eng
Выпуск #3/2022
Н. В. Грезев, И. Н. Шиганов, А. А. Васильев
Оптимизация параметров оптической схемы фокусирования излучения мощного волоконного лазера для сварки сталей больших толщин
Оптимизация параметров оптической схемы фокусирования излучения мощного волоконного лазера для сварки сталей больших толщин
Просмотры: 1021
DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2022.16.3.198.210
Представлены результаты расчетов параметров оптической схемы проникновения излучения мощных волоконных лазеров в материалы большой толщины. Показано, что реализация оптической схемы из коллимирующей линзы с фокусным расстоянием 160 мм (С160) и фокусирующей линзы, короткофокусной (F250) или длинофокусной (F400), дает наилучшие оптические характеристики, необходимые для плавления материалов большой толщины. В системе фокусировки IPG FLW D50 реализованы оптимальные параметры оптической схемы. Экспериментально показано, что выбранные параметры оптической схемы позволяют получить качественный сквозной проплав на сталях толщиной до 12 мм. Предпочтительной оптической схемой для сварки материалов большой толщины следует считать соотношение С 160 / F400.
Представлены результаты расчетов параметров оптической схемы проникновения излучения мощных волоконных лазеров в материалы большой толщины. Показано, что реализация оптической схемы из коллимирующей линзы с фокусным расстоянием 160 мм (С160) и фокусирующей линзы, короткофокусной (F250) или длинофокусной (F400), дает наилучшие оптические характеристики, необходимые для плавления материалов большой толщины. В системе фокусировки IPG FLW D50 реализованы оптимальные параметры оптической схемы. Экспериментально показано, что выбранные параметры оптической схемы позволяют получить качественный сквозной проплав на сталях толщиной до 12 мм. Предпочтительной оптической схемой для сварки материалов большой толщины следует считать соотношение С 160 / F400.
Теги: defocusing of the laser beam faber laser high-power deep-penetration laser welding stability of the laser welding process волоконный лазер мощная лазерная сварка с глубоким проникновением раcфокусировка лазерного пучка стабильность процесса лазерной сварки
Оптимизация параметров оптической схемы фокусирования излучения мощного волоконного лазера для сварки сталей больших толщин
Н. В. Грезев 1, И. Н. Шиганов 2, А. А. Васильев 1,2
НТО «ИРЭ-Полюс», г. Фрязино, Моск. обл., Россия
Московский государственный технический университет им. Н. Э. Баумана, Москва, Россия
Представлены результаты расчетов параметров оптической схемы проникновения излучения мощных волоконных лазеров в материалы большой толщины. Показано, что реализация оптической схемы из коллимирующей линзы с фокусным расстоянием 160 мм (С160) и фокусирующей линзы, короткофокусной (F250) или длинофокусной (F400), дает наилучшие оптические характеристики, необходимые для плавления материалов большой толщины. В системе фокусировки IPG FLW D50 реализованы оптимальные параметры оптической схемы. Экспериментально показано, что выбранные параметры оптической схемы позволяют получить качественный сквозной проплав на сталях толщиной до 12 мм. Предпочтительной оптической схемой для сварки материалов большой толщины следует считать соотношение С 160 / F400.
Ключевые слова: волоконный лазер, стабильность процесса лазерной сварки, раcфокусировка лазерного пучка, мощная лазерная сварка с глубоким проникновением
Статья получена: 03.02.2022
Статья принята: 18.04.2022
Введение
Взаимодействие мощного лазерного излучения более 1,0 кВт с металлами сопровождается целым рядом физических явлений, обеспечивающих глубокое проплавление и их соединение в процессе сварки [1, 2]. В этом случае отличительной особенностью является формирование глубокого канала, заполненного парами металла [3]. Явления, происходящие в канале весьма сложны и многообразны, поэтому понимание и их контроль имеют большое теоретическое и практическое значение. Существенное влияние на формирование канала оказывают гидродинамические процессы перемещения жидкости [5], газодинамическое воздействие паров [4], плазменные процессы в канале и над его поверхностью [6, 7] и оптические явления [8]. За счет их взаимодействия и перемещения в процессе сварки металл в канале находится в нестабильном состоянии, связанном в основном с колебательными движениями жидкости на его стенках [9].
Для формирования такого канала требуется вложения концентрированной лазерной энергии не менее 1 ∙ 106 Вт / см2. Эта энергия передается вглубь материала за счет многократных отражений от стенок канала [10]. С помощью этого механизма, как правило, металлическая поверхность с очень низкой поглощающей способностью может вести себя почти как абсолютно черное тело, поскольку лазерный луч передает большую часть своей энергии на поверхность канала. Кроме того, явления многократного отражения определяют способ, которым энергия лазерного луча передается металлу, и, что наиболее важно, влияют на все другие физические процессы, происходящие при лазерной обработке материалов, например поток жидкости, теплопередачу и затвердевание. Поэтому оптические явления в канале играют важную роль в получении глубокого проплавления и формировании качественного закристаллизовавшегося металла, например при сварке [11].
Лазерное излучение на выходе из резонатора, как правило, нельзя непосредственно использовать для технологических целей, так как оно не обеспечивает требуемой концентрации энергии, характера распределения плотности мощности в пучке излучения и других требуемых характеристик. Обеспечение плотности мощности, переотражения лучей в канале и влияние их на процесс проплавления создается параметрами оптической системы фокусировки лазерного пучка. В частности, фокусным расстоянием, рэлеевской длиной в фокусе (перетяжке), абберациями, и пр. Кроме того существенное влияние оказывает положение перетяжки лазерного пучка относительно поверхности обрабатываемого металла [12]. При изменении положения перетяжки лазерного пучка возникают различные дефекты формирования в виде брызг, вытекания металла, пор, которые приводят к образованию дефектов при сварке [13].
