UNIVERZITA PALACKÉHO V OLOMOUCI PŘÍRODOVĚDECKÁ FAKULTA
KATEDRA OPTIKY
BAKALÁŘSKÁ PRÁCE
Monitorování plazmatu generovaného při laserovém svařování
Autor:
Jiří Moudrý
Studijní program:
B1701 Fyzika
Studijní obor:
Optika a optoelektronika
Forma studia:
Prezenční
Vedoucí práce:
RNDr. Hana Chmelíčková
Termín odevzdání práce:
Prohlášení: Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci na téma „Spektroskopie plazmatu vznikajícího při laserovém svařování a jeho vliv na kvalitu svaru“ vypracoval sám, s využitím zdrojů uvedených v seznamu literatury a souhlasím s jejím použitím pro potřeby katedry, včetně libovolné formy prezentace.
V Olomouci dne 9. 5. 2011
Jiří Moudrý
Poděkování: Tímto bych chtěl poděkovat především vedoucí bakalářské práce RNDr. Haně Chmelíčkové za veškeré rady a věcné připomínky týkající se obsahu a faktů práce. Dále pak také za čas a ochotu věnované konzultacím a kontrole.
Bibliografická identifikace:
Jméno a příjmení autora:
Jiří Moudrý
Název práce:
Monitorování plazmatu generovaného při laserovém svařování
Typ práce:
Bakalářská
Pracoviště:
Společná laboratoř optiky UP a Fyzikálního ústavu Akademie věd ČR
Vedoucí práce:
RNDr. Hana Chmelíčková
Rok obhajoby práce:
2011
Abstrakt: Cílem bakalářské práce je ověření vlivu elektronové teploty, jakožto parametru plazmatického oblaku, na hloubku svaru a její případné využití k detekování defektů. Měření
byla
prováděna
pomocí
spektrometru
HR2000+
Ocean
Optics
svařování korozivzdorné oceli AISI 304 pulsním pevnolátkovým laserem Nd:YAG o maximální průměrném výkonu 150 W.
Klíčová slova:
spektroskopie, elektronová teplota, plazma, laser, svar
Počet stran:
36
Počet příloh:
0
Jazyk:
český
při
Bibliographical identification:
Autor’s first name and
Jiří Moudrý
surname: Title:
Laser welding induced plasma monitoring
Type of thesis:
Bachelor's
Department:
Joint Laboratory of Optics of Palacký University and the Institute of the Czech Academy of Sciences
Supervisor:
RNDr. Hana Chmelíčková
Year of presentation:
2011
Abstract: The aim of this work is to prove the influence of the electron temperature as a parametr of the plasma plume on the weld depth. This influence would be used to construct a defect detection loop. The measurement will be done by the spectroscope HR2000+ Ocean Optics during welding of stainless steel AISI 304 on the 150 W average power pulse Nd:YAG laser.
Keywords:
spectroscopy , electron temperature, plasma, laser, weld
Number of pages:
36
Number of appendices:
0
Language:
Czech
Obsah 1. Úvod...............................................................................................................................................1 2. Teoretická část................................................................................................................................2 2.1 Proč laser?...............................................................................................................................2 2.2 Nejčastější současné průmyslové lasery..................................................................................3 2.1.1 CO2 lasery......................................................................................................................3 2.1.2 Tyčinkový Nd:YAG........................................................................................................4 2.2 Průmyslové lasery nové generace...........................................................................................4 2.2.1 Diodové lasery................................................................................................................4 2.2.2 Vláknové lasery...............................................................................................................5 2.2.3 Diskové lasery.................................................................................................................7 2.3 Oblasti užití laserů v průmyslu................................................................................................9 2.3.1 Řezání.............................................................................................................................9 2.3.2 Vrtání..............................................................................................................................9 2.3.3 Povrchové úpravy.........................................................................................................10 2.3.4 Svařování......................................................................................................................10 2.4 Možnosti monitorování svařovacího procesu........................................................................12 2.4.1 Motivace.......................................................................................................................12 2.4.2 Parametry soustavy mající vliv na výslednou kvalitu svaru.........................................13 2.4.3 Proces vzniku plazmatu................................................................................................15 2.4.4 Úvod do spektroskopie.................................................................................................15 2.4.5 Rozhodující je elektronová teplota...............................................................................17 2.4.6 Výpočet elektronové teploty.........................................................................................18 2.4.7 Spektra naměřená pro různé typy laserů.......................................................................19 2.4.8 Návrh soustavy obsahující detekční část uvnitř pracovní hlavy...................................21 3. Praktická část................................................................................................................................23 3.1 Vývoj elektronové teploty v porovnání s penetrační hloubkou pro kontinuální CO2 laser..23 3.2 Parametry soustavy pracoviště SLO.....................................................................................24 3.2.1 Laserový zdroj..............................................................................................................24 3.2.2 Spektrometr...................................................................................................................24 3.3 Experimentální ověření vlivu elektronové teploty na hloubku penetrace pro pulsní Nd:YAG laser..............................................................................................................................26 3.4 Měření hloubky průvaru.......................................................................................................31 3.5 Diskuze výsledků..................................................................................................................32 4. Závěr..............................................................................................................................................33
5. Dodatek I.......................................................................................................................................36
1. Úvod Lasery se díky svým unikátním vlastnostem používají ve všech oblastech lidské činnosti. Pro mnohé lidi mohou být jejich vlastnosti a možnosti někdy až neuvěřitelné a toho si jsou obchodníci velmi dobře vědomi. Důvodem použití laserů v průmyslu ovšem není nikoho ohromovat. Zde se naskytuje možnost využít jejich vlastností k něčemu praktickému a velmi efektivnímu. Především technologie krystalových laserů se až donedávna potýkala s velmi nízkou účinností a vysokými pořizovacími náklady, což v důsledku její ekonomickou výhodnost snížilo, někdy i zastínilo. Problémy s účinností se v poslední době daří eliminovat především díky zdokonalení laserových diod. A ačkoliv jsou pořizovací náklady stále velmi vysoké, postupně klesají. Proto se zde otevírá cesta k jejímu většímu využití. Oblastí užití laseru v průmyslu se naskytuje mnoho zejména díky jejich unikátním vlastnostem. Jednou ze zmíněných oblastí je svařování, kde lze docílit hlubokých, kvalitních svarů, aniž by byl produkt vystavován mechanickému tlaku nebo byla zasažena velká oblast vlivem teplotního působení. Navíc se zde rýsuje možnost sledování hloubky průvaru a detekce případných defektů. A to v reálném čase, čímž by se dalo docílit nižší zmetkovosti, která má velký vliv na ekonomickou i ekologickou stránku výroby.
Na základě výše zmíněných faktů a toho, že také patřím mezi lidi, které lasery fascinují, jsem si zvolil následující téma bakalářské práce. Tato bakalářská práce je věnována výzkumu toho, jak pomocí spektrální analýzy plazmatu vznikajícího při laserovém svařování zjistit jeden z hlavních ukazatelů kvality svaru, a to jeho hloubku.
V teoretické části práce budou představeny v současnosti nejpoužívanější typy průmyslových laserů a jejich nástupci. Budou nastíněny oblasti, kde se laserů nejčastěji využívá a také bude navrženo, odkud a jakým způsobem by bylo teoreticky možné zjistit hloubku průvaru. Tento postup je ovšem zatížen několika problémy, které si osvětlíme a navrhneme jejich řešení. V praktické části poté ověříme, zda-li je možné na základě tohoto postupu monitorovat hloubku svaru v reálném čase.
