводности, газовой смеси на параметры плазменного факела.

а) б)

Рисунок 1 - - Радиальное распределение температуры струи (а) и концентрации железа (б) на различных расстояниях от поверхности; сплошная кривая - 1 мм, штриховая 3 мм; штрих-

пунктир - 10 мм

В третьей главе рассмотрено влияние на газовую динамику пароплазменного факела объемного нагрева за счет поглощения лазерного излучения и тепловыделения в электрической дуге. Для определения плотности источника тепла в пароплазменном факеле при лазерно-дуговой обработке была решена кинетическая задача о развитии комбинированного лазерно-дугового разряда в

газовой смеси с учетом ее реального химического состава. Для построения модели плазмы гибридного разряда без предположения о наличии локального термического равновесия решалось кинетическое уравнение для энергетического спектра электронов. Для учета реального химического состава плазмы в кинетическое уравнение были введены отдельные вероятности столкновения электронов с атомами и ионами различного типа, пропорциональные концентрациям соответствующих частиц. Концентрации компонентов рассчитывались с помощью описанной в предыдущей главе модели смешения металлических паров и защитного газа. Кинетическое уравнение решалось с помощью приближенной аналитической процедуры. При этом учитывалась как «столкновительная», так и «излучательная» рекомбинация. В результате было получено выражение для энергетического спектра электронов п(е) в области совместного действия лазерного излучения и электрической дуги:

2 3 3

Ф) = -!=-{е)^"2-ехр -_£_ (4), Где (е) = -кьТ + л/л- (е)) 2

2 -т.

А=-

3- т„

п(«),эВ'

2-Е.

2Х

+ ЕГ

Ев~30 В/см 1 - 500 кВт/кв.см 1=1000 кВт/кв.см

где Т- температура тяжелых частиц, е, те -

масса и заряд электрона, ¡Ц - масса у-й

тяжелой частицы, уу - частота столкновения

электронов с тяжелыми частицами /-го

сорта, со - частота лазерного излучения, Е/ и

Еа - напряженность поля лазерного

излучения и электрической дуги

соответственно. Средняя энергия

1-1500кВт/кв.см электронов <е> складывается из средней

энергии тяжелых частиц и дополнительной

энергии, связанной с нагревом электронов

лазерным полем и полем дуги при обратно-

тормозном поглощении. Полученное

распределение (4) можно интерпретировать

как распределение Максвелла, с

п „ „ „ температурой, определяемой силовыми

Рисунок 2 - Энергетическии г

спектр электронов характеристиками электрического поля,

создаваемого лазерным излучением и электрической дугой.

На рисунке 2 представлены энергетические спектры электронов для различных значений интенсивности лазерного излучения при напряженности электрической дуги 30 В/см.

Для определения плотности свободных электронов была решена система алгебраических уравнений ионизационного равновесия для обеих компонент смеси с учетом полученного энергетического спектра электронов. Полагая, что ионизованы в основном атомы железа, было получено выражение для плотности свободных электронов в плазме, позволяющее определить степень ионизации плазмы, ее электропроводность и коэффициент поглощения лазерного излучения, а также плотность источников нагрева в плазме q:

где А/,,., МПе - атомная масса железа и гелия, аре - коэффициент рекомбинации, Jfl; - потенциал ионизации атома железа, - плотность частиц окружающего газа (гелия), - частота столкновения электронов с частицами окружающего газа.

Решение газодинамической задачи с учетом тепловыделения строилось на основе полученного во второй главе описания пароплазменного факела. В уравнение энтальпии был добавлен член-источник (5), отвечающий за тепловыделение электрической дуги и поглощение лазерного излучения в плазменном факеле.

Расчеты показали, что объемный нагрев плазменного факела за счет поглощения лазерного излучения и проходящего тока электрической дуги приводит к увеличению толщины струи (рисунок 3). Кроме того, влияние объемного тепловыделения в плазме вместе с конкуренцией конвективного теплопереноса со струей и кондуктивного теплопереноса в радиальном направлении приводит к сдвигу температурного максимума от поверхности мишени даже в случае поверхностной фокусировки (см. рисунок 4). При этом оказывается, что в условиях, характерных для лазерно-дуговой сварки, разница температур легкой и тяжелой компонент плазмы, характеризующая ее неравновесность, также изменяется вдоль оси факела.