Для обеспечения стабильного формирования канала проплавления и закристаллизовавшегося металла при сварке излучением волоконного лазера большой мощности необходимо в первую очередь рассчитать и сконструировать оптимальную оптическую схему, которая обеспечит необходимый диаметр пятна в перетяжке лазерного пучка и глубину фокуса (рэлеевскую длину). В зависимости от выбора оптической схемы можно будет определить положение фокуса относительно поверхности обрабатываемого металла и все остальные параметры.
Целью настоящей работы является определение базовых принципов подбора оптических схем фокусирования излучения волоконных лазеров для сварки металлов различных толщин.
Используемое оборудование и материалы
Экспериментальная часть работы проводилась на роботизированном комплексе, в состав которого входит волоконный лазер IPG YLS‑10000 с выходной мощностью излучения до 10 кВт и диаметром транспортного волокна 100 мкм, система охлаждения IPG LC 340, промышленный робот KUKA KR 60 НА. На выходе из транспортного волокна лазерное излучение обладает следующими характеристиками: длина волны излучения λ = 1,07 мкм, угол расходимости излучения θ = 0,16 рад, параметр M2 = 11,03 (отношение произведения диаметра перетяжки 2ω0 на угол расходимости пучка θ по отношению к произведению аналогичных параметров идеального пучка с гауссовым распределением), параметр качество пучка BPP = 3,756 мм ∙ мрад.
Преобразование лазерного излучения осуществляется оптической головой IPG FLW D50. Эффективность разработанной оптической схемы проверялась в процессе лазерной сварки со сквозным проплавлением пластин из сталей 09Г2С (К52) и 10Г2ФБЮ (К60) толщиной от 8 до 12 мм.
Расчет оптических схем
Результаты, полученные в ходе ряда исследований, показали [11, 12], что при проплавлении металлов большой толщины волоконными лазерами возникает парогазовый канал достаточно узкой формы. Размеры и форма парогазового канала в значительной степени зависят от параметров фокусировки и положения фокуса относительно поверхности свариваемой детали. Графический анализ формы парогазового канала, полученного с рентгеновских снимков, с наложением на него сходящихся лазерных лучей, показан на рис. 1 (источник [13]).
Анализ полученных схем показал, что максимальная глубина проплавления возникает при таком положении фокуса (–5 мм), когда передняя стенка канала наиболее приближена к вертикали. В этом случае все излучение проникает в глубину канала. Минимальная глубина проплавления 5,46 мм возникает при том положении фокуса (4 мм), при котором на передней стенке канала возникает достаточно большой угол наклона, который в свою очередь приводит к отражению части энергии в верхнюю заднюю часть стенки канала. В результате наблюдаются выплески и дефекты в этой зоне, что является следствием перегрева.
Такая высокая чувствительность процесса сварки к изменению положения фокуса при использовании волоконного лазера возникает вследствие того, что используемая сталь имеет более высокий коэффициент поглощения лазерного излучения с длиной волны 1,07 мкм, чем, например, лазерного излучения с длиной волны 10,6 мкм. Поэтому эффект многократного переотражения излучения, наблюдаемый при лазерной сварке газовыми лазерами, [14] заметно снижен.
Чтобы сделать процесс сварки волоконными лазерами более стабильным и повторяемым, необходимо ослабить чувствительность сварочного процесса к положению фокуса оптической системы. Для того, чтобы более равномерно распределить энергию по глубине канала предложено использовать две оптические схемы с различными фокусирующими линзами – С160 / F250 (короткофокусную) и С160 / F400 (длиннофокусную), где С – обозначение фокусного расстояния коллиматора, а F – фокусное расстояние фокусирующей линзы (рис. 2).
Расчет параметров лазерного излучения провели по следующим формулам [15].
, (1)
где ВРР (beam parameter product) – параметр качества пучка, мм∙мрад; Øf – диаметр транспортного волокна, мкм; θ – угол расходимости, рад; λ – длина волны, мкм. Далее находим ВРР0 для идеального лазерного пучка и ВРР для пучка, получаемого в действительности:
; (2)
. (3)
Тогда на коллиматор попадает лазерный пучок диаметром Øс:
, (4)
где C – фокусное расстояние коллиматора, мм. А диаметр перетяжки лазерного пучка в фокусе 2ω0 через фокусное расстояние линзы F определяем по формуле:
. (5)
Глубину резкости определяется длиной Релея 2ZR, поэтому находим ZR как:
. (6)
В соответствии с расчетами оптическая схема С160 / F250 формирует в фокусе пучок диаметром 150 мкм, который при мощности падающего излучения 10 кВт обладает достаточно большой плотностью мощности 52,15 МВт / см2, при этом глубина фокуса (длина Рэлея) составляет 3,25 мм (см. табл).
Оптическая схема С160 / F400 формирует в фокусе пучок с перетяжкой диаметром 250 мм и при мощности лазерного излучения 10 кВт создает меньшую плотность мощности 20,4 МВт / см2, при этом глубина фокуса составляет 8,32 мм (см. табл).
Чтобы определить насколько рассчитываемые оптические схемы будут оптимальны для использования в процессах сварки, например стальных пластин толщиной 12 мм, предлагаем рассмотреть еще несколько параметров. Во-первых, изменение распределения плотности мощности по глубине «парогазового» канала. Во-вторых, среднюю плотность мощности в плоскости передней стенки канала и угол падения и отражения лазерного луча от условной передней стенки канала (см. рис. 3 и 4).