1
2. Teoretická část 2.1 Proč laser?
Laser z anglického „Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation „ se stává stále častěji součástí každodenního života ať už v podobě CD, DVD či Blueray disků, datových přenosů pomocí optických vláken, měření vzdáleností v geodézii a využití nachází také v medicíně. V poslední době se podařilo velmi zvýšit výkon a také již zmíněnou efektivnost laserů. Především výkon je pro průmysl důležitým parametrem. Jsou zde využívány hlavně vysocevýkonné lasery na všemožné druhy zpracování a opracování materiálů. Důvodů, proč pro daný úkon využít laseru, je mnoho a vzápětí budou uvedeny. Příkladem perspektivy této technologie může být automobil VW Golf, kde při výrobě vozů čtvrté generace bylo vyprodukováno 6 m laserového svaru a v páté generaci již dokonce 72 m tohoto svaru.
Výhody laseru Přesnost a kvalita Standardní přesnost se u této technologie pohybuje kolem 0,05 mm při řezání. Hrany řezu jsou navíc jen minimálně zdeformované s úkosem okolo 1° a pro většinu užití již nepotřebují žádnou výraznější úpravu, jako je například broušení. Vrtáním pomocí laseru lze vytvářet úzké a hluboké otvory a při svařování laser nabídne možnost docílit hlubokých průvarů s velkou přeností při zachování minimální šířky svaru.
Bezkontaktnost Tato metoda je bez mechanického kontaktu s výrobkem, což zaručuje, že se předmět nijak mechanicky dále nepoškodí a také je zde možnost využití ochranné atmosféry, popřípadě jiných plynů pro urychlení procesu atd.
Dostupnost Úprava materiálu může být prováděna v těžce přístupných místech, různě tvarovaných plochách apod. Nejmodernější lasery lze fokusovat i několik desítek cm od výstupu z laserové hlavy při zachování ohromné přesnosti. Příklad užití je tzv. „Remote welding“. 2
Pnutí Oblast zasažená tepelnými účinky při užití laseru je velmi malá, díky čemuž je omezena možnost následné deformace předmětu vlivem vnitřního pnutí.
Univerzalita Většinou není problém užít průmyslový laser při řezání i svařování, což řada jiných technik nenabízí. Příkladem budiž řezání vodním paprskem.
Nevýhody laseru Vysoké pořizovací náklady Náklady na pořízení stroje schopného obrábění se pohybují v milionech korun.
Energie S velmi nízkou účinností se potýkají především starší, výbojkami buzené, pevnolátkové lasery. V současnosti se daří tento problém eliminovat především díky zdokonalení laserových diod, které bývají kvůli své vysoké účinnosti používány i pro buzení dalších typů laserů.
2.2 Nejčastější současné průmyslové lasery
2.1.1 CO2 lasery Plynový CO2 laser, je jediným zástupcem průmyslových laserů s aktivním médiem v plynné formě. Disponují možností užití vyšších výkonů, až desítky kW s tím, že systémy o výkonu do 6 kW se využívají hlavně pro řezání. Systémy o vyšších výkonech se využívají jak pro řezání a tepelné zpracování kovů i nekovových materiálů, tak především pro svařování. Ač mají tyto lasery poměrně velký výkon, tak hustotu výkonu uvnitř aktivního média mají oproti pevnolátkovým laserům malou a aby bylo dosaženo velkého výkonu, musí být zařízení vysokoobjemové, tudíž rozměrné. Tyto typy laserů mohou pracovat jak v kontinuálním, tak i pulsním módu, a to na vlnové délce 10 600 nm. Problémem u této vlnové délky je, že ji nelze vést optickým vláknem. Proto je přenos uskutečňován pomocí soustavy zrcadel, která je však velmi náročná na seřízení. Fokusace bývá prováděna především chlazenými zrcadly. Delší vlnová s sebou přináší ovšem i výhody v 3
podobě větší hloubky ostrosti, což je důležitá vlastnost zejména při obrábění tlustých ocelí. Plynové CO2 lasery jsou v současnosti nejrozšířenějším druhem laseru používaného v průmyslu.
2.1.2 Tyčinkový Nd:YAG Laser Nd:YAG s tyčinkovým krystalem je pevnolátkový laser, kde aktivní prostředí je tvořeno matricí z yttrium-aluminium-granátu s příměsí neodymu, jakožto prvku schopného vynucené emise. Tento krystal, dopovaný neodymem, je velmi stabilní a nabízí značně vyšší hustotu energie oproti plynnému CO2. Nd:YAG lasery mohou pracovat jak v kontinuálním, tak pulsním režimu, a to do výkonu až 10 kW. Díky vlastnostem generovaného záření se využívají především pro svařování, vrtání a značení kovů. Jejich výhodou je také skutečnost, že svazek z těchto laserů může být přenášen pomocí optických vláken, čehož se využívá při nasazení robotů ve výrobě. Nd:YAG lasery pracují v blízké infračervené oblasti 1064 nm a disponují svazkem s dobrou fokusovatelností. Díky své vlnové délce mohou řezat i materiály jako zlato a stříbro, které jsou pro CO2 laser neřezatelné. V minulosti byly pro buzení těchto laserů užívány výbojky, které s sebou nesly velmi malou výslednou účinnost, dnes se přechází k laserovým diodám, což citelně zvyšuje účinnost (až kolem 20 %) a snižuje spotřebu vody na chlazení.
2.2 Průmyslové lasery nové generace
Kvůli nízké účinnosti stávajících laserů se stále vyvíjí nové typy a ty přinášejí podstatně zajímavější parametry. Nové typy laserů pro průmysl by se v podstatě daly rozdělit do tří skupin:
2.2.1 Diodové lasery Tato technologie není úplně nejnovější, avšak až v posledních letech začaly diodové lasery dosahovat požadovaných výkonů, v sestavě se dosahuje výkonu až 8 kW. Největší odlišností od klasických laserů je u diodových laserů typ výstupního svazku. V tomto případě záleží na způsobu přenášení energie svazku na pracovní plošku. Ve své podstatě vyzařují diodové lasery pravoúhlý svazek s rovnoměrným rozložením energie, což může být v určitých případech, jako je například kalení povrchu materiálu, výhodou. Účinnosti se pohybují velmi vysoko, okolo 70 %. Vlnové délky diodových laserů užívaných v průmyslu se pohybují v rozmezí 790-980 nm. Zajímavostí je jejich poměrně snadná přeladitelnost vlnové délky a to jen díky odlišným příměsím v polovodiči. Díky
4
účinnosti a vlnovým délkám jsou diodové lasery vhodné i pro buzení neodymových a ytterbiových laserů, které mají absorpční spektrum velmi blízké vyzařovacímu spektru těchto laserů. Nevýhodou je ovšem poměrně výrazná závislost generovaného svazku záření na teplotě polovodiče.