4т(2р у.гг { "I>

\

с 1--,

а) б)

Рисунок 3 - Поле концентрации паров металла в плазменном факеле; (а) - без учета поглощения в плазме, (б) - с учетом поглощения.

Г, К

6000 „

, Температура электронов

4000

2000

Температура газовой снеси /\ суч&пам поглощения

ТсМпхратура газовой смеси "*"'**'■ без учета-поглощения

0.01

0.02

Л:, СМ

Рисунок 4 - Распределение температуры вдоль оси факела Разработанная самосогласованная модель пароплазменного факела позволяет определить пространственное распределение проводимости в дуговом промежутке при лазерно-дуговой сварке и связанное с ним распределение плотности тока электрической дуги, определяющее, в свою очередь, параметры дугового источника нагрева. Формирование узкого проводящего канала у поверхности изделия в условиях лазерно-дуговой сварки приводит к повышению коэффициента сосредоточенности дугового источника нагрева. Суммирование лазерного и дугового источников нагрева с учетом их взаимного

влияния позволило построить модель теплового источника, формирующегося при гибридной лазерно-дуговой сварке.

Предметом исследования четвертой главы является процесс конденсации в пароплазменном факеле при лазерно-дуговой сварке. Для количественной оценки влияния процесса конденсации на концентрационные поля в пароплазменном факеле было получено совместное решение задач диффузии металлических паров к поверхности растущих кластеров конденсированной фазы и кинетики роста самого кластера:

где а - радиус растущего кластера конденсированной фазы, К ¡(Г), К2(Т) константы скорости прилипания и испарения атомов на поверхности кластера, С - поверхностная концентрация паров железа, О - коэффициент диффузии атомов железа в парогазовой смеси.

Для описания свойств кластера использовалась модель жидкой капли, в которой кластер считается подобным жидкой сферической капле с плотностью макроскопической системы.

Из решения уравнения (6) была найдена поверхностная концентрация металлических паров с учетом влияния ансамбля растущих кластеров:

С = + 0.74—+ +

(8)

где С0 - начальное значение концентрации, М - атомная масса металла, р -плотность жидкого металла, пс/ - плотность кластеров в плазме, г„ - радиус Вигнера-Зейтса.

Вместе с уравнением роста (7) выражение (8) образует систему, решение которой дает значение концентрации железа в пароплазменной фазе и размера кластера конденсированной фазы в любой момент времени Совместное решение задачи о диффузии металлических паров к поверхности растущих кластеров конденсированной фазы и кинетики роста самого кластера позволяют количественно оценить влияние процесса конденсации на концентрационные поля в плазменном факеле. Предложенная модель также может быть использована при исследовании процессов синтеза наноматериалов (нанопорошков) в плазме газового разряда атмосферного давления.

В пятой главе приведены результаты экспериментальной проверки разработанных теоретических положений. Поскольку физическая природа и особенности процессов лазерной и лазерно-дуговой сварки весьма близки, а получение экспериментальных данных при лазерном процессе существенно проще, то сначала исследовался пароплазменный факел, формирующийся при лазерной сварке. При этом использовались современные методы диагностики низкотемпературной плазмы, такие как: плазменная эмиссионная спектроскопия, интерферометрия, высокоскоростная съемка. Исследования динамических процессов развития и релаксации плазменного факела при лазерной сварке с помощью высокоскоростной видеосъемки проводились как при импульсном, так и при непрерывном воздействии. Временная развертка процесса формирования плазменного факела при импульсном лазерном воздействии на металлическую мишень показана на рисунке 6.

Рисунок 6 - Формирование и релаксация плазменного факела пртшпульсном лазерном воздействии. Шаг по времени - 1 мс.