При использовании короткофокусной оптической схемы С160 / F250 при распространении лазерного пучка в направлении от положения фокуса на поверхности металла вглубь канала плотность мощности снижается из-за расходимости пучка и, соответственно, увеличения диаметра лазерного пятна (рис. 3). Снижение происходит в следующей последовательности: на расстоянии –2 мм плотность мощности составляет 23,6 МВт / см2, на расстоянии –4 мм плотность составляет 12,8 МВт / см2, далее при заглублении на – 6 мм плотность мощности снижается до 8,7 МВт / см2, а на расстоянии –8 мм от фокуса величина становится еще меньше и доходит до 6,6 МВт / см2, далее на –10мм соответственно – 5,2 МВт / см2 и на –12мм составляет 4,4 МВт / см2.
Применительно для сварки деталей толщиной 12 мм разница в значении плотности мощности в фокусе (52,15 МВт / см2 на поверхности в соответствии со схемой) и на выходе (4,4 МВт / см2) велика, значения отличаются в 12 раз. Такая разница будет приводить в области фокуса к брызгообразованию из-за перегрева металла. Конечно, путем варьирования положения фокуса относительно поверхности детали можно будет добиваться стабильного формирования канала, но низкая плотность мощности на выходе из пластины будет увеличивать вероятность появления дефектов в виде пор и полостей вследствие недостаточной плотности мощности и нестабильности канала. Средняя плотность мощности в плоскости передней стенки составляет 0,44 МВт / см2, а это явно недостаточно для обеспечения стабильности процесса. Оптическая схема С160 / F250, исходя из оценки распределения плотности мощности по глубине, более подходит для использования при сварке металлических пластин толщиной 6–8 мм.
Снижение величины плотности мощности лазерного излучения для длиннофокусной системы С160 / F400 менее интенсивно: на расстоянии –2 мм величина плотности мощности 16,6 МВт / см2, далее при увеличении глубины с шагом 2 мм: –4 мм, –6 мм, –8 мм, –10мм, –12 мм получаем распределение плотности мощности: 11,1 МВт / см2, 8,1 МВт / см2, 6,3 МВт / см2, 5,1 МВт / см2, 4,3 МВт / см2. Применительно для сварки деталей толщиной 12 мм разница плотности на поверхности детали и на выходе отличается в 4,7 раза. Это намного лучше, чем при использовании короткофокусной системы. При этом средняя плотность мощности в плоскости передней стенки, выше и составляет 0,56 МВт / см2. Такое распределение плотности мощности подходит для сварки деталей с большой толщиной.
На рис. 5 показано распределение плотности мощности в интервале фокусирования перетяжки лазерного пучка от 0 до –12 мм на поверхности свариваемого образца при использовании двух выбранных типов фокусирующих оптических систем (максимальная мощность лазерного излучения для выбранного волоконного лазера равна 10 кВт).
Проведена оценка угла падения и отражения лазерного пучка на переднюю стенку канала, которая в свою очередь условно определяется по диагонали получившейся трапеции по всей толщине в области воздействия лазерного луча. Для оптической схемы С160 / F250 этот угол равен 4°, для С160 / F400 – составляет 3°. Трассировка лазерного луча по такой условной передней стенки для оптической схемы С160 / F250 показывает, что в этом случае переотражение от передней стенки идет в центральную область, в случае использования оптической схемы С160 / F400 – в нижнюю часть, что должно быть более благоприятно для получения большей глубины проплавления.
В процессе сварки, угол передней стенки в зависимости от скорости сварки, положения фокуса может меняться, поэтому трассировку отражений лазерных лучей целесообразно производить для еще нескольких положений с шагом в 1°. Так для оптической схемы С160 / F250 при уменьшении угла наклона до 3 и 2° направление переотражения смещается на глубину 6 и 8 мм. Для оптической схемы С160 / F400 при любом положении угла наклона переотражение лучей идет на глубину 10–12 мм, что предположительно более благоприятно для сварки толщины до 12 мм.
Экспериментальная часть
Оценка применимости рассчитанных параметров оптической схемы проводилась экспериментально путем проплавления стальных пластин толщиной 8,10 и 12 мм из низколегированных сталей (09Г2С, К60). Критерием оценки служила стабильность формирования сварного шва со сквозным проплавлением. Смещение положение фокуса при использовании обоих фокусирующих линз производилось в диапазоне от – 9 мм до 9 мм. Скорости сварки составляли 0,6 и 0,9 м / мин. Были исследованы зависимости изменения требуемой мощности и диапазоны возможных отклонений положения фокуса, не влияющих на качество проплавления и результат сварки.
Рассматриваемые на каждой фокусирующей линзе диапазоны положений фокуса лазерного луча выбраны с учетом диаметра пятна на поверхности. При положении фокуса лазерного луча на поверхности металла пятно, полученное на фокусирующей линзе F400 больше, чем на линзе F250. При увеличении расфокусирования пучка до 3 мм при использовании обеих фокусирующих линз пятна будут иметь приблизительно одинаковый размер (рис. 5). Далее эффект от раcфокусировки будет отличаться: при использовании длиннофокусной линзы для получения пятна того же диаметра, что и при использовании короткофокусной линзы, потребуется бóльшая расфокусировка.
На рис. 6 показаны фотографии макрошлифов сварных швов со сквозным проявлением, полученных на сталях разной толщины на оптимальных режимах с использованием различных оптических схем. Как видно на макрошлифах, обе оптические схемы C160 / F250 и С160 / F400 обеспечивают качественное формирование с полным проплавлением пластин толщиной от 8,0 до 12,0 мм при положении фокуса на поверхности.
По результатам эксперимента построены графики, отражающие влияние глубины фокуса фокусирующей линзы на необходимую мощность лазерного излучения для получения сквозного проплавления пластины толщиной 8 мм (рис. 7) и 12 мм (рис. 8).
Увеличение толщины свариваемого металла требует больше мощности лазерного излучения при использовании короткофокусной оптики (F250) в сравнении с длиннофокусной (F400). Классическое распределение плотности мощности в сечении лазерного пучка подчиняется распределению Гаусса. В процессе сварки пучок распространяется в образующемся парогазовом канале под некоторым углом к передней стенке. При расчетах принимаем, что канал имеет форму цилиндра. От сохранения постоянства распределения плотности мощности пучка в канале зависит стабильность процесса.