Obr. 1 - diodový laser Rofin DL 036R určený především pro povrchové úpravy. Dostupné výkony 0,9 – 3,6 kW. (Převzato z [1])
Mezi největší přednosti diodových laserů patří: - kompaktní a malá konstrukce - vysoká účinnost – pohybuje se okolo 70 % - dlouhá životnost – životnost diody je kolem 100 000 hodin
Nevýhody: - velká rozbíhavost výstupního svazku - vysoká citlivost generovaného záření na teplotu polovodiče
2.2.2 Vláknové lasery Na rozvoji této technologie mají velký podíl laserové diody, kterými bývají vláknové lasery čerpány. Vyznačují se dvěma na sebe navazujícími vlákny se společným jádrem. První vlákno má jádro dopované prvky vzácných zemin a je použito jako rezonátor. Aby se záření ve vlákně odráželo, je na konci této části vlákna vyryta Braggova mřížka, která způsobuje odraz pro určité 5
vlnové délky (vztah (1)). Druhé vlákno potom slouží pro přenos svazku. Díky tomuto principu lze dosáhnout vyšších výkonů a účinnosti, protože rezonátor v podobě vlákna lze vyrobit prakticky libovolně dlouhý. Vysokého výkonu vláknových laserů, potřebného pro užití v průmyslu, se zároveň dosahuje užitím dvouplášťových vláken, princip popsaný na obrázku 2. Díky tomuto principu lze pro čerpání použít mnohamódových výkonových diod, kterých lze navíc použít více a navázat jejich svazky do jednoho vlákna, ve kterém poté probíhá generování vlastního laserového záření. Pro extrémní výkony je možno použít více vláknových laserů a jejich svazky prostorově složit, což ovšem zvyšuje rozbíhavost výsledného svazku. Vlnová délka je různá a je určena prvky vzácných zemin obsažených v jednomódovém jádře. Nejvíce užívané bývá především ytterbium, dále lze použít neodym nebo erbium. Bragg=2 n eff (1)
Ve vztahu (1) je uvedena závislost Braggovy rezonanční vlnové délky λBragg na periodě mřížky Λ a efektivním vidovém indexu lomu neff.
Obr. 2 - řez a způsob čerpání vláknového laseru. (Převzato z [2]). a) řez optickým vláknem laseru b) profil rozložení indexu lomu ve vlákně c) princip čerpání vláknového laseru
6
Obr. 3 - komponenty vláknového laseru včetně ukázky slučování čerpání z více diod. (Převzato z [2])
Výhody: - malá divergence jednomódového svazku - vysoké výkony, dnes až 10 kW při užití jednoho vlákna - vysoká stabilita, kompaktnost a malé rozměry - vysoká konverzní účinnost, například pro ytterbium až 80 % čerpání, což při použití diody s účinností 40 % dává výslednou účinnost 32 % - jednoduché chlazení vzduchem díky parametrům rezonátoru
Nevýhody: - je potřeba zajistit účinnou absorpci celého čerpání (u kruhového průřezu vlákna se absorbují pouze meridiální paprsky, zatímco mimoosové nejsou tlumeny) navázání čerpání a signálu do vlákna - fyzikální omezení optického výkonu přiváděného jediným vláknem je odhadnuto na 10-20 kW
2.2.3 Diskové lasery Dají se považovat za jakousi obdobu Nd:YAG laserů, matrice YAG zůstala zachována, pouze neodym vystřídalo ytterbium. Pro matrice YAG se v současnosti nejvíce využívá ytterbia z důvodu jeho atomových rozměrů, které lépe odpovídají velikosti zrn krystalu YAG a díky tomu lze docílit značně vyšší koncentrace tohoto prvku v aktivním prostředí (až 20 %, neodym dovoluje 7
dosáhnout koncentrace okolo 1 %). Jak název napovídá, aktivní prostředí je zde ve tvaru disku a jeho umístění v rezonátoru je odlišné od tradičních Nd:YAG laserů. Tvar aktivního prostředí, rezonátoru a způsob buzení jsou znázorněny na obr. 4. Pro čerpání diskových laserů jsou používány laserové diody, stejně jako v případě vláknových laserů, ovšem z principu fungování mohou být použity diody s nižší kvalitou svazku než v případě laserů vláknových, kde je svazek z diod navazován do vlákna a tudíž musí mít menší rozbíhavost. To má vliv jednak na výslednou cenu přístroje, ale také na výkon, který je možné odebírat z diody. Celkový optický výkon je také závislý na druhé mocnině plochy, jíž je zde generován. Především z těchto dvou důvodů mohou diskové lasery dosahovat velmi vysokých výkonů při zachování téměř neměnné kvality výstupního svazku. Navíc je možné disky zapojit opticky do série a tím ještě zvýšit výkon. Komerční stroje se čtyřmi disky dosahují výkonů kolem 16 kW.
Výhody: - kvalitní svazek s vysokými výkony - čerpání nevyžaduje příliš kvalitní laserové diody
Obr. 4 - umístění disku v rezonátoru a způsob čerpání. (Převzato z [3])
8
2.3 Oblasti užití laserů v průmyslu
2.3.1 Řezání
Laseru se nejvíce užívá pro výrobu malých sérií, často se měnících tvarů výřezku, při řezání už vyformovaných dílů a při řezání se zvýšenou přesností. Prakticky jediným požadavkem na zpracovávané díly je jejich malá reflexivita pro danou vlnovou délku. Toto odvětví zpracovávání materiálů je doménou pro vysocevýkonné lasery, jejichž svazek je po opuštění rezonátoru laseru fokusován na povrch materiálu, který se natavuje a poté je pomocí řezných plynů přiváděných koaxiální tryskou vyfukován. Pro řezání kovů je řezným plynem nejčastěji kyslík nebo dusík. Při použití kyslíku jako řezného plynu („flame cutting“), obvykle při tlaku do 6 barů, dochází na povrchu materiálu k oxidaci, při níž se uvolňuje další energie, což umožňuje řezat rychleji, popřípadě i silnější vrstvy, avšak použití kyslíku není vždy možné. Kyslík nelze použít zejména při řezání korozivzdorných materiálů nebo slitin hliníku, kdy i účast malého množství tohoto plynu může způsobit ztrátu jeho vlastností v oblasti řezu nebo velké drsnosti řezu a otřepků v případě slitin hliníku. Inertních plynů a dusíku („fusion cutting“) je většinou užíváno při řezání nekovových a již zmíněných nerezuvzdorných a hliníkových materiálů. Inertní plyny zde sloužící pouze k odstranění taveniny a odpařeného materiálu. Pro tento účel je nutno použít tlak plynu od 9 – 25 barů v závislosti na tloušťce materiálu.
2.3.2 Vrtání
Vrtání je založené na odpařování materiálu a je to oblast, kde je požadovaná co nejvyšší hustota plošného výkonu. Při tomto procesu nachází největší uplatnění pulsní lasery s co nejkratší možnou délkou pulsu a velmi dobrou fokusovatelností, aby bylo docíleno požadovaného plošného výkonu. Tyto nároky nejlépe splňují pulsní Nd:YAG lasery. Při laserovém vrtání lze docílit velmi malých otvorů s průměrem až 10 µm, vysoké přesnosti otvorů a velmi malého teplotního ovlivnění.
9
2.3.3 Povrchové úpravy
Laser se velmi často používá i při povrchových úpravách. Při kalení materiálu se uplatňují hlavně diodové lasery kvůli vlastnostem jejich svazku, kde je plošná hustota výkonu prakticky konstantní v celém průřezu svazku, který je poměrně široký. Dále se například také využívá při gravírování, značení a v neposlední řadě také k zušleťování povrchů materiálů v podobě natavení dalších kovů na povrch.
2.3.4 Svařování
Stěžejní částí této práce je laserové svařování. Svařování pomocí laserů se dělí na dva základní typy dané především plošnou hustotou výkonu dopadajícího na materiál a následnými změnami fáze.