Результаты эксперимента по интерферометрии плазменного факела при импульсной лазерной сварке показаны на рисунке 7. Полученные экспериментальные результаты хорошо согласуются с разработанной теорией формирования пароплазменного факела. Из рисунков 6 и 7 видно, что пароплазменный факел имеет форму параболоида вращения, то есть его радиус растет пропорционально квадратному корню из продольной координаты, что полностью соответствует результатам теоретических исследований. Также рисунок 6 хорошо иллюстрирует наличие в центральной части плазменного факела

Рисунок 7 - Интерферограмма плазменного факела

области с повышенной плотностью, что также было предсказано разработанной теорией.

При высокоскоростной съемке процесса лазерно-дуговой сварки был зафиксирован процесс развития лазерно-дугового разряда (см. рисунок 8).

Рисунок 8 - Развитие лазерно-дугового разряда

Такой вид лазерно-дугового разряда объясняется формированием узкого проводящего канала у поверхности образца за счет интенсивного испарения металла при воздействии мощного лазерного излучения. Изменение химического состава дугового промежутка, связанное с увеличением концентрации металлических паров, приводит к уменьшению эффективного потенциала ионизации парогазовой смеси, что, в свою очередь, создает благоприятные условия горения электрической дуги.

Полученные результаты подтвердили адекватность предложенного аналитического описания процесса формирования пароплазменного факела, как при лазерной, так и при гибридной лазерно-дуговой обработке материалов. Также в заключительной главе приведены примеры практического использования полученных в ходе выполнения данной работы результатов. Особое внимание уделено построению систем мониторинга лазерных и лазерно-дуговых технологических процессов, основанных на регистрации и анализе вторичноэмиссионных сигналов из активной зоны. Апробация разработанной системы показала принципиальную возможность отслеживания в режиме реального времени параметров парогазового канала и сварочной ванны при лазерной и лазерно-дуговой сварке с помощью регистрации косвенных информационных сигналов из активной зоны.

Результаты предварительных технологических экспериментов показали высокие технологические возможности разработанного оборудования, актуального для широкого круга отраслей промышленности.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Разработанная самосогласованная модель кинетики гибридного разряда и газовой динамики плазменного факела при лазерно-дуговой сварке с глубоким проплавлением позволяет определить основные характеристики пароплазменного факела и его влияние на распределение теплового источника на поверхности изделия.

2. Показано, что в условиях, характерных для лазерно-дуговой сварки, влияние объемного тепловыделения в плазме вместе с конкуренцией конвективного теплопереноса со струей и кондуктивного теплопереноса в радиальном направлении приводит к сдвигу температурного максимума в пароплазменном факеле от поверхности мишени даже в случае поверхностной фокусировки.

3. Установлено, что газодинамические особенности процесса смешения металлических паров с защитным газом при лазерно-дуговой сварке приводят к формированию узкого проводящего канала у поверхности изделия, обеспечивающего повышение коэффициента сосредоточенности дугового источника нагрева.

4. Физическая адекватность разработанных теоретических положений подтверждена результатами экспериментальных исследований пароплазменного факела с применением методов спектроскопии, интерферометрии и высокоскоростной видеосъемки.

5. Полученные результаты были использованы при разработке технологий и оборудования для лазерно-дуговой обработки, а также внедрены в образовательный процесс.

Основные публикации по теме диссертации

Публикации в изданиях, входящих в перечень ВАК

1. Е.В. Земляков. Особенности формирования плазменного факела при гибридной лазерно-дуговой сварке / Г.А. Туричин, A.M. Григорьев, Е.А. Валдайцева, Е.В. Земляков, У. Дилтей, А. Гуменюк // Теплофизика высоких температур. - 2006. - т. 44, № 5 - с.655-663.

2. Е.В. Земляков. Численно-аналитическая модель плавления электрода при лазерно-дуговой сварке / Г.А.Туричин, Е.Ю. Поздеева, Е.В. Земляков // Физика и химия обработки материалов. - 2007. - №4 - с.41-45

3. E.B. Земляков. Управление формированием микроструктуры при светолазерной обработке стали / Г.А. Туричин, В.А. Лопота, Е.А. Валдайцева, Е.Ю. Поздеева, Е.В. Земляков, К.В. Савельева // Изв. вузов: Приборостроение. -2008.-Т. 51, №4-с. 43-47.

