Лазерный мир

Ю.Н. САРАЕВ, доктор техн. наук, доцент; А.Г. ЛУНЕВ, канд. техн. наук; М.В. ТРИГУБ, канд. техн. наук; М.В. ПЕРОВСКАЯ, канд. техн. наук; (ИФПМ СО РАН, г. Томск, ИОА СО РАН, г. Томск)Сараев Ю.Н. – 634055, г. Томск, пр. Академический, д. 2/4 Институт физики прочности и материаловедения СО РАН // Актуальные проблемы в машиностроении. Том 5. № 1-2. 2018 Инновационные технологии в машиностроении

Введение

Анализ причин и характера разрушений многих металлоконструкций, показывает, что их разрушение, часто, происходит в зонах сварных соединений. Это неминуемо приводит к снижению уровня допустимых эксплуатационных нагрузок в экстремальных условиях и низких температурах окружающей среды [1]. Известно, что изготовление металлоконструкций с высокой прочностью сильно затруднено вследствие действия целого ряда специфических факторов: температуры окружающей среды, типов и технических характеристик применяемого для сварки оборудования, качества и технологических свойств сварочных материалов, и ряда других показателей [2]. Отмеченное обстоятельство оказывает существенное влияние на стабильность плавления и переноса электродного металла в сварочную ванну, что требует дополнительных усилий по контролю быстропротекающих процессов формирования неразъемных соединений, и, в первую очередь, за изменением в процессе сварки характеристик тепломассопереноса [3]. Нестабильность характеристик тепломассопереноса в процессе сварки или наплавки, приводит ухудшению формирования металла шва, что отрицательно сказывается на надежности металлоконструкций в целом [4]

Цель работы: исследование характеристик тепломассопереноса при дуговой сварке плавящимся электродом с применением высокоскоростных методов видео регистрации этапов плавления и переноса электродного металла в сварочную ванну.

Структура экспериментального исследовательского комплекса

Для регистрации кинетики плавления и переноса электродного металла в сварочную ванну применяют различные методы визуализации, осуществляемые синхронно с регистрацией основных энергетических параметров: тока дуги и напряжения на дуговом промежутке. Для решения сформулированных выше задач был разработан диагностический комплекс, который позволяет производить визуально-оптический контроль сварочного процесса, а также регистрировать электрические и энергетический параметры [5], структурная схема которого представлена на рисунке 1.

Рис. 1. Исследовательский комплекс: 1 – подвесная сварочная головка; 2 – изучаемый объект тепломассопереноса; 3 – скоростная видеокамера; 4 – сварочный источник питания; 5 – источник когерентного излучения; 6 – блок регулирования процесса; 7 – блок измерения энергетических параметров режима; 8 – персональный компьютер со специальным программным обеспечением (ПО).

Анализ особенностей регистрации быстропротекающих процессов при электродуговой сварке плавящимся электродом

Опыт применения диагностических систем представленного типа показывает, что регистрация характеристик тепломассопереноса имеет ряд специфических особенностей. В частности, качество видео изображений очень сильно зависит от технических характеристик видео камер. Необходим источник интенсивного излучения, обеспечивающий режим «пересвечивания» дуги и способствующий улучшенной визуализации характеристик тепломассопереноса. Первоначально, в ходе экспериментов, был применен CuBr-лазер [6]. Очевидным преимуществами его являлись высокая импульсная мощность и малая длительность импульса (40 наносекунд), что позволяло осуществлять временную фильтрацию изображения. Высокая частота следования импульсов (до 700 кГц), обеспечивала временное разрешение до единиц микросекунд. Совокупность указанных свойств позволяла полностью избавиться от фоновой засветки, рисунок 2.

Рис. 2. Видеокадры сварочного микроцикла (период плавления и переноса одной капли электродного металла), последовательность кадров: 1 — 2 — 3(интервал горения дуги), 4 -5 -6 (интервал короткого замыкания).

Анализ представленных на рисунке 2 изображений показывает, что их качество существенно уступает качеству изображений, получаемых ранее, с использованием высокоскоростных кинокамер [7]. По-видимому, это связано с техническими характеристиками применяемой видео камеры и недостаточностью имеющейся подсветки.

Модернизация исследовательского комплекса для решения задач выше сформулированной цели

Для комплексного исследования процессов плавления и переноса электродного металла в сварочную ванну необходима синхронизация всех блоков и компонентов – лазера, высокоскоростной камеры, осциллографа, сварочного оборудования. С учетом перечисленных особенностей, в составе комплекса, был применен модифицированный CuBr- лазер, со следующими параметрами: средняя мощность генерации регулируется в диапазоне от 1 до 3 Вт; частота следования импульсов излучения от 10 до 25 кГц. Лазер выполнен в виде двух блоков – активного элемента (АЭ) и источника питания (ИП). Активный элемент включает в себя газоразрядную трубку с длиной активной зоны 40 см, диаметром 2 см, высоковольтный коммутатор (тиратрон ТГИ1-270/12), схему запуска тиратрона с оптической развязкой, блоки термостабилизации. Конструкция лазера предусматривает различные режимы работы: режим генератора и усилителя. Это достигается использованием съемных резонаторов. Данный активный элемент может быть использован для реализации схемы лазерного монитора для диагностики процессов в ванне расплава с полным подавлением влияния излучения сварочной дуги.