Povrchové svařování, oblast pro nižší hustoty výkonu, je založeno pouze na vedení tepla materiálem. Při tomto procesu se energie dopadajícího svazku absorbuje a pak díky tepelné vodivosti šíří v malém prostoru kolem bodu dopadu svazku, čímž roztaví materiál v této oblasti. Z tohoto principu plyne, že hloubka svaru nemůže dosahovat velkých hodnot, což je navíc omezeno již zmíněnou hustotou dopadajícího výkonu, která při dosažení kritické hodnoty, empiricky 1 až 5 x 106 W.cm-2, způsobí odpařování materiálu.
Hluboké svařování, nebo také „keyhole“ svařování, nastává při překročení kritické hodnoty plošné hustoty výkonu. Svazek v místě dopadu kov odpaří, vznikající kovové výpary jsou ionizovány a vzniká plazma. Toto plazma, které je při hlubokém svařování vždy přítomno, už dále pohlcuje pouze malé množství energie svazku, tudíž příliš neovlivňuje hloubku a šířku závaru. Ovšem v případě vzniku defektu by se tato událost mohla promítnout do jeho spektra. V místě odpaření kovu vzniká „kapilára“ přibližně o průměru 1,5 – 2 krát průměru svazku v ohnisku, která se udržuje otevřená kvůli tlaku plynů uvnitř. Díky této „kapiláře“ se laserový svazek dostane hlouběji a uvnitř se absorbuje při mnohonásobném odrážení po stěnách, což způsobí tavení stěn. „Keyhole“ se po posuvu svazku vlivem povrchového napětí roztavených kovů opět uzavírá. Udržet stabilní keyhole však není tak snadné a stabilita závisí na mnoha parametrech, například na
10
svařovaném materiálu, polarizaci, vlnové délce laseru, rychlosti posuvu a mnoha dalších. Tento způsob svařováni je značně účinnější a lze jím dosáhnout podstatně hlubších průvarů.
Zajímavost – Mezi povrchovým a hloubkovým svařováním je i obrovský rozdíl v procentuální absorpci laserového záření. V případě vyleštěné nerezové oceli AISI 304 je odraz svazku CO2 laseru až 98 % při pokojové teplotě. Ovšem při růstu teploty ocelového štítku se odrazivost snižuje a při povrchovém svařování se už účinnost absorpce pohybuje kolem 16 % a při hloubkovém svařování dokonce 65 %. [4] Vysoká účinnost hloubkového svařování je dána nejen vyšší teplotou procesu, ale především vícenásobným odrazem laserového svazku uvnitř keyhole.
a) povrchové svařování
b) hloubkové svařování 1 – odpařený materiál 2 – roztavený materiál 3 – laserový svazek („keyhole“) 4 – hloubka průvaru
Obr. 5 - ilustrace rozdílu mezi povrchovým a hloubkovým svařováním. (Převzato z [5])
V prvním případě lze vidět, jak se svazek pouze posouvá po povrchu a natavuje velmi nízkou horní vrstvu materiálu. Nedochází zde k žádnému výraznému odpařování a prakticky všechen roztavený materiál zůstane na vzorku, kde opětovně ztuhne. Světle modrou barvou je zde naznačen roztavený materiál a tmavější modrou barvou hloubka svaru. Na druhé části obrázku je vidět, jak laserový svazek proniká do velkých hloubek. Je zde znázorněn unikající odpařený materiál tzv. „plume“ obsahující plazma (1), dále pak roztavený materiál (2), „keyhole“ (3) a hloubka průvaru (4). 11
2.4 Možnosti monitorování svařovacího procesu
2.4.1 Motivace K zjištění kvality a pevnosti jednotlivých výrobků se v průmyslu nejčastěji využívá toho, že daný díl, popřípadě celý výrobek, vystavíme extrémní situaci a tím ho rozbijeme. Podle toho, jak a kde se výrobek rozpadl, můžeme identifikovat jednotlivé vady a poté upravit procesní parametry odpovídajících strojů tak, aby tyto vady již v budoucnu nenastaly. Ovšem tento postup je nevýhodný nejen ekonomicky. Ač jsou parametry stroje stále stejné, tak u některého dílu může dojít k defektu a třeba u testovaného právě ne. K odhalení defektů lze využít například také rentgenového záření. Touto metedou se ovšem nedá zjistit hloubka průvaru. Jak je možné si domyslet, jedny z nejhorších následků to bude mít v případě svařování. Proto by bylo velmi žádoucí, mít přehled o kvalitě daného svaru buď ihned po vyrobení, aniž bychom ho zničili, nebo ideálně okamžitě při procesu svařování. A tím mít možnost výslednou kvalitu okamžitě ovlivnit. Přesně tyto výhody nám může nabídnout spektroskopie plazmatu odpařovaného materiálu.
Při svařování je tradičně nejdůležitějším aspektem dosažená hloubka svaru. Tato hloubka má rozhodující vliv na pevnost a životnost tohoto druhu spojení. Návrhů, jak určit tuto hloubku ještě v průběhu sváření, bylo publikováno již několik, ovšem zatím žádný nedosáhl velkého rozšíření. Například byla uveřejněna technologie založená na 2D modelu teplotní vodivosti materiálu a předpokladu kuželovitého tvaru „keyhole“. [6] V tomto modelu vystupují vlastní výkon laseru a Pécletovo číslo jako dva parametry spojené s penetrační hloubkou. Pécletovo číslo (vztah (2)) je funkcí rychlosti svařování, poloměru keyhole a teplotní vodivosti.
P e≡
cpU d (2)
kde ρ je hustota tekutého kovu, cp jeho tepelná kapacita, U značí rychlost pohybu této tekutiny (v našem případě rychlost posuvu „keyhole“), d je délka posuvu a λ tepelná vodivost.
Ještě než bude diskutován další návrh na sledování penetrační hloubky, je vhodné mít přehled o veličinách, které mají na tento parametr svaru rozhodující vliv.
12
2.4.2 Parametry soustavy mající vliv na výslednou kvalitu svaru Kvalita laserového svaru, míněno ve smyslu hloubky průvaru a absence defektů, se odvíjí od mnoha různých parametrů, od samotného výkonu svazku, přes nerovnosti svařované plochy, která souvisí s polohou pracovní plošky vůči ohnisku soustavy, až po vlastnosti samotného svařovaného materiálu. Avšak vlastnosti jako nerovnosti vzorku, jeho složení a další jsou sice významné, ale nemůžeme je v průběhu svařování ovlivňovat, tudíž se jimi nebudeme nyní zabývat.
Parametry, které můžeme během procesu měnit, jsou uvedeny níže. Při svařování pulsním laserem se navíc objevuje ještě několik dalších parametrů, které mají vliv na hloubku průvaru, ale při sváření kontinuálním laserem se nevyskytují. Jedná se o dobu trvání pulsu, opakovací frekvenci a s tím související výkon na jeden puls, tzv. „vrcholový výkon“.
Parametry laseru mající vliv na svar: •
Průměrný výkon P av =E⋅f
•
E Vrcholový výkon P peak = t
•
Průměr svazku v místě interakce s látkou
•
Doba trvání pulsu t ms
•
Opakovací frekvence
•
Energie pulsu
D mm
f Hz
E J
Parametry jsou mezi sebou provázané a tak nelze například zachovat neměnnou délku pulsu a jeho energii, když zvýšíme výkon laseru v době pulsu.
