Лазерный мир

Омельченко П.П., Новопашин А.А.Научный руководитель – PhD, в.н.с. Соколов М.С.Университет ИТМО // Физика и инженерия. Энергоэффективные инженерные системы и технологии СПГ. Тезисы научных работ XIV Конгресса молодых ученых Университета ИТМО. Санкт-Петербург, 2025. С. 347-348.

Финансирование исследования выполнено за счет НИРСИИ Университета ИТМО (проект №640115 «Разработка и интеграция систем мониторинга и управления для автоматизации производственных процессов на примере лазерной сварки»).

Введение
Лазерная сварка является одним из ключевых процессов в современных производствах, особенно в аэрокосмической, автомобильной и электронной промышленности. Однако, несмотря на высокую точность и скорость, этот процесс подвержен возникновению дефектов, таких как поры, трещины и неоднородности шва, которые могут значительно снизить качество и надежность сварных соединений. Существующие методы контроля качества сварки (рентгенография и др.) являются дорогостоящими, трудоемкими и, как правило, применяются после завершения процесса. Это делает их непригодными для оперативного вмешательства и оптимизации процесса в реальном времени. В связи с этим актуальной задачей является разработка системы автоматической коррекции режимов лазерной сварки в реальном времени, которая позволит минимизировать дефекты и повысить качество продукции.
В настоящей работе предложен подход к созданию такой системы на основе анализа эмиссионных спектров плазмы. Основная цель исследования заключается в разработке устройства, способного автоматически корректировать параметры сварки на основе анализа оптического излучения, что позволит минимизировать частоту появления дефектов и откроет путь к массовому использованию лазерной сварки для создания ответственных конструкций.

Основная часть
В ходе исследования была выявлена корреляция между геометрическими характеристиками дефектов (509, 402, 507) [1] и параметрами эмиссионных спектров плазмы, полученных в ходе сварки стали 09Г2С встык при помощи лазера MAXPhotonics MFSC-3000, 3 кВт. Излучение фокусировалось оптической головой для сварки WSX ND40, линейное перемещение вдоль шва осуществлялось при помощи роботизированной системы FANUC M710iC/70. Для статистического анализа данных были выбраны две длины волны в составе спектра плазмы: 589.4558 нм и 533.4809 нм, соответствующие атомным линиям элементов плазмы [2]. Статистический анализ данных показал, что интенсивность излучения выбранных длин волн, форма, межквартильный размах и количество мод распределении интенсивности коррелируют с численными характеристиками дефектов, полученных в результате анализа макрошлифов. Коэффициент корреляции, рассчитанный по методу Спирмана составил до 0,65, по методу Пирсона – до 0,52. Это открывает возможность использования фотодетекторов для предсказания и предотвращения дефектов в реальном времени при помощи автоматической коррекции режима сварки.
В рамках работы были изучены существующие технические решения для контроля качества лазерной сварки. Были рассмотрены различные подходы, включая использование термографических камер [3], высокоскоростной съемки [4, 5] и акустических методов [5].

Таким образом, была предложена конфигурация прототипа сенсора, который сможет обеспечить необходимую точность и скорость обработки данных. А именно: блок светодиодов, чувствительных к различным длинам волн (InGaAs, Si, Ge), устанавливаемый вместо камеры в разъем оптической головы и интегрируемый с ЧПУ системой, контролирующей перемещение. Предлагается использовать нейронную сеть для описания зависимости характеристик дефектов от различных параметров режима лазерной сварки на основе большой выборки данных и использовать полученную модель для программирования управляющего контроллера. Подход с использованием нейронной сети для классификации и детекции дефектов показал эффективность в области исследований лазерной сварки, особенно при использовании нескольких методов. [6, 7] В случае обнаружения потенциального дефекта предложенная система автоматически корректирует параметры сварки (например, мощность лазера, скорость сварки, фокусное расстояние).

Выводы

В настоящей работе были получены следующие результаты:

1. Выявлена корреляция между геометрическими характеристиками дефектов 509, 402, 507 и параметрами эмиссионных спектров плазмы.
2. Предложена схема модуля для контроля качества лазерной сварки в реальном времени на основе анализа коммерчески доступных решений на рынке.