При использовании фокусирующей линзы F400 с более глубоким фокусом требуется меньше мощности излучения для сквозного проплавления стали К60 толщиной 12 мм требуется меньше мощности лазерного излучения.
Смещение фокуса в глубь металла на 3–6 мм снижает требуемую мощность для сквозного проплавления на 15–17%, а подъем над поверхностью на 3–6 мм повышает мощность для проплавления незначительно на 5–7%. Эти зависимости сохраняются для обеих оптических схем. При увеличении скорости сварки до 0,9 м / мин для полного проплавления требуется увеличение мощности на 15–17% при фокусировке на поверхности, однако зависимости при смещении фокуса остаются в том же диапазоне.
Так же наблюдается изменение внешнего формирования, образования разбрызгивания, провисание проплава в зависимости от положения фокуса. Установлено, что диапазон смещений фокуса при получении сварных швов без указанных дефектов для оптической системы С160 / F400 в 3 раза шире, чем для системы C160 / F250. Это предоставляет возможность управлять в более широких пределах параметрами сварки с применением оптической системы С160 / F400. На основании этого данная оптическая схема более пригодна для сварки более толстых материалов.
Выводы
В связи с повышенной поглощательной способностью металлов на длине волны волоконного лазера равной 1,07 мкм, при сварке больших толщин требуется более расширенный анализ оптических параметров фокусирующих систем.
Помимо расчета базовых параметров (диаметра фокусного пятна, плотности мощности и глубины фокуса) требуется оценка и дополнительных параметров:
На примере двух оптических систем C160 / F250 и C160 / F400 экспериментальна подтверждена более высокая применимость длиннофокусной системы для сварки толщины 10–12 мм, область оптимальных режимов сварки находятся в более широких диапазонах.
References
Gladush G. G., Smurov I.YU. Fizicheskie osnovy lazernoj obrabotki materialov. – M.: FIZMATLIT. 2017. 592 p. ISBN 978-5-9221-1712-8.
Гладуш Г. Г., Смуров И. Ю. Физические основы лазерной обработки материалов – М.: ФИЗМАТЛИТ. 2017. 592 с. ISBN 978-5-9221-1712-8.
Katayama S. Spravochnik po lazernoj svarke. – M.: TEKHNOSFERA. 2015. 704 s. ISBN 978-5-94836-420-9.
Катаяма С. Справочник по лазерной сварке. – М.: ТЕХНОСФЕРА. 2015. 704 с. ISBN 978-5-94836-420-9.
Kawahito Y, Mizutani M, Katayama S. Investigation of High-Power Fiber Laser Welding Phenomena of Stainless Steel. Transactions of Joining and Welding Research Institute. 2007;36(2): 11–16.
Jae Y., Sung H., Dave F. Mechanism of keyhole formation and stability in stationary laser welding. Journal of Physics D. Applied Physics. 2002; 35: 1570–1580.
Krivcun I. V., Suhorukov S. B., Sidorec V. N., Koval O. B. Modelirovanie processov ispareniya metalla i gazodinamiki metallicheskogo para v parogazovom kanale pri lazernoj svarke. Avtomaticheskaya svarka. 2008; 10: 19–26.
Кривцун И. В., Сухоруков С. Б., Сидорец В. Н., Ковал О. Б. Моделирование процессов испарения металла и газодинамики металлического пара в парогазовом канале при лазерной сварке. Автоматическая сварка. 2008; 10: 19–26.
Petrovskij B. H., Uspenskij C. A., SHCHeglov P.YU., Gumenyuk A. V., Retmajer M. Issledovanie paro-plazmennogo svarochnogo fakela pri svarke moshchnym itterbievym volokonnym lazerom. YAdernaya fizika i inzhiniring. 2011; 2(2): 159–165.
Петровский B. H., Успенский C. A., Щеглов П. Ю., Гуменюк А. В., Ретмайер М. Исследование паро-плазменного сварочного факела при сварке мощным иттербиевым волоконным лазером. Ядерная физика и инжиниринг. 2011; 2(2): 159–165.
Dilthey U. Kinetic description of keyhole plasma in laser welding. Journal of Physics D. Applied Physics. 2000;33: 2747–2753. DOI: 10.1088/0022-3727/33/21/312.
Solana P., Negro G. A study of the effect of multiple reflections on the shape of the keyhole in the laser processing of materials. Journal of Physics D. Applied Physics. 1997; 30: 3216–3222. DOI: 10.1088/0022-3727/30/23/006.
Jae Y., Sung H., Dave F. Mechanism of keyhole formation and stability in stationary laser welding. Journal of Physics D. Applied Physics. 2002; 35: 1570–1580. DOI: 10.1088/0022-3727/35/13/320.
Hyungson Ki, Pravansu S. Mohanty, and Jyotirmoy Mazumder Multiple reflection and its influence on keyhole evolution. Journal of Laser Applications. 2002;14(1): 39–45. DOI: 10.2351/1.1449885.
Zhang M. J., Chen G. Y., Zhou Y., Li S. C., Deng H. Observation of spatter formation mechanisms in high-power fiber laser welding of thick plate. Applied Surface Science. 2013;280: 868–875. DOI: 10.1016/j.apsusc.2013.05.081.
Grigor’yanc A.G., SHiganov I.N., Misyurov A. I. Tekhnologicheskie processy lazernoj obrabotki / Pod red. A. G. Grigor’yanca. – M.: Izd-vo MGTU im. N. E. Baumana. 2008. 664 p.
Григорьянц А. Г., Шиганов И. Н., Мисюров А. И. Технологические процессы лазерной обработки / Под ред. А. Г. Григорьянца. – М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана. 2008. 664 с.