Abychom byli dále schopni analyzovat průběh svařování a ovládat ho, je důležité znát vliv těchto parametrů na hloubku průvaru. Některé hodnoty jsou uvedeny v tabulkách níže, další budou pouze diskutovány. Uvedené hodnoty byly naměřené v rámci projektu CLET na oceli AISI 304. [7]
13
Vliv vrcholového výkonu napětí [V]
průměr [mm]
délka pulsu [ms]
frekvence pulsu [Hz]
energie pulsu [J]
vrcholový výkon [kW]
hloubka průvaru [mm]
300
1,0
8
10,0
19,9
2,5
0,40
315
1,0
8
8,5
22,6
2,8
0,50
325
1,0
8
8,0
24,5
3,1
0,56
Z naměřených údajů je patrný přímý vliv vrcholového výkonu laserového svazku na penetrační hloubku při zachování stejného průměru pracovního bodu. To vede k navýšení plošné hustoty výkonu dopadající na materiál, která je rozhodujícím parametrem pro rychlost tavení a odpařování materiálu.
Vliv průměru svazku v místě interakce napětí [V]
průměr [mm]
délka pulsu [ms]
frekvence pulsu [Hz]
energie pulsu [J]
vrcholový výkon [kW]
hloubka průvaru [mm]
300
0,7
8
10,0
19,9
2,5
1,10
300
0,8
8
10,0
19,9
2,5
1,00
300
0,9
8
10,0
19,9
2,5
0,79
300
1,0
8
10,0
19,9
2,5
0,40
Údaje naměřené v tabulce dokazují předpokládanou závislost hloubky průvaru na průměru pracovního bodu tak, že čím bude stopa svazku v průměru menší, tím větších hloubek lze dosáhnout. To je důsledek již zmíněného nárůstu plošné hustoty dopadajícího výkonu.
Doba trvání pulsu – s rostoucí délkou pulsu se zvyšuje hloubka provaření v důsledku dopadu většího množství energie.
Frekvence pulsu – čím bude použita vyšší opakovací frekvence, tím poroste průměrný výkon i dosažená hloubka, protože materiál ještě nestihne vychladnout a pulsy se budou více překrývat.
Energie pulsu – při zachování délky trvání pulsu se zvýší vrcholový výkon dopadající na materiál a tím i hloubka průvaru.
14
2.4.3 Proces vzniku plazmatu Při laserovém svařování dochází k částečnému odpaření svařovaného materiálu. Tato odpařená část je nadále zahřívána částečnou absorpcí přicházejícího laserového svazku, což má za důsledek vysoké překročení teploty vypařování a následnou přeměnu kovového plynu na plazma. Toto plazma společně s excitovanými atomy a ionty se běžně označuje anglickým „plume“ (dále „oblak“), uniká z keyhole ve směru do přicházejícího laserového svazku a vykazuje velmi vysokou radiaci zejména v oblasti viditelného spektra. Velikost a dynamika tohoto oblaku musí být regulována proudem inertního plynu, protože za předpokladu zvýšeného výskytu může, v důsledku částečné absorpce svazku, dojít ke snížení dopadajícího optického výkonu a rozostření svazku. To může vyústit v nestabilitu keyhole nebo jejích parametrů, mezi které patří i její hloubka, která následně určuje celkovou hloubku průvaru. [8] Vliv výkonu a zaostření svazku byl prokázán v části 2.4.2 – „Parametry soustavy mající vliv na výslednou kvalitu svaření“.
Jednou z možností monitorování tohoto oblaku je měření prostorové optické intenzity pomocí fotodiod [9]. Touto technikou se zabývá poměrně hodně prací a v poslední době se začíná užívat i více fotodiod citlivých na různé frekvenční oblasti k dosažení dalších informací o svařovacím procesu. Jako určitá nadstavba tohoto postupu může být nahrazení fotodiod spektrometry, jež dovolují dosáhnout detailní spektroskopickou analýzu širších spektrálních oblastí. Díky této analýze jsme schopni monitorovat dynamiku kovového oblaku a z ní následně určit stabilitu keyhole a dopad na hloubku průvaru.
2.4.4 Úvod do spektroskopie Existuje více druhů spektroskopií. V našem výzkumu však bude významná pouze elektromagnetická spektroskopie, tudíž se následující odstavce věnují pouze tomuto druhu spektroskopie, speciálně pak blízké infračervené a viditelné oblasti spektra, částečně i UV oblasti.
Spektroskopie je fyzikální obor zabývající se vznikem a složením spekter. Zkoumání měření spekter je založeno na vlastnosti, že žádný atom nebo molekula různého druhu nevyzařuje, popřípadě neabsorbuje, stejnou frekvenci elektromagnetického záření. Proto jsme při sledování složení spektra schopni říct, jaké prvky jsou v látce zastoupeny. Následně změřením intenzity odpovídající frekvence elektromagnetického záření můžeme stanovit i poměr zastoupení těchto 15
prvků ve vzorku.
Spektroskopie je ale schopna říci o pozorovaném objektu ještě mnohem víc.
Díky vlnové délce přicházejícího záření jsme schopni určit, při jakém procesu v atomu byla tato vlnová délka emitována. Například viditelná část spektra odpovídá přechodům elektronů mezi energetickými hladinami, naproti tomu gama záření je způsobeno přechody nukleonů z jedné energetické hladiny na jinou.
Nejjednodušší způsoby, jak docílit rozložení světla do spektra, jsou dva. První je založen na difrakci světla, ať už na mřížce či jiném předmětu, druhý způsob je pak založen na lomu světla.
Difrakce světla K tomuto jevu dochází podle zákonů vlnové optiky při dopadu světla na překážku, která je rozměrově srovnatelná s vlnovou délkou dopadajícího záření. Jev může nastat buď na úzké štěrbině nebo při ohybu na ostré hraně. Při přechodu za překážku nastává k různému odklonění různých vlnových délek. Proto je možné na stínítku za překážkou pozorovat difrakční obrazce. Záření se ohýbá tím více, čím je vlnová délka větší. Ve spektroskopii se tohoto jevu nejvíce využívá při difrakci na mřížce. Při dopadu bílého světla (polychromatické spektrum) na mřížku dojde k difrakci tak, že hlavní řád difrakčního obrazce zůstane bílý a nižší řády budou rozloženy do spekter. Jev difrakce je znázorněn na obrázku 6.
Obr. 6 - znázornění difrakce světla na mřížce. (Převzato z [10])
V obrázku bylo použito monochromatické světlo. Pro polychromatické světlo by znázornění vypadalo stejně, pouze světlá místa ohybového obrazce by byla zbarvena tak, jak bylo popsáno výše.
16
Lom světla Při průchodu polychromatického záření transparentním prostřením může prostředí vykazovat pro různé frekvence různou susceptibilitu. Index lomu prostředí je potom pro různé frekvence odlišný – proces disperze světla. To má za důsledek rozložení polychromatického světla na spektrum při průchodu optickým hranolem. Ve spektroskopii se tohoto efektu příliš nevyužívá. Lom světla je znázorněn na obrázku 7.
Obr. 7 – rozložení bílého (polychromatického) světla do barevného spektra pomocí optického hranolu. (Převzato z [11])
2.4.5 Rozhodující je elektronová teplota Je důležité zmínit, že tento výzkum nebyl prováděn na konkrétně teoreticky odvozeném vztahu mezi určitým parametrem oblaku a penetrační hloubkou svaru. Toto měření je založeno na faktu, že kovový oblak může určitým způsobem ovlivnit svařovací podmínky a tím mít dopad na výsledný svar. Jako základní veličina charakteristická pro tento oblak se jeví jeho energie. Přijmeme-li předpoklad, že oblak je v lokální termodynamické rovnováze (viz dále), pak může být charakteristickou veličinou střední hodnota energie.