4. Е.В. Земляков. Моделирование динамического поведения сварочной ванны при лазерной и гибридной сварке с глубоким проплавлением / Г.А. Туричин, Е.А. Валдайцева, Е.Ю. Поздеева, Е.В. Земляков, A.B. Гуменюк // Автоматическая сварка. - 2008. - № 7 - с. 15-19.

Публикации в других изданиях

5. Turichin G.,, Zemlyakov Е., Dilthey U., Goumeniouk A. Boundary layer model of optic- arc discharge above the workpiece during hybrid welding // Proc. of the 3 Int. WLT-conf. on LIM, Munich, 2005.

6. Г.А. Туричин, Е.В. Земляков, A.M. Григорьев, Е.Ю. Поздеева. Влияние объемного тепловыделения и конденсации паров на плазменный факел при лазерных и гибридных технологиях обработки материалов // Лучевые технологии и применение лазеров: материалы 5-й межд. конф. / СПбГПУ. -Санкт-Петербург, 2006. - с. 274-281.

7. Е.В.Земляков. Особенности формирования сварных швов при лазерной и гибридной сварке металлов больших толщин с помощью мощных волоконных лазеров / Г.А.Туричин, И.А.Цибульский, Земляков Е.В., В.В.Харламов // Труды СПбГПУ. - 2009,- № 510 - с. 3-18.

8. Г.А. Туричин, Е.В. Земляков. Кинетика формирования нанокластеров конденсированной фазы в плазменном факеле при гибридном лазерно-дуговом воздействии на металлические материалы // Лучевые технологии и применение лазеров: материалы 6-й межд. конф. / СПбГПУ. - Санкт-Петербург, 2009. -с. 146-148.

9. Е.В. Земляков. О системе мониторинга лазерно-дуговой сварки / Г.А. Туричин, И.А. Цибульский, Е.В. Земляков, В.В. Харламов // Металлообработка-Оборудование и инструмент для профессионалов. - 2009. - №6 - с. 46-48.

Подписано в печать 28.02.2012. Формат 60x84/16. Печать цифровая. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100. Заказ 8890Ь.

Отпечатано с готового оригинал-макета, предоставленного автором, в типографии Издательства Политехнического университета. 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29. Тел.: (812) 550-40-14 Тел./факс: (812) 297-57-76

61 12-5/2010

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ»

Земляков Евгений Вячеславович

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ГИБРИДНОЙ ЛАЗЕРНО-ДУГОВОЙ

ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ

Специальность 05.02Л0 - Сварка, родственные процессы и технологии

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, профессор Г.А. Туричин

Санкт-Петербург - 2012

Содержание

Введение...................................................................................................................5

1. Современное состояние исследований в области обработки

материалов с помощью гибридных источников энергии....................................16

1.1 Развитие и области применения гибридных лазерно-дуговых

сварочных технологий...........................................................................................16

1.2 Теоретическое описание гибридных лазерно-дуговых процессов................29

1.3 Формирование плазменного факела при лазерно-дуговой обработке..........35

1.4 Основы мониторинга лазерных и лазерно-дуговых

технологических процессов...................................................................................45

1.5 Постановка цели и задач работы.....................................................................50

2 Газодинамика плазменного факела при гибридной

лазерно-дуговой сварке.........................................................................................55

2.1 Постановка газодинамической задачи............................................................56

2.2 Определение кинетических свойств газовой смеси.......................................60

2.3 Решение задачи о вытекании струи металлического пара

в газовую атмосферу..............................................................................................66

2.4 Упрощенное решение задачи в переменных Ховарта-Дородницына...........69

2.5 Обратное преобразование Ховарта-Дородницына и переход к цилиндрическим координатам..............................................................................77

2.6 Выводы............................................................................................................85

3 Объемное тепловыделение в плазменном факеле

при гибридной лазерно-дуговой сварке................................................................87

3.1 Кинетика гибридного разряда в плазменном факеле.....................................88

3.2 Энергетический спектр электронов в металлическом паре

при гибридном лазерно-дуговом воздействии.....................................................94

