МЕТОД АНАЛИЗА НОВЫХ ИНФОРМАТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ИЗ ЗОНЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С МЕТАЛЛОМ
, д. т.н., доцент
, аспирант
Казанский национальный исследовательский технический университет им. 420111, 0
E-mail: *****@***ru
При воздействии импульсного лазерного излучения (ЛИ) на металл, в зоне взаимодействия возникают упругие механические колебания с частотой 30-600 кГц. На поверхности образца после такого воздействия наблюдаются ярко выраженные кольца уплотнений металла (рис. 1). Данные кольца характеризуют возникновения механических колебаний в металле [1].
При выделении механической энергии в металле возникают ультразвуковые колебания (УЗК), и при подаче несущей частоты происходит ее модуляция, модуляционная функция которой несет информацию о параметрах технологического процесса (ТП). Анализ зависимости модуляционной функции УЗК от параметров лазерного технологического комплекса (ЛТК) в настоящее время недостаточно полно отражен в литературе.
Рис.1 Фото поверхности образца (материал Ст.45, толщина 8 мм), при фокусировке ЛИ ниже поверхности образца (глубина 1.92 мм, длительность 3 мс и энергия 12.7 Дж).
В связи с этим исследование физических закономерностей взаимодействия ЛИ с металлом, различных методов обработки информативных параметров УЗК в металле и способов расчета оптимальных характеристик систем автоматического управления с целью создания ТП с требуемыми показателями качества является актуальной задачей.
Для обеспечения качества лазерной термообработки необходимо контролировать не только энергетические параметры излучения, но и пространственное распределение плотности мощности. Это обеспечивается за счет выявления новых информативных параметров из зоны взаимодействия ЛИ с металлом и контролем положения фокусного пятна ЛИ по трем координатам, а также энергетический вклад в металл, определяемый температурой зоны взаимодействия. Проведенные экспериментальные исследования физических процессов происходящих в зоне взаимодействия, в металле возникают УЗК, причем их амплитуда и частота коррелированы с объемом зоны.
Период полученных на образце колец отражается на параметрах УЗК. В спектре полученных сигналов УЗК преобладают низкие частоты, поэтому для повышения точности анализа был использован метод модуляции информационным сигналом несущей частоты генератора ультразвука. Модуляция низкочастотных информационных колебаний за счет включения высокочастотных ультразвуковых колебаний (генератора УЗК), несущая частота которых на порядок выше, чем частота исходного УЗК, позволяет более точно определить показатели качества ТП, такие как диаметр отверстия, микротвердость и шероховатость поверхности, точность позиционирования, фокусное расстояние от поверхности. Амплитуда такой модуляционной функции должна быть пропорциональна глубине фокуса ЛИ зоны термического влияния.
Модуляция является нелинейным процессом. В качестве несущего сигнала используется гармоническое колебание:
(1)
Модулирующий сигнал является гармоническим
колебанием:
(2)
Модуляция, таким образом, представляет собой процесс преобразования информационного сигнала на известную несущую частоту, которая отвечает за показатели качества ТП. Позиционирование ЛИ относительно заданных размеров получаемых отверстий позволяет повысить точностные характеристики выполняемой технологической операции и определяется не только за счет программного управления положением фокуса ЛИ, но и за счет оптико-электронного метода измерения относительно начало координат.
Для выделения информационного сигнала из УЗК была разработана структурная схема (рис. 2).
Рис. 2 Структурная схема
Передаточные функции структурной схемы:
Блок питания: 
ОКГ: 
Оптическая система: 
Генератор : 
Деталь: 
Детектор: 
Усилитель: 
АЦП: 
МПС: 
ЧПУ: 
Привод: 
Устройство перемещения: 
Экспериментальные исследования показывают зависимость диаметра отверстия от положения фокуса ЛИ и его энергии. Для оптимизации параметров ЛТК, с целью минимизации энергетических затрат и повышения качества ТП необходимо регулировать энергетические параметры ЛТК, от которых зависит амплитуда и спектральный состав модуляционной функции УЗК.
Анализ взаимосвязи параметров УЗК с показателями качества ТП, позволяет судить об информативности модуляционной функции УЗК о параметрах зоны в процессе воздействия ТП c металлами. В свою очередь, данные параметры определяют как количественные, так и качественные характеристики (факторы) зоны обработки. Формирование микроструктуры и химического состава зоны происходит под действием многих факторов, которые влияют на эксплуатационные характеристики (износостойкость, коррозионную стойкость и т. д.), определяющие их ресурс [2].
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Физические основы лазерной обработки материалов: учебное пособие/ , , // Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2011. -199с.
2. Модель формирования микроструктур в металлах при лазерной обработке/ , , // Проектирование и исследование технических систем: Межвуз. науч. сборник. — Вып.№11. – Наб. Челны: Изд-во ИНЭКА, 2008. — С. 150-154.