Střední hodnota energie kovového oblaku závisí na druhé mocnině rychlostí částic. Tyto rychlosti jsou ovlivňovány výkonem, který dopadl na materiál a také následným pohlcováním energie laserového svazku. Proces následného pohlcování energie ze svazku je popsán jako inverzní efekt brzdného záření. V našem výzkumu je zde důležité jen to, že v případě absorpce fotonu laserového záření elektronem dojde k navýšení jeho rychlosti. Jako následek navýšení rychlosti je růst střední energie elektronů, kterou také lze vyjádřit vztahem:
17
3 2
〈 E 〉= k B 〈 T e 〉 (3)
kde E značí střední energii elektronů, kB je Boltzmanova konstanta a Te je střední elektronová teplota. Z tohoto vztahu je jasně patrná přímá závislost mezi střední hodnotou energie a elektronovou teplotou. Elektronovou teplotu ovšem není příliš těžké teoreticky určit a poté ani měřit, proto se v důsledku přímé závislosti mezi těmito dvěma veličinami jeví právě elektronová teplota výhodnější [7], [12].
2.4.6 Výpočet elektronové teploty Stanovení hodnoty elektronové teploty je možné za předpokladu, že je splněna podmínka místní teplotní rovnováhy. To znamená, že energie atomů a iontů plazmatu je dána Maxwellovským rozdělením a uvnitř plazmatického oblaku dochází k výměně energie převážně v podobě vzájemných kolizí částic [12], [13]. Aby byla tato podmínka splněna, musí být dosaženo vyšší hustoty elektronů, než je dána kritickou hodnotou: 1
N e ≥1,6 ×10 12 T e2 E 3 (4)
kde Ne je hustota elektronů, Te elektronová teplota a ∆E odpovídá rozdílu energií mezi nejvyšší a nejnižší energetickou hladinou zkoumaných prvků.
Za předpokladu, že je splněn vztah (4) pro hustotu elektronů, je rozdělení elektronů na jednotlivých energetických hladinách dáno Boltzmanovým vztahem:
N k=
−E k N g k exp (5) Z kT e
kde Nk je počet elektronů na k-té energetické hladině, N celkový počet elektronů, Z partiční funkce a gk statistická váha. Pro intenzitu vyzářenou elektrony při přechodu z k-té na i-tou energetickou hladinu platí vztah: I ki =N k A ki h ki (6)
18
kde Aki vyjadřuje pravděpodobnost přechodu a hνki odpovídá rozdílu energií mezi k-tou a i-tou energetickou hladinou.
Díky sledování intenzit dvou spektrálních čar stejného prvku s rozdílnými energiemi Ek,pro které platí: E k 1−E k 2kT (7)
jsme schopni z rovnic (5) a (6) vyloučit hodnotu celkového počtu elektronů a partiční funkci. Vztah (7) pouze zaručuje, aby nebyly vybrány spektrální čáry odpovídající stejným horním energetickým hladinám. Pro poměr těchto dvou intenzit tedy dostáváme: I 1 A 1 g 1 2 E −E m 1 = exp m 2 (8) I 2 A2 g 2 1 Te
a odtud finálně vztah mezi elektronovou teplotou a optickými intenzitami dvou spektrálních čar:
T e=
E m2− E m1 I 1 A 2 g 2 1 (9) ln I 2 A 1 g 1 2
2.4.7 Spektra naměřená pro různé typy laserů. Experimentálně bylo zjištěno, že naměřená spektra se pro Nd:YAG a CO2 lasery výrazně liší (Obr. 8). To by mohlo mít neblahé důsledky pro celý výzkum. Ovšem jsou zde výrazné spektrální čáry společné pro oba druhy laserů, díky jimž je možno elektronovou teplotu stanovit nezávisle na aktuálně užitém druhu laseru. Jeden dopad tu přece jenom zůstává. A to ten, že i pro teplotu určenou pro stejnou dvojici spektrálních čar, bude elektronová teplota signalizující jistou hloubku provaření pro každý laser jiná.
19
Obr. 8 - intenzita elektromagnetického záření v závislosti na její vlnové délce naměřená pro plynný CO2 laser (a) a pro pevnolátkový Nd:YAG laser (b). (Obrázek převzat z [8])
Výrazně odlišné hodnoty naměřených spekter jsou důsledkem toho, že absorpce laserového záření v podobě jevu inverzního brzdného záření přímo závisí na kvadrátu vlnové délky. Díky tomu v případě užití Nd:YAG laseru s vlnovou délkou 1 064 nm dochází pouze k velmi nepatrné absorpci laserového záření oblakem. Proto se výsledný graf více podobá záření černého tělesa než záření plazmatu, jako je tomu v případě CO2 laseru. Ovšem když se z grafu pro Nd:YAG odečte intenzita záření, která by odpovídala záření absolutně černého tělesa, vystoupí zde již zmíněné výrazné spektrální čáry společné pro svařování oběma druhy laseru [8], [12].
Na základě výše zmíněné rozdílnosti spekter byly vybrány spektrální čáry společné pro oba typy laserů, dále splňující podmínku, aby nebyly ovlivněny vlastní absorpcí a náležely rozdílnému multipletu stejného chemického prvku. Tyto vybrané spektrální čáry jsou uvedeny v tabulkách níže.
20
Tabulka vybraných spektrálních čar pro ionty železa (Fe I) vlnová délka [nm] gk 421,91
13
431,47
5
513,37
13
516,67
7
517,09
9
523,28
11
Tabulka vybraných spektrálních čar pro ionty chrómu (Cr I) vlnová délka [nm] gk 457,96
3
459,15
5
459,54
13
469,82
7
478,90
11
480,10
7
495,44
11
2.4.8 Návrh soustavy obsahující detekční část uvnitř pracovní hlavy Spektrum může být měřeno buď z pozic vně laserové hlavy, jako tomu bylo v našem případě, kdy byl kolimátor pro sběr záření umístěn pod úhlem přibližně 45° ve směru svařování (viz Obr. 12 v odstavci 3.1 Parametry soustavy pracoviště SLO). Nebo lze využít toho, že generované záření se vrací i zpět do pracovní hlavy a optického vlákna, kterým byl přiveden svařovací svazek, a odtud jej pak díky odlišné vlnové délce separovat. Hlavní důvody umístění kolektoru záření přímo do svařovací hlavy jsou v zásadě dva. Tím prvním je kompaktnost takto řešené soustavy a tím druhým je nepříjemnost v podobě toho, že spektra naměřená z různých pozic kolektorů nejsou úplně totožná.[7] Tento problém byl v našem případě odstraněn v podobě úmluvy o umístění kolimátoru, ovšem z dlouhodobého hlediska to není ideální řešení.
21
Obr. 9 – schéma laserového systému Nd:YAG s kolekcí a transportem záření generovaného při svařování pomocí přívodného optického vlákna. (Převzato a přepsáno z [14])
Obr. 10 – schéma pro kolekci záření generovaného při svařování pomocí laserové hlavy u CO2 laseru.(Převzato a přepsáno z [14])
22
3. Praktická část Tato část bakalářské práce bude věnována výzkumu vlivu elektronové teploty na hloubku průvaru. Náš výzkum probíhal v rámci projektu CLET, kterého se současně účastní několik pracovišť v Evropě.
3.1 Vývoj elektronové teploty v porovnání s penetrační hloubkou pro kontinuální CO2 laser.
Vzhledem k již zmíněné rozdílnosti optických spekter pro CO2 a Nd:YAG lasery je zde uveden i graf naměřený pro kontinuální CO2 laser, který byl získán na partnerském pracovišti CNR INF, univerzita Bari, Itálie.