3.3 Баланс электронов. Определение коэффициента поглощения и электропроводности плазмы...............................................................................Ю2

3.4 Кинетика плазмы лазерно-дугового разряда в парогазовой смеси.............107

3.5 Плотность источников тепла в плазменном факеле.....................................117

3.6 Влияние объемного тепловыделения на динамику

плазменного факела.............................................................................................119

3.7 Выводы...........................................................................................................128

4 Конденсация в плазменном факеле при гибридном лазерно-дуговом воздействии на металлические материалы.........................................................130

4.1 Кинетика конденсации в плазменном факеле..............................................133

4.2 Диффузия атомов к поверхности кластера..................................................137

4.3 Выводы...........................................................................................................142

5 Экспериментальная проверка и практическое использование

результатов теоретических исследований..........................................................144

5.1 Спектроскопия плазменного факела.............................................................148

5.2 Высокоскоростная съемка плазменного факела

при лазерном воздействии на металлическую мишень.....................................153

5.3 Интерферометрия плазменного факела........................................................160

5.4 Экспериментальная установка для лазерно-микроплазменной

сварки металлов малых толщин..........................................................................169

5.5 Лазерно-дуговой технологический комплекс для сварки

металлов больших толщин..................................................................................176

5.6 Система мультисенсорного мониторинга лазерных

и лазерно-дуговых технологических процессов................................................183

5.7 Выводы...........................................................................................................

Заключение...........................................................................................................197

Список использованных источников..................................................................202

ПРИЛОЖЕНИЕ А. Акт о внедрении результатов диссертационной работы.. .217

Введение

Развитие современной промышленности основано на повышении эксплуатационных свойств изделий, снижении материалоемкости и веса конструкций, повышении энергетической эффективности, что достигается использованием новых материалов (двух- и трехфазные наноструктурированные стали, легкие сплавы и др.), обеспечивающих уникальные комплексы свойств, внедрением новых конструктивных решений и новых технологий. В особенности это касается таких отраслей промышленности, как автомобилестроение, аэрокосмическая . отрасль, судостроение, транспортное машиностроение, нефтегазовый комплекс, строительство и др.

Современный уровень развития производства требует применения технологий не только гарантирующих необходимое качество продукции, но и обеспечивающих высокую производительность процесса, вызванную необходимостью снижения длительности производственного цикла, себестоимости, и, следовательно, повышения конкурентоспособности. Традиционные технологии обработки материалов (литье, штамповка, резка, сварка, механическая обработка и т.д.) не могут удовлетворить всё возрастающие требования к производительности, точности и качеству процесса обработки и обеспечить сохранение уникальных свойств наноструктурированных материалов в зоне обработки. В связи с этим задача развития эффективных технологий обработки материалов нового поколения является весьма актуальной.

Повышение степени концентрации ввода энергии в материал является одной из важнейших задач при развитии современных сварочных и родственных технологий. Особенно интересны с этой точки зрения, так называемые гибридные технологии (лазерно-дуговые, лазерно-микроплазменные и т.п.), объединяющие лазерное воздействие на материалы с электрофизическим (электрическая дуга, микроплазма). Гибридные источники энергии могут быть использованы как при реализации технологий получения

наноматериалов (лазерный и лазерно-дуговой синтез нанопорошков, получение поверхностных метастабильных неравновесных структур с наноразмерными структурными элементами), так и при обработке современных, в том числе и наноструктурированных, конструкционных материалов (лазерно-дуговая сварка, лазерно-микроплазменное напыление и наплавка, термоупрочнение). Однако основным препятствием для широкого распространения гибридных технологий является их недостаточная изученность и отсутствие ясной физической картины протекающих процессов.

Ключевым вопросом, определяющим параметры теплового источника на поверхности обрабатываемого изделия, является определение свойств плазмы, возникающей в результате совместной ионизации паров металлов под действием электрической дуги и лазерного излучения.