Li S., Chen G., Katayama S., Zhang Y. Relationship between spatter formation and dynamic molten pool during high-power deep-penetration laser welding. Applied Surface Science. 2014; 303: 481–488.
Honda H., Tsukamoto S., Kawaguchi I., and Arakane G. Keyhole behavior in deep penetration CO2 laser welding. Journal of Laser Applications. 2010;22(2): 43–47. DOI: 10.2351/1.3455815.
Grigor’yanc A.G., Vasil’cov V. V. Prostranstvennaya struktura izlucheniya moshchnyh volnovodnyh i volokonnyh lazerov dlya tekhnologij. Vestnik MGTU im. N. E. Baumana. Ser. «Mashinostroenie». 2012; 5–33.
Григорьянц А. Г., Васильцов В. В. Пространственная структура излучения мощных волноводных и волоконных лазеров для технологий. Вестник МГТУ им. Н. Э. Баумана. Сер. «Машиностроение». 2012; 5–33.
Н. В. Грезев 1, И. Н. Шиганов 2, А. А. Васильев 1,2
НТО «ИРЭ-Полюс», г. Фрязино, Моск. обл., Россия
Московский государственный технический университет им. Н. Э. Баумана, Москва, Россия
Представлены результаты расчетов параметров оптической схемы проникновения излучения мощных волоконных лазеров в материалы большой толщины. Показано, что реализация оптической схемы из коллимирующей линзы с фокусным расстоянием 160 мм (С160) и фокусирующей линзы, короткофокусной (F250) или длинофокусной (F400), дает наилучшие оптические характеристики, необходимые для плавления материалов большой толщины. В системе фокусировки IPG FLW D50 реализованы оптимальные параметры оптической схемы. Экспериментально показано, что выбранные параметры оптической схемы позволяют получить качественный сквозной проплав на сталях толщиной до 12 мм. Предпочтительной оптической схемой для сварки материалов большой толщины следует считать соотношение С 160 / F400.
Ключевые слова: волоконный лазер, стабильность процесса лазерной сварки, раcфокусировка лазерного пучка, мощная лазерная сварка с глубоким проникновением
Статья получена: 03.02.2022
Статья принята: 18.04.2022
Введение
Взаимодействие мощного лазерного излучения более 1,0 кВт с металлами сопровождается целым рядом физических явлений, обеспечивающих глубокое проплавление и их соединение в процессе сварки [1, 2]. В этом случае отличительной особенностью является формирование глубокого канала, заполненного парами металла [3]. Явления, происходящие в канале весьма сложны и многообразны, поэтому понимание и их контроль имеют большое теоретическое и практическое значение. Существенное влияние на формирование канала оказывают гидродинамические процессы перемещения жидкости [5], газодинамическое воздействие паров [4], плазменные процессы в канале и над его поверхностью [6, 7] и оптические явления [8]. За счет их взаимодействия и перемещения в процессе сварки металл в канале находится в нестабильном состоянии, связанном в основном с колебательными движениями жидкости на его стенках [9].
Для формирования такого канала требуется вложения концентрированной лазерной энергии не менее 1 ∙ 106 Вт / см2. Эта энергия передается вглубь материала за счет многократных отражений от стенок канала [10]. С помощью этого механизма, как правило, металлическая поверхность с очень низкой поглощающей способностью может вести себя почти как абсолютно черное тело, поскольку лазерный луч передает большую часть своей энергии на поверхность канала. Кроме того, явления многократного отражения определяют способ, которым энергия лазерного луча передается металлу, и, что наиболее важно, влияют на все другие физические процессы, происходящие при лазерной обработке материалов, например поток жидкости, теплопередачу и затвердевание. Поэтому оптические явления в канале играют важную роль в получении глубокого проплавления и формировании качественного закристаллизовавшегося металла, например при сварке [11].
Лазерное излучение на выходе из резонатора, как правило, нельзя непосредственно использовать для технологических целей, так как оно не обеспечивает требуемой концентрации энергии, характера распределения плотности мощности в пучке излучения и других требуемых характеристик. Обеспечение плотности мощности, переотражения лучей в канале и влияние их на процесс проплавления создается параметрами оптической системы фокусировки лазерного пучка. В частности, фокусным расстоянием, рэлеевской длиной в фокусе (перетяжке), абберациями, и пр. Кроме того существенное влияние оказывает положение перетяжки лазерного пучка относительно поверхности обрабатываемого металла [12]. При изменении положения перетяжки лазерного пучка возникают различные дефекты формирования в виде брызг, вытекания металла, пор, которые приводят к образованию дефектов при сварке [13].
Для обеспечения стабильного формирования канала проплавления и закристаллизовавшегося металла при сварке излучением волоконного лазера большой мощности необходимо в первую очередь рассчитать и сконструировать оптимальную оптическую схему, которая обеспечит необходимый диаметр пятна в перетяжке лазерного пучка и глубину фокуса (рэлеевскую длину). В зависимости от выбора оптической схемы можно будет определить положение фокуса относительно поверхности обрабатываемого металла и все остальные параметры.
Целью настоящей работы является определение базовых принципов подбора оптических схем фокусирования излучения волоконных лазеров для сварки металлов различных толщин.
Используемое оборудование и материалы
Экспериментальная часть работы проводилась на роботизированном комплексе, в состав которого входит волоконный лазер IPG YLS‑10000 с выходной мощностью излучения до 10 кВт и диаметром транспортного волокна 100 мкм, система охлаждения IPG LC 340, промышленный робот KUKA KR 60 НА. На выходе из транспортного волокна лазерное излучение обладает следующими характеристиками: длина волны излучения λ = 1,07 мкм, угол расходимости излучения θ = 0,16 рад, параметр M2 = 11,03 (отношение произведения диаметра перетяжки 2ω0 на угол расходимости пучка θ по отношению к произведению аналогичных параметров идеального пучка с гауссовым распределением), параметр качество пучка BPP = 3,756 мм ∙ мрад.