Obr. 11 - průběh elektronové teploty, laserového výkonu a hloubky provaření pro kontinuální CO2 laser.
Tento graf byl naměřen v rámci projektu CLET na kontinuálním CO2 laseru s maximálním
23
kontinuálním výkonem 2,5 kW a zachycuje nepřímý vliv naměřené elektronové teploty na hloubce průvaru.
3.2 Parametry soustavy pracoviště SLO
3.2.1 Laserový zdroj Při tomto výzkumu byl použit technický pulsní laser od firmy LASAG model KLS 246-102.
Technická specifikace: LASAG KLS 246-102 Vlnová délka
1064 nm
Průměr svazku
6 mm
Délka pulsu
0,1 – 20 ms
Frekvence pulsu
0,1 – 1000 Hz
Maximální energie pulsu
30 J
Maximální pulsní výkon při 3 ms
6 kW
Maximální průměrný výkon
150 W
3.2.2 Spektrometr Technická specifikace: Ocean Optics HR2000+ (*) Optická mřížka
1800 m-1 holografické UV
Rozsah vlnových délek
400 – 525 nm
Rozlišení FWHM
0,12 nm
Detektor
CCD-čip 2048 pixelů
Vstupní štěrbina
10 µm
Maximální rychlost snímání
1 kHz
Minimální integrační čas
1 ms
Typ konektoru pro optické vlákno
SMA 0,22 NA
Přenos dat
USB 2.0
Nastavení *Uvedené parametry odpovídají danému nastavení pro naše účely. 24
Dále bylo užito kolimační čočky o ohniskové vzdálenosti 10 mm a optického vlákna Ocean Optics QP600-2-UV-BX.
Optické vlákno
Směr laserového svazku Kolimátor
Směr svařování
Obr. 12 - fotografie pracovního místa s laserovou hlavou, pracovní ploškou a kolimátorem napojeným na optické vlákno pro přenos snímaného záření do spektrometru.
Spektrometr se neumísťuje do pracovní oblasti zejména proto, aby se při činnosti laseru nepoškodil. Dále je možné si zde všimnout polohy kolimátoru, který je umístěn rovnoběžně se směrem sváření, což je výhodné pro to, že v tomto směru do něj dopadá větší část záření zevnitř keyhole a tím je celková intenzita dopadajícího záření vyšší než v případě umístění kolmo ke směru sváření. Vyšší intenzita poté dovoluje nastavit na spektrometru kratší integrační čas, aniž bychom přišli o cenné informace o spektru, a tím pádem poté i rychlejší a plynulejší řízení procesu.
25
3.3 Experimentální ověření vlivu elektronové teploty na hloubku penetrace pro pulsní Nd:YAG laser Pro tento účel byly parametry laseru nastaveny následovně:
nastavení laseru frekvence pulsů
13 Hz
délka pulsu
3,4 ms
rychlost posuvu
4 mms-1
průměr svazku
1 mm
překrytí pulsů
75 %
Změny elektronové teploty bylo dosaženo proměnnou energií pulsu, což způsobuje i změnu vrcholového výkonu. Pokus byl prováděn na dvou plátcích oceli AISI 304, vrchní s tloušťkou 0,6 mm a spodní 1,5 mm. Výsledný typ svaru je přeplátovaný. Naměřené hodnoty jsou shrnuty v tabulce níže.
Naměřené hodnoty elektronové teploty pro ionty Cr I a Fe I s hloubkou průvaru vzorek č.
energie pulsu [J]
průměrný výkon [W]
vrcholový výkon [kW]
elektronová teplota Cr I [K]
40
5,6
72,8
1,65
7832,6
7111,7
440
41
6,2
80,6
1,82
7821,8
7122,6
483
42
6,8
88,4
2,00
7811,1
7106,7
605
43
7,4
96,2
2,18
7814,4
7095,8
617
44
8,0
104,0
2,35
7800,6
7088,1
659
45
8,6
111,8
2,62
7750,2
7061,0
740
46
9,2
119,6
2,71
7675,2
7024,4
931
47
8,9
115,7
2,53
7758,7
7059,7
727
48
8,3
107,9
2,44
7770,3
7075,2
645
49
7,7
100,1
2,26
7787,0
7104,6
621
50
7,1
92,3
2,09
7804,9
7119,3
581
51
6,5
84,5
1,91
7842,6
7126,7
505
26
elektronová max. hloubka teplota Fe I provaření [K] [µm]
Následující grafy znázorňují naměřenou závislost elektronové teploty na hloubce provaření.
Závislost elektronové teploty na penetrační hloubce 1 - měřeno pro Cr I 7900,0
7850,0
Elektronová teplota [K]
7800,0
7750,0
7700,0
7650,0
7600,0
7550,0 400
500
600
700
800
900
1000
Penetrační hloubka [µm]
Závislost elektronové teploty na penetrační hloubce 2 - měřeno pro Cr I 7850,0
Elektronová teplota [K]
7800,0
7750,0
7700,0
7650,0
7600,0
7550,0 400
500
600
700
800
900
1000
Penetrační hloubka [µm]
V grafech závislosti elektronové teploty na penetrační hloubce 1 a 2 byla elektronová teplota stanovena pro ionty Cr I (λ1 = 437.416 nm, λ2 = 458.006 nm). V grafech 3 a 4 potom pro ionty Fe I (λ1 = 421.936 nm, λ2 = 431.508 nm). 27
Závislost elektronové teploty na penetrační hloubce 3 - měřeno pro Fe I 7140,0 7120,0
Elektronová teplota [K]
7100,0 7080,0 7060,0 7040,0 7020,0 7000,0 6980,0 6960,0 400
500
600
700
800
900
1000
Penetrační hloubka [µm]
Závislost elektronové teploty na penetrační hloubce 4 - měřeno pro Fe I 7140,0 7120,0
Elektronová teplota [K]
7100,0 7080,0 7060,0 7040,0 7020,0 7000,0 6980,0 6960,0 400
500
600
700
Penetrační hloubka [µm]
28
800
900
1000
Ukázky svařených vzorků včetně příčného řezu:
Vzorek č. 40 - detail povrchu svaru a příčný řez svarem
Vzorek č. 41 - detail povrchu svaru a příčný řez svarem
Vzorek č. 42 - detail povrchu svaru a příčný řez svarem
29
Vzorek č. 43 - detail povrchu svaru a příčný řez svarem
Vzorek č. 44 - detail povrchu svaru a příčný řez svarem
Vzorek č. 45 - detail povrchu svaru a příčný řez svarem
30
Vzorek č. 46 - detail povrchu svaru a příčný řez svarem Na snímcích je možné pozorovat, jak se vzrůstající energií pulsu se svar prohlubuje. Ovšem při příliš vysokých energiích může docházet k „vyražení“ taveniny pulsem, jak je možné si povšimnout u vzorků č. 45 a 46. U příčného vzorku č. 43 je vidět dopat příliš dlouhého leptání, kde poté zaniká jasná hranice mezi svarem a okolním materiálem.
Aby bylo možné stanovit hloubku provaření a pořídit snímky příčného profilu svarů, je potřeba provést ještě několik úkonů, které jsou popsány v následující části 3.4 - „Měření hloubky průvaru“.
3.4 Měření hloubky průvaru Hloubka průvaru byla měřena na metalografickém vzorku příčného profilu svaru pomocí laserového konfokálního řádkovacího mikroskopu Olympus Lext OLS 3100. Pro přípravu vzorků se k každého svaru vyřízne několik, v našem případě 5, kusů z různých oblastí. Více řezů svarem je potřeba především proto, abychom měli alespoň jeden řez nejhlouběji provařeným místem. Celý svar není konstantě hluboký z důvodu použití pulsního laseru, v našem případě se 75 % překrytím jednotlivých pulsů, a potom také pro to, aby se dalo odhalit případné naklonění vzorku při svařování.