Теоретические основы гибридных лазерно-дуговых технологий обработки материалов могут быть построены на основе результатов теоретических и экспериментальных исследований физических процессов возникновения и развития комбинированного оптического (инициируемого лазерным излучением) и дугового разряда в смесях паров металлов и различных газов. Основным параметром плазмы, определяющим в данном случае, как проводимость дугового промежутка, так и распределение оптического показателя преломления среды, является степень ионизации плазмы. Вопросам кинетики плазмы дугового разряда посвящено множество публикаций как отечественных, так и зарубежных авторов. Теория оптического разряда, основанная на решении кинетического уравнения для легкой компоненты с учетом обратно-тормозного разогрева электронов в поле электромагнитной волны, была построена Ю.П. Райзером в шестидесятых годах прошлого века. До сих пор при исследовании совместного протекания оптического и дугового разрядов принимается предположение о локальной термической равновесности плазмы, а степень ее ионизации определяется по формуле Саха. Такой подход в принципе позволяет учесть взаимное влияние дугового и оптического разрядов (через их совместное влияние на температуру

плазмы и, соответственно, влияние температуры на степень ионизации), но является очень далеким от реальности. В действительности разряд развивается в пространственно-неоднородной смеси паров металла и окружающего газа, и понятие потенциала ионизации для такой смеси не имеет физического смысла (либо нужно вводить «эффективный» потенциал, переменный в пространстве, и пренебрегать разностью подвижности электронов и ионов). Кроме того, хорошо известно, что как плазма оптического разряда, так и плазма дугового разряда сами по себе не являются равновесными. И наконец, поскольку с точки зрения приложений наиболее важен случай развития такого комбинированного разряда вблизи металлических поверхностей, сильно разогретых в результате совместного действия лазерного луча и электрической дуги, дополнительным источником неравновесности будет электронный обмен «горячих» плазменных электронов на «холодные» электроны, испускаемые поверхностью в результате термоэмиссии. Таким образом, для правильного количественного описания процессов совместного протекания оптического и дугового разрядов необходимо строить теоретическое описание не на термодинамическом, а на кинетическом уровне, что позволит рассчитать истинный энергетический спектр электронов плазмы с учетом ее реального химического состава. Именно такой подход и был положен в основу настоящей работы.

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения.

В первой главе выполнен обзор современного состояния исследований в области обработки материалов с помощью гибридных источников энергии. Рассмотрена история развития гибридных лазерно-дуговых технологий и проанализированы области их возможного применения. Особое внимание было уделено анализу результатов теоретических и экспериментальных исследований процессов формирования плазменного факела при лазерно-дуговой обработке , что позволило выделить основные физические процессы, определяющие структуру и свойства плазменного факела: смешение металлических паров с окружающим (защитным) газом; объемная конденсация металлических паров; развитие гибридного разряда. Также в первой главе были

сформулированы цель и основные задачи работы, определены методы их решения.

Вторая глава посвящена описанию газодинамики пароплазменного факела при лазерно-дуговой сварке. Пароплазменный факел рассматривался как дозвуковая затопленная струя. В отличие от «классической» затопленной струи полученное решение позволяет учесть влияние сжимаемости, диффузии и теплопроводности газовой смеси на параметры плазменного факела.

В третьей главе рассмотрено влияние на газовую динамику пароплазменного факела объемного нагрева за счет поглощения лазерного излучения и тепловыделения в электрической дуге. Для определения плотности источника тепла в пароплазменном факеле при лазерно-дуговой обработке была решена кинетическая задача о развитии комбинированного лазерно-дугового разряда в газовой смеси с учетом ее реального химического состава. Для построения модели плазмы гибридного разряда без предположения о наличии локального термического равновесия решалось кинетическое уравнение для энергетического спектра электронов. Для учета реального химического состава плазмы в кинетическое уравнение были введены отдельные вероятности столкновения электронов с атомами и ионами различного типа, пропорциональные концентрациям соответствующих частиц. Решение газодинамической задачи с учетом тепловыделения строилось на основе полученного во второй главе описания факела. В уравнение энтальпии был добавлен член-источник, отвечающий за тепловыделение электрической дуги и поглощение лазерного излучения в плазменном факеле.