Преобразование лазерного излучения осуществляется оптической головой IPG FLW D50. Эффективность разработанной оптической схемы проверялась в процессе лазерной сварки со сквозным проплавлением пластин из сталей 09Г2С (К52) и 10Г2ФБЮ (К60) толщиной от 8 до 12 мм.
Расчет оптических схем
Результаты, полученные в ходе ряда исследований, показали [11, 12], что при проплавлении металлов большой толщины волоконными лазерами возникает парогазовый канал достаточно узкой формы. Размеры и форма парогазового канала в значительной степени зависят от параметров фокусировки и положения фокуса относительно поверхности свариваемой детали. Графический анализ формы парогазового канала, полученного с рентгеновских снимков, с наложением на него сходящихся лазерных лучей, показан на рис. 1 (источник [13]).
Анализ полученных схем показал, что максимальная глубина проплавления возникает при таком положении фокуса (–5 мм), когда передняя стенка канала наиболее приближена к вертикали. В этом случае все излучение проникает в глубину канала. Минимальная глубина проплавления 5,46 мм возникает при том положении фокуса (4 мм), при котором на передней стенке канала возникает достаточно большой угол наклона, который в свою очередь приводит к отражению части энергии в верхнюю заднюю часть стенки канала. В результате наблюдаются выплески и дефекты в этой зоне, что является следствием перегрева.
Такая высокая чувствительность процесса сварки к изменению положения фокуса при использовании волоконного лазера возникает вследствие того, что используемая сталь имеет более высокий коэффициент поглощения лазерного излучения с длиной волны 1,07 мкм, чем, например, лазерного излучения с длиной волны 10,6 мкм. Поэтому эффект многократного переотражения излучения, наблюдаемый при лазерной сварке газовыми лазерами, [14] заметно снижен.
Чтобы сделать процесс сварки волоконными лазерами более стабильным и повторяемым, необходимо ослабить чувствительность сварочного процесса к положению фокуса оптической системы. Для того, чтобы более равномерно распределить энергию по глубине канала предложено использовать две оптические схемы с различными фокусирующими линзами – С160 / F250 (короткофокусную) и С160 / F400 (длиннофокусную), где С – обозначение фокусного расстояния коллиматора, а F – фокусное расстояние фокусирующей линзы (рис. 2).
Расчет параметров лазерного излучения провели по следующим формулам [15].
, (1)
где ВРР (beam parameter product) – параметр качества пучка, мм∙мрад; Øf – диаметр транспортного волокна, мкм; θ – угол расходимости, рад; λ – длина волны, мкм. Далее находим ВРР0 для идеального лазерного пучка и ВРР для пучка, получаемого в действительности:
; (2)
. (3)
Тогда на коллиматор попадает лазерный пучок диаметром Øс:
, (4)
где C – фокусное расстояние коллиматора, мм. А диаметр перетяжки лазерного пучка в фокусе 2ω0 через фокусное расстояние линзы F определяем по формуле:
. (5)
Глубину резкости определяется длиной Релея 2ZR, поэтому находим ZR как:
. (6)
В соответствии с расчетами оптическая схема С160 / F250 формирует в фокусе пучок диаметром 150 мкм, который при мощности падающего излучения 10 кВт обладает достаточно большой плотностью мощности 52,15 МВт / см2, при этом глубина фокуса (длина Рэлея) составляет 3,25 мм (см. табл).
Оптическая схема С160 / F400 формирует в фокусе пучок с перетяжкой диаметром 250 мм и при мощности лазерного излучения 10 кВт создает меньшую плотность мощности 20,4 МВт / см2, при этом глубина фокуса составляет 8,32 мм (см. табл).
Чтобы определить насколько рассчитываемые оптические схемы будут оптимальны для использования в процессах сварки, например стальных пластин толщиной 12 мм, предлагаем рассмотреть еще несколько параметров. Во-первых, изменение распределения плотности мощности по глубине «парогазового» канала. Во-вторых, среднюю плотность мощности в плоскости передней стенки канала и угол падения и отражения лазерного луча от условной передней стенки канала (см. рис. 3 и 4).
При использовании короткофокусной оптической схемы С160 / F250 при распространении лазерного пучка в направлении от положения фокуса на поверхности металла вглубь канала плотность мощности снижается из-за расходимости пучка и, соответственно, увеличения диаметра лазерного пятна (рис. 3). Снижение происходит в следующей последовательности: на расстоянии –2 мм плотность мощности составляет 23,6 МВт / см2, на расстоянии –4 мм плотность составляет 12,8 МВт / см2, далее при заглублении на – 6 мм плотность мощности снижается до 8,7 МВт / см2, а на расстоянии –8 мм от фокуса величина становится еще меньше и доходит до 6,6 МВт / см2, далее на –10мм соответственно – 5,2 МВт / см2 и на –12мм составляет 4,4 МВт / см2.
Применительно для сварки деталей толщиной 12 мм разница в значении плотности мощности в фокусе (52,15 МВт / см2 на поверхности в соответствии со схемой) и на выходе (4,4 МВт / см2) велика, значения отличаются в 12 раз. Такая разница будет приводить в области фокуса к брызгообразованию из-за перегрева металла. Конечно, путем варьирования положения фокуса относительно поверхности детали можно будет добиваться стабильного формирования канала, но низкая плотность мощности на выходе из пластины будет увеличивать вероятность появления дефектов в виде пор и полостей вследствие недостаточной плотности мощности и нестабильности канала. Средняя плотность мощности в плоскости передней стенки составляет 0,44 МВт / см2, а это явно недостаточно для обеспечения стабильности процесса. Оптическая схема С160 / F250, исходя из оценки распределения плотности мощности по глубине, более подходит для использования при сварке металлических пластин толщиной 6–8 мм.