Příprava vzorků k leptání
Aby bylo možné na vzorcích pozorovat hloubku průvaru je potřeba provést leptání plochy 31
kolmé k rovině svaru, které nám umožní pozorovat krystalovou strukturu kovu. Aby bylo toto leptání účinné a rovnoměrné, musí se vzorky náležitě připravit.
Každý jednotlivý řez se napřed očistí benzínem, poté lihem a na závěr opláchne vodou, aby na něm nebyla mastnota nebo nečistoty, které by později mohly způsobit nerovnoměrné naleptání plochy řezu.
Po očištění se vzorky zalijí do speciálních metalografických formiček směsí pryskyřice s tvrdidlem. Toto zalévání je důležité pro snadnější uchopení vzorků při následném broušení. Jakmile směs dostatečně zatvrdne, což se děje během jednoho až několika dní, je třeba zalité vzorky vybrousit a následně vyleštit.
Broušení probíhalo na rotujícím kotouči s použitím brusných papírů s hrubostí od 160 – 2400, kde číslo 2400 odpovídá hrubosti přibližně 8 µm. Dále se pokračuje v leštění pomocí diamantové směsi, která se nalije na textilní podložku, která na kotouči nahradila brusný papír. Velikost diamantových zrnek ve směsi začínala na velikosti 3 µm a pro dokonalé vyleštění bylo užito směsi až s 0,03 µm velkými zrny.
Následuje opětovné vyčištění plochy řezu a samotné leptání. K leptání těchto ocelí se používá směs kyselin chlorovodíkové a dusičné v poměru 3:1, též zvané lučavka královská. Kyselina se nanese pomocí tyčinky s vatou na vzorek a nechá se působit několik minut, než je možné pozorovat svar. Poté se musí vzorek pořádně opláchnout vodou, aby na něm směs nezůstala a leptání tak neprobíhalo hlouběji.
3.5 Diskuze výsledků: Námi naměřené hodnoty dokazují vliv penetrační hloubky na hodnotu elektronové teploty. Jak ukazují nejen naše údaje, ale i údaje naměřené pro kontinuální CO 2 laser, s klesající hloubkou průvaru roste elektronová teplota. V případě námi naměřených hodnot je největší problém s určením přesné závislosti těchto dvou veličin především kvůli užití pulsního laseru, který není pro účel penetračního svařování příliš vhodný. Jeho nekontinuální charakter brání vzniku stabilní keyhole a výsledkem je nestála hloubka průvaru. Tuto hloubku je poté i velmi náročné přesněji určit, jak je popsáno v metalografické části. Dále je zde patrné, že chování elektronové teploty je 32
přibližně stejné pro oba pozorované ionty železa a chrómu, grafy se liší především konkrétní hodnotou elektronové teploty. Na obrázku 11 lze také pozorovat mírné kolísání elektronové teploty v průběhu měření, které není příliš vysoké na to, aby znemožnilo užití tohoto výzkumu v praxi. Je to však mimo jiné i další důvod pro obtížné stanovení správného průběhu elektronové teploty v případě pulsního laseru.
4. Závěr V této práci se podařilo dokázat, že na základě znalosti průběhu elektronové teploty lze určit změnu hloubky provaření. Toto tvrzení má ovšem poměrně dlouhou řadu předpokladů, mezi které paří především znalost prvku, pro který byla elektronová teplota počítána, typ laseru, na němž bylo svaření prováděno, a také pozice kolimátoru vzhledem k plazmatickému oblaku. Na to, aby bylo možné na základě měření elektronové teploty zaručit určitou hloubku průvaru, je zapotřebí provést poměrně velké množství měření a stanovit referenční hodnoty pro daný typ materiálu, laseru a pozorovaného prvku. Jak je patrné z uvedeného výzkumu, v principu to ovšem možné je.
Chování elektronové teploty je poněkud odlišné, než by se dalo předpokládat. Pokud by všechna tvrzení v části o vzniku plazmatického oblaku a jeho způsobu odebírání energie z laserového svazku byla správná a neprojevovaly by se ještě další efekty, dala by se předpokládat přímá závislost mezi elektronovou teplotou a výkonem svazku, následně tedy penetrační hloubkou. Toto „podivné“ chování bývá vysvětlováno propadem oblaku do větších hloubek, což má za následek pozorování pouze jeho svrchnější a chladnější části. Tuto teorii by potvrzovala i zjistěná závislost mezi elektronovou teplotou a penetrační hloubkou. Výhodou je, že možnost detekování defektů by tímto chováním teoreticky neměla být omezena.
Užití takovéhoto systému pouze pro určení hloubky průvaru je minimálně diskutabilní, jelikož tuto hloubku lze poměrně snadno určit z výkonu laseru. Pokud tedy budeme předpokládat, že výkon nekontrolovaně nekolísal a materiál byl bez vad a defektů. A zde je hlavní přednost užití této technologie, protože kovový oblak vzniká až při interakci záření s látkou a zůstává chvíli poté. Díky tomu by se v něm, a tudíž i v elektronové teplotě, měly odrazit všechny vady vzniklé při svařování nebo před samotným procesem. Tuto teorii má ovšem smysl rozvíjet pouze v případě, že se podaří určit chování elektronové teploty a zda vůbec má vliv na svar. A to se podařilo.
33
Zdroje informací a ilustrace: [1] Článek „Lasery pro průmysl“ - Vyšlo v MM Průmyslové spektrum 2008 / 7, 9. července 2008 v rubrice Trendy / Nekonvenční technologie, strana 32
[2] Pavel Peterka, Pavel Honzátko, Miroslav Karásek - „Vláknové lasery – jasné světlo ze skleněných nitek“, Čs. čas. fyz. 60 (2010), str. 302 - 307
[3] článek „Třetí generace diskových laserů“ - Vyšlo v MM Průmyslové spektrum 2009 / 11, 18. listopadu 2009 v rubrice Výroba / Spojování a dělení, strana 50
[4] A K NATH, R SRIDHAR, P GANESH and R KAUL - Laser power coupling efficiency in conduction and keyhole welding of austenitic stainless steel, Sadhana Vol. 27, Part 3, June 2002, pp. 383–392.
[5] článek „Poslední trendy ve svařování laserem“ Vyšlo v MM Průmyslové spektrum 2009 / 10, 7. října 2009 v rubrice Trendy / Spojování a dělení, strana 34
[6] Kishore N Lankalapalli, Jay F Tu and Mark Gartner - A model for estimating penetration depth of laser welding processes, 1996 J. Phys. D: Appl. Phys. 29 1831
[7] „CLET – Work package 2“ - Zpráva z projektu CLET, vydáno 11.11..2009
[8] T. Sibillano, A. Ancona, D. Rizzi, S. Saludes Rodil, J. Rodríguez Nieto, A.R. Konuk, R. Aarts, A.J. Huis in ‘t Veld - Study on the correlation between plasma electron temperature and penetration depth in laser welding processes, Physics Procedia 5 (2010) 429-436
[9] J. Beersiek, R. Poprawe, W. Schulz, H. Gu, R. E. Mueller, Duley - On-line monitoring of penetration depth in laser beam welding, ICALEO '97: Laser Materials Processing. Vol. 83. I; 1720 Nov. 1997. pp. C30-C39. 1