На рисунке 3 приведены видеокадры процесса плавления и переноса электродного металла в сварочную ванну, полученные исследовании с применением модернизированного источника когерентного излучения. Оборудование, сварочные материалы и режимы аналогичны случаю, видеокадры которого приведены на рисунке 2 (сварка проволокой сплошного сечения СВ-08Г2С, диаметр 1,2 мм, источник питания ФЭБ — 315 «Магма», механизм подачи ФЭБ-09, защитная среда — углекислый газ; напряжение на дуге 22,3 В; скорость подачи электродной проволоки 2,3 м/мин; регистрация изображений осуществлялась камерой Baumer, скорость съемки 1500 кадров/сек, экспозиция 5 мкс). Для визуального анализа процессов тепломассопереноса осуществлялась теневая съемка при подсветке лазером и применением одновременной спектральной и временной фильтрацией для детального изучения процессов, протекающих в ванне расплава.

Рис. 3. Видеокадры плавления и переноса электродного металла в сварочную ванну различных интервалов сварочного микроцикла с применением CuBr-лазера.
Для полного подавления фонового излучения и получения изображений с минимальной экспозицией была использована фильтрация, которую обеспечивали непосредственно средой разработанного лазера – реализация активной оптической системы (лазерного монитора).
Важной составляющей полученных результатов процесса тепломассопереноса является возможность одновременной синхронной регистрации энергетических параметров сварочной дуги.

[caption width="536" align="alignnone"] Рис. 4. Осциллограммы тока и напряжения дуги при работе лазера в режиме видеосъемки: а – до обработки, б – после обработки изображений

В ходе экспериментальных исследований было установлено, что работа лазера создает помехи, воздействующие на регистрирующую энергетические параметры аппаратуру. Данные помехи затрудняют анализ полученных осциллограмм тока и напряжения дуги. Характерные осциллограммы в условиях помехи представлены на рисунке 4а.

Для фильтрации осциллограмм тока и напряжения дуги от помех импульсного лазера, а также их статистической обработки с целью получения энергетических параметров было разработано специальное программное обеспечение (ПО) WeldStat, которое позволяет:
1) Обеспечить чтение файлов осциллограмм тока и напряжения дуги, записанных цифровыми осциллографами производства Актаком и Owon, выполнять фильтрацию от помех (результат фильтрации на рисунке 4б);
2) Осуществлять визуальный просмотр и масштабирование осциллограмм тока и напряжения;
3) Осуществлять визуальный просмотр и масштабирование осциллограмм тока и напряжения;
4) Производить статистическую обработку осциллограмм с получением данных о среднем токе, среднем напряжении, средней амплитуде тока короткого замыкания, средней длительности короткого замыкания, коэффициентах вариации тока и длительности короткого замыкания, средней мощности дуги [8].

Выводы

1. Анализ представленных видео изображений подтвердил эффективность предложенной методики для проведения исследований быстропротекающих процессов, сопровождающих плавление и перенос электродного металла при дуговой сварке в защитных газах плавящимся электродом.

2. Качество изображений контуров переносимых капель повышается в случае увеличения генерации мощности лазерного когерентного излучения при одновременной фильтрации получаемых изображений применением специальных светофильтров.

3. Разработано специальное программное обеспечение (ПО) WeldStat, которое позволяет проводить обработку осциллограмм основных энергетических параметров режима и осуществлять последующую статистическую обработку характеристик тепломассопереноса.

Список литературы

1. Ehlers S., Шstby E. Increased crashworthiness due to arctic conditions –The influence of sub-zero temperature // Marine Structures. – 2012. – Vol. 28. – P. 86–100.
2. Физико-технические проблемы современного материаловедения. В 2 т. Т. 1. / редкол.: И.К. Походня и др.; НАН Украины. – Киев: Академпериодика, 2013. – 583 с. – ISBN 978-966-360-235-6. – ISBN 978-966-360-236-3.
3. Ogino Y., Hirata Y. Numerical simulation of metal transfer in argon gas-shielded GMAW // Welding in the World. – 2015. – Vol. 59, iss.4. – P. 465–473. – doi: 10.1007/s40194-015-0221-8.
4. Influence of the soft zone on the strength of welded modern HSLA steels / F. Hochhauser, W. Ernst, R. Rauch, R. Vallant, N. Enzinger // Welding in the World. – 2012. – Vol. 56, iss. 5–6. – P. 77–85.
5. Поисковые исследования повышения надежности металлоконструкций ответственного назначения, работающих в условиях экстремальных нагрузок и низких климатических температур / Ю.Н. Сараев, С.В. Гладковский и др. // Наукоемкие технологии в проектах РНФ. Сибирь / под ред. С.Г. Псахье и Ю.П. Шаркеева. – Томск: Изд-во НТЛ, 2017. – Гл.5. – С. 134–202.
6. Copper bromide vapor brightness amplifiers with 100 kHz pulse repetition frequency / M.V. Trigub, G.S. Evtushenko, S.N. Torgaev, D.V. Shiyanov, T.G. Evtushenko // Optics Communications. – 2016. – Vol. 376. – P. 81–85.
7. Сараев Ю.Н. Обоснование концепции повышения безопасности и живучести технических систем, эксплуатируемых в регионах Сибири и Крайнего Севера, на основе применения адаптивных импульсных технологий сварки // Тяжелое машиностроение. – 2010. – № 8. – С. 14–19.
8. Исследование влияния энергетических параметров режима дуговой сварки покрытыми электродами на стабильность тепломассопереноса / Ю.Н. Сараев, А.Г. Лунев, А.С. Киселев, А.С. Гордынец, Д.А. Нестерук, А.А. Хайдарова, Д.А. Чинахов, В.М. Семенчук // Сварочное производство. – 2018. – № 2. – С. 3–13.

Полное содержание статьи: http://www.i-mash.ru/materials/technology/93572-metodika-issledovanijj-kharakteristik.html