Снижение величины плотности мощности лазерного излучения для длиннофокусной системы С160 / F400 менее интенсивно: на расстоянии –2 мм величина плотности мощности 16,6 МВт / см2, далее при увеличении глубины с шагом 2 мм: –4 мм, –6 мм, –8 мм, –10мм, –12 мм получаем распределение плотности мощности: 11,1 МВт / см2, 8,1 МВт / см2, 6,3 МВт / см2, 5,1 МВт / см2, 4,3 МВт / см2. Применительно для сварки деталей толщиной 12 мм разница плотности на поверхности детали и на выходе отличается в 4,7 раза. Это намного лучше, чем при использовании короткофокусной системы. При этом средняя плотность мощности в плоскости передней стенки, выше и составляет 0,56 МВт / см2. Такое распределение плотности мощности подходит для сварки деталей с большой толщиной.
На рис. 5 показано распределение плотности мощности в интервале фокусирования перетяжки лазерного пучка от 0 до –12 мм на поверхности свариваемого образца при использовании двух выбранных типов фокусирующих оптических систем (максимальная мощность лазерного излучения для выбранного волоконного лазера равна 10 кВт).
Проведена оценка угла падения и отражения лазерного пучка на переднюю стенку канала, которая в свою очередь условно определяется по диагонали получившейся трапеции по всей толщине в области воздействия лазерного луча. Для оптической схемы С160 / F250 этот угол равен 4°, для С160 / F400 – составляет 3°. Трассировка лазерного луча по такой условной передней стенки для оптической схемы С160 / F250 показывает, что в этом случае переотражение от передней стенки идет в центральную область, в случае использования оптической схемы С160 / F400 – в нижнюю часть, что должно быть более благоприятно для получения большей глубины проплавления.
В процессе сварки, угол передней стенки в зависимости от скорости сварки, положения фокуса может меняться, поэтому трассировку отражений лазерных лучей целесообразно производить для еще нескольких положений с шагом в 1°. Так для оптической схемы С160 / F250 при уменьшении угла наклона до 3 и 2° направление переотражения смещается на глубину 6 и 8 мм. Для оптической схемы С160 / F400 при любом положении угла наклона переотражение лучей идет на глубину 10–12 мм, что предположительно более благоприятно для сварки толщины до 12 мм.
Экспериментальная часть
Оценка применимости рассчитанных параметров оптической схемы проводилась экспериментально путем проплавления стальных пластин толщиной 8,10 и 12 мм из низколегированных сталей (09Г2С, К60). Критерием оценки служила стабильность формирования сварного шва со сквозным проплавлением. Смещение положение фокуса при использовании обоих фокусирующих линз производилось в диапазоне от – 9 мм до 9 мм. Скорости сварки составляли 0,6 и 0,9 м / мин. Были исследованы зависимости изменения требуемой мощности и диапазоны возможных отклонений положения фокуса, не влияющих на качество проплавления и результат сварки.
Рассматриваемые на каждой фокусирующей линзе диапазоны положений фокуса лазерного луча выбраны с учетом диаметра пятна на поверхности. При положении фокуса лазерного луча на поверхности металла пятно, полученное на фокусирующей линзе F400 больше, чем на линзе F250. При увеличении расфокусирования пучка до 3 мм при использовании обеих фокусирующих линз пятна будут иметь приблизительно одинаковый размер (рис. 5). Далее эффект от раcфокусировки будет отличаться: при использовании длиннофокусной линзы для получения пятна того же диаметра, что и при использовании короткофокусной линзы, потребуется бóльшая расфокусировка.
На рис. 6 показаны фотографии макрошлифов сварных швов со сквозным проявлением, полученных на сталях разной толщины на оптимальных режимах с использованием различных оптических схем. Как видно на макрошлифах, обе оптические схемы C160 / F250 и С160 / F400 обеспечивают качественное формирование с полным проплавлением пластин толщиной от 8,0 до 12,0 мм при положении фокуса на поверхности.
По результатам эксперимента построены графики, отражающие влияние глубины фокуса фокусирующей линзы на необходимую мощность лазерного излучения для получения сквозного проплавления пластины толщиной 8 мм (рис. 7) и 12 мм (рис. 8).
Увеличение толщины свариваемого металла требует больше мощности лазерного излучения при использовании короткофокусной оптики (F250) в сравнении с длиннофокусной (F400). Классическое распределение плотности мощности в сечении лазерного пучка подчиняется распределению Гаусса. В процессе сварки пучок распространяется в образующемся парогазовом канале под некоторым углом к передней стенке. При расчетах принимаем, что канал имеет форму цилиндра. От сохранения постоянства распределения плотности мощности пучка в канале зависит стабильность процесса.
При использовании фокусирующей линзы F400 с более глубоким фокусом требуется меньше мощности излучения для сквозного проплавления стали К60 толщиной 12 мм требуется меньше мощности лазерного излучения.
Смещение фокуса в глубь металла на 3–6 мм снижает требуемую мощность для сквозного проплавления на 15–17%, а подъем над поверхностью на 3–6 мм повышает мощность для проплавления незначительно на 5–7%. Эти зависимости сохраняются для обеих оптических схем. При увеличении скорости сварки до 0,9 м / мин для полного проплавления требуется увеличение мощности на 15–17% при фокусировке на поверхности, однако зависимости при смещении фокуса остаются в том же диапазоне.
Так же наблюдается изменение внешнего формирования, образования разбрызгивания, провисание проплава в зависимости от положения фокуса. Установлено, что диапазон смещений фокуса при получении сварных швов без указанных дефектов для оптической системы С160 / F400 в 3 раза шире, чем для системы C160 / F250. Это предоставляет возможность управлять в более широких пределах параметрами сварки с применением оптической системы С160 / F400. На основании этого данная оптическая схема более пригодна для сварки более толстых материалов.
