Лазерный мир

Д.В. Сергачев, Е.В. Картаев, О.Б. Ковалев, В.И. Кузьмин // Журнал: Известия Тульского государственного университета. Технические науки, Номер: 6-2, Год: 2015, Страницы: 252-262, УДК 621.7.08

АННОТАЦИЯ:

Развитие аддитивных лазерных и плазменных технологий восстановления и производства деталей различных механизмов достигается созданием новых и адаптацией старых методов контроля и диагностики критических параметров, влияющих на качество продукта. Такими параметрами в плазменном напылении и коаксиальной лазерной наплавки являются температура, скорость частиц в полёте до их попадания на подложку. В представленной работе проблема диагностики решается путем комбинирования доступных методов диагностики дисперсной фазы, взвешенной в газовом потоке, спектрометра и лазерной оптической системы.

ОПИСАНИЕ НА АНГЛИЙСКОМ ЯЗЫКЕ:

APPLICATIONS OF LASER-OPTICS DIAGNOSTIC TO RESEARCH ADDITIVE TECHNOLOGY

Sergachev Dmitrii Victorovich, Kartaev Evgenii Vladimirovich, Kovalev Oleg Borisovich

Developing additive laser and plasma technologies of reconditioning of wearing sur- faces of machines and mechanisms lead to the need to create new or adopt old methods of control and diagnostics of critical parameters influencing the product quality. In a plasma spraying and laser coaxial cladding, the in-flight particle temperature and in-flight particle velocity before the get the substrate are these parameters. In this work, the problem of diag- nostics is solved via combining already available methods of solid-phase registration by a spectrometer and laser-optical system. The measuring circuit of the device combines two in- dependent methods of particle speed measurement: the passive one which is based on the in- trinsic emission of heated particle in the gas flow, and the active one which utilized the laser beam scattering effect. Results of measuring ofparticle velocity and particle temperature dur- ing plasma spraying and coaxial laser cladding have been presented.

Аддитивные технологии модифицирования поверхности, такие, как лазерная наплавка, плазменные наплавка и напыление, детонационное напыление развиваются независимо друг от друга. Однако ввиду сходства задач применение различных методик визуализации для исследования особенностей сопутствующих процессов оказывается оправданным во многих случаях. В данной работе рассмотрено применение лазерно-оптического комплекса [1] как средства диагностики для изучения процессов плазменного напыления и лазерной наплавки.
В аддитивных технологиях одним из главных процессов является транспорт порошка на поверхность подложки. Основную роль в регистрации подачи порошка играют бесконтактные методы [2,3]. Различия характерных значений скоростей частиц в условиях лазерной наплавки и плазменного напыления обусловили применение различных сенсоров для приема оптического сигнала. В лазерной наплавке скорости частиц порядка 10 м/с и ниже, и в качестве сенсоров используются CCD-датчики. При плазменном напылении с точечным вводом скорость частиц не превышает 100 м/с [4], а с радиальным симметричным кольцевым вводом – 300-500 м/с. Вследствие чего помимо устройств с CCD-сенсорами, например Accurapray-3g [5], для измерения параметров одиночных частиц используют диагностические комплексы на основе быстродействующих сенсоров. В качестве таких датчиков могут выступать ФЭУ (PMT) как элементы различных измерительных систем [1,5].
С помощью разработанного оборудования [1] были проведены измерения параметров одиночных частиц в полёте в процессе плазменного напыления и лазерной наплавки.

Комплекс оснащен лазерным зондом, с помощью которого инициируется работа измерительной системы. В результате имеется возможность измерения скорости частиц по рассеянному лазерному излучению. Зондирование обеспечивает возможность регистрации скорости частиц, собственного излучения которых недостаточно для их регистрации. Скорость частиц также независимо измерялась по собственному излучению. Измерение температуры проводилось методом трехцветовой пирометрии. Зная зависимость оптических свойств Al2O3, вычисляли размер частиц. Область локализации измерений составила порядка 1,6×0,5×1 мм3.

…
Коаксиальная лазерная наплавка.