Предметом исследования четвертой главы является процесс конденсации в пароплазменном факеле при лазерно-дуговой сварке. Для количественной оценки влияния процесса конденсации на концентрационные поля в плазменном факеле было получено совместное решение задач о диффузии металлических паров к поверхности растущих кластеров конденсированной фазы и кинетики роста самого кластера. Для описания свойств кластера

использовалась модель жидкой капли, в которой кластер считается подобным жидкой сферической капле с плотностью макроскопической системы.

В пятой главе приведены результаты экспериментальной проверки разработанных теоретических положений. Для экспериментальных исследований плазменного факела использовались современные методы диагностики низкотемпературной плазмы, такие как: плазменная эмиссионная спектроскопия, интерферометрия, высокоскоростная съемка. Полученные результаты подтвердили адекватность предложенного аналитического описания процесса формирования плазменного факела при гибридном лазерно-дуговом воздействии на металлические материалы. Также приведены примеры практического использования полученных в ходе выполнения данной работы результатов. Особое внимание уделено построению систем мониторинга лазерных и лазерно-дуговых технологических процессов, основанных на регистрации и анализе вторичноэмиссионных сигналов из активной зоны.

В ходе выполнения работы был получен ряд новых научных результатов, в частности:

1. В приближении аксиально-симметричного пограничного слоя решена задача о вытекании струи горячего металлического пара в атмосферу холодного защитного газа с учетом сжимаемости газовой смеси.

2. Установлено, что учет сжимаемости, диффузии и теплопроводности приводит к тому, что затопленная струя становится пространственно-ограниченной в радиальном направлении, то есть существует такое расстояние от оси струи, на котором температура смеси становится в точности равной температуре окружающего газа. Это расстояние (радиус струи) растет пропорционально квадратному корню из продольной координаты, то есть струя имеет форму параболоида вращения, а не конуса, как в случае несжимаемой жидкости.

3. Разработана математическая модель плазменной кинетики, позволяющая определить макроскопические характеристики плазменного факела при гибридном лазерно-дуговом воздействии, а также плотность источников

нагрева, определяющих объемное тепловыделение в факеле за счет поглощения энергии лазерного излучения и электрической дуги.

4. Разработанная самосогласованная модель кинетики гибридного разряда и газовой динамики плазменного факела при лазерно-дуговой сварке с глубоким проплавлением дает возможность определить основные характеристики плазменного факела и его влияния на распределение теплового источника на поверхности изделия.

5. Показано, что влияние объемного тепловыделения в плазме вместе с конкуренцией конвективного теплопереноса со струей и кондуктивного теплопереноса в радиальном направлении может приводить к сдвигу температурного максимума от поверхности мишени даже в случае поверхностной фокусировки.

6. На основе совместного решения задачи о диффузии металлических паров к поверхности растущих кластеров конденсированной фазы и кинетики роста самого кластера построена математическая модель, позволяющая количественно оценить влияние процесса конденсации на структуру плазменного факела.

7. Экспериментально подтверждено наличие узкого проводящего канала у поверхности мишени, приводящего к контрагированию электрической дуги при лазерно-дуговой обработке.

8. Показано, что формирующийся при лазерной и гибридной лазерно-дуговой обработке плазменный факел является источником вторичноэмиссионных сигналов, содержащих информацию о процессах, протекающих в зоне обработки.

9. Для отработки алгоритмов мониторинга лазерных и лазерно-дуговых сварочных процессов создан экспериментальный образец системы мультисенсорного мониторинга.

Отмеченные новые научные результаты дают возможность

сформулировать положения диссертации, выносимые на защиту:

1. Модель формирования химического состава пароплазменного факела при гибридной лазерно-дуговой сварке с глубоким проплавлением за счет смешения металлических паров с защитным газом.

2. Кинетическая модель комбинированного лазерно-дугового разряда в смеси паров металла и защитного газа в условиях гибридной лазерно-дуговой сварки.

3. Самосогласованная математическая модель теплового источника, формирующегося при гибридной лазерно-дуговой обработке материалов.

4. Результаты экспериментальных исследований пароплазменного факела при лазерной и ла