Выводы
В связи с повышенной поглощательной способностью металлов на длине волны волоконного лазера равной 1,07 мкм, при сварке больших толщин требуется более расширенный анализ оптических параметров фокусирующих систем.
Помимо расчета базовых параметров (диаметра фокусного пятна, плотности мощности и глубины фокуса) требуется оценка и дополнительных параметров:
- распределение плотности мощности по глубине «парогазового» канала;
- средней плотности мощности на плоскости передней стенки;
- оценка угла падения и отражения лазерного луча от передней стенки канала.
На примере двух оптических систем C160 / F250 и C160 / F400 экспериментальна подтверждена более высокая применимость длиннофокусной системы для сварки толщины 10–12 мм, область оптимальных режимов сварки находятся в более широких диапазонах.
References
Gladush G. G., Smurov I.YU. Fizicheskie osnovy lazernoj obrabotki materialov. – M.: FIZMATLIT. 2017. 592 p. ISBN 978-5-9221-1712-8.
Гладуш Г. Г., Смуров И. Ю. Физические основы лазерной обработки материалов – М.: ФИЗМАТЛИТ. 2017. 592 с. ISBN 978-5-9221-1712-8.
Katayama S. Spravochnik po lazernoj svarke. – M.: TEKHNOSFERA. 2015. 704 s. ISBN 978-5-94836-420-9.
Катаяма С. Справочник по лазерной сварке. – М.: ТЕХНОСФЕРА. 2015. 704 с. ISBN 978-5-94836-420-9.
Kawahito Y, Mizutani M, Katayama S. Investigation of High-Power Fiber Laser Welding Phenomena of Stainless Steel. Transactions of Joining and Welding Research Institute. 2007;36(2): 11–16.
Jae Y., Sung H., Dave F. Mechanism of keyhole formation and stability in stationary laser welding. Journal of Physics D. Applied Physics. 2002; 35: 1570–1580.
Krivcun I. V., Suhorukov S. B., Sidorec V. N., Koval O. B. Modelirovanie processov ispareniya metalla i gazodinamiki metallicheskogo para v parogazovom kanale pri lazernoj svarke. Avtomaticheskaya svarka. 2008; 10: 19–26.
Кривцун И. В., Сухоруков С. Б., Сидорец В. Н., Ковал О. Б. Моделирование процессов испарения металла и газодинамики металлического пара в парогазовом канале при лазерной сварке. Автоматическая сварка. 2008; 10: 19–26.
Petrovskij B. H., Uspenskij C. A., SHCHeglov P.YU., Gumenyuk A. V., Retmajer M. Issledovanie paro-plazmennogo svarochnogo fakela pri svarke moshchnym itterbievym volokonnym lazerom. YAdernaya fizika i inzhiniring. 2011; 2(2): 159–165.
Петровский B. H., Успенский C. A., Щеглов П. Ю., Гуменюк А. В., Ретмайер М. Исследование паро-плазменного сварочного факела при сварке мощным иттербиевым волоконным лазером. Ядерная физика и инжиниринг. 2011; 2(2): 159–165.
Dilthey U. Kinetic description of keyhole plasma in laser welding. Journal of Physics D. Applied Physics. 2000;33: 2747–2753. DOI: 10.1088/0022-3727/33/21/312.
Solana P., Negro G. A study of the effect of multiple reflections on the shape of the keyhole in the laser processing of materials. Journal of Physics D. Applied Physics. 1997; 30: 3216–3222. DOI: 10.1088/0022-3727/30/23/006.
Jae Y., Sung H., Dave F. Mechanism of keyhole formation and stability in stationary laser welding. Journal of Physics D. Applied Physics. 2002; 35: 1570–1580. DOI: 10.1088/0022-3727/35/13/320.
Hyungson Ki, Pravansu S. Mohanty, and Jyotirmoy Mazumder Multiple reflection and its influence on keyhole evolution. Journal of Laser Applications. 2002;14(1): 39–45. DOI: 10.2351/1.1449885.
Zhang M. J., Chen G. Y., Zhou Y., Li S. C., Deng H. Observation of spatter formation mechanisms in high-power fiber laser welding of thick plate. Applied Surface Science. 2013;280: 868–875. DOI: 10.1016/j.apsusc.2013.05.081.
Grigor’yanc A.G., SHiganov I.N., Misyurov A. I. Tekhnologicheskie processy lazernoj obrabotki / Pod red. A. G. Grigor’yanca. – M.: Izd-vo MGTU im. N. E. Baumana. 2008. 664 p.
Григорьянц А. Г., Шиганов И. Н., Мисюров А. И. Технологические процессы лазерной обработки / Под ред. А. Г. Григорьянца. – М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана. 2008. 664 с.
Li S., Chen G., Katayama S., Zhang Y. Relationship between spatter formation and dynamic molten pool during high-power deep-penetration laser welding. Applied Surface Science. 2014; 303: 481–488.
Honda H., Tsukamoto S., Kawaguchi I., and Arakane G. Keyhole behavior in deep penetration CO2 laser welding. Journal of Laser Applications. 2010;22(2): 43–47. DOI: 10.2351/1.3455815.
Grigor’yanc A.G., Vasil’cov V. V. Prostranstvennaya struktura izlucheniya moshchnyh volnovodnyh i volokonnyh lazerov dlya tekhnologij. Vestnik MGTU im. N. E. Baumana. Ser. «Mashinostroenie». 2012; 5–33.
Григорьянц А. Г., Васильцов В. В. Пространственная структура излучения мощных волноводных и волоконных лазеров для технологий. Вестник МГТУ им. Н. Э. Баумана. Сер. «Машиностроение». 2012; 5–33.
Отзывы читателей