Проблемам диагностики газопорошковых струйных течений при лазерной наплавке посвящено немало работ [7-12], где регистрация параметров частиц производилась с использованием бесконтактных оптических методов с помощью скоростной киносъемки, шлирен-фотографирования, PIV, яркостной пирометрии и др.

Анализ опубликованных экспериментальных данных показал, что в указанных работах скорости частиц были измерены при отсутствии излучения лазера. Значения скоростей частиц не превышали среднемассового значения скорости несущего газа, влияние лазера при этом не учитывалось. Холодная продувка использовалась по понятным причинам. Как известно, диагностика частиц в реальных условиях лазерной наплавки осложнена наличием отраженного от частиц лазерного излучения, а также присутствием в потоке как сильно разогретых, так и холодных частиц.

Вопрос о том, может ли световой луч лазера оказывать какое-либо заметное влияние на ускорение частиц порошка в условиях, которые имеют место при лазерной наплавке, обсуждался в работе [13], где предложена физико-математическая модель и приведены модельные расчеты. При лазерной наплавке обычно используется непрерывное излучение мощностью до 5 кВт. Диаметр лазерной перетяжки при попадании на подложку 4-6 мм.

Последнее обеспечивает удельную мощность порядка 108-10 9 Вт/м2. Тестовые вычисления [13] показали, что при постоянной скорости несущего газа 15 м/с и излучении мощностью от 1,0 до 3,0 кВт для частиц из нержавеющей стали размером 45 мкм светореактивная сила приводит к заметному ускорению частиц до 100-250 м/с.
Далее будут представлены результаты экспериментов по регистрации параметров частиц (температуры и скорости), при этом скорость, для сравнения, измеряли в двух режимах (при отсутствии и наличии излучения рабочего СО2-лазера).

Для анализа динамики ускорения частиц измерения проводились на оси сопла, совмещенной с осью лазерного луча Oz и ориентированной по потоку сверху вниз, в трёх сечениях на расстояниях z = 10, 30 и 50 мм от среза сопла. Диаметр лазерного луча Db в этих сечениях равен 3,1, 4,5 и 7 мм соответственно. Эксперименты проводились в двух режимах: mode I – в отсутствие лазерного излучения, mode II – непрерывное лазерное излучение.

В экспериментах использовались порошки алюминия (Al), оксида алюминия (Al2O3), молибдена (Mo) и никеля (Ni). Средние размеры частиц составили 50, 34, 45 и 100 мкм соответственно. Дисперсный состав определялся с использованием лазерного дифракционного анализатора (Laser Diffraction Particle Size Analyzer, LS 1332, США). В качестве рабочего газа использовались воздух (carrier gas – 0.33 g/s, nozzle gas 0.15 g/s), азот (carrier gas – 0.33 g/s, nozzle gas 0.15 g/s) и аргон (carrier gas – 0.3 g/s, nozzle gas 0.13 g/s).
Результаты измерений температуры представлены на рис. 4. Для частиц Al2O3 измерения проводились в воздушной среде (рис. 4, a), а для частиц Ni − в среде аргона (рис. 4, б).
На гистограммах наблюдаются два предельных случая, ограничивающих предлагаемую методику регистрации. Предлагаемый метод не может регистрировать частицы с температурой ниже 1600 К.

В ячейку с диапазоном температур 3800-4000 К собраны частицы, зарегистрированная температура которых превышает температуру кипения материала частиц. Например, температура кипения Al2O3 равна 3250 К, Ni
– 3000 К. В результате кипения и интенсивного парообразования на парах материала происходит искажение собственного излучения частицы, вследствие чего регистрируется не оправданно высокая температура частицы.

…
Таким образом, были проведены измерения параметров частиц в процессах плазменного напыления и лазерной наплавки. Применение диагностики [1] позволяет исследовать и оптимизировать не только процессы высокоэнергетических способов нанесения порошковых материалов, но и процессы их обработки и сфероидизации. Показано, что лазерное излучение может оказывать значительное влияние на скорость частиц при лазерной наплавке.

Полное содержание статьи: http://comhightech.tsu.tula.ru/weldsim/pdf/vyp_6_2_2015.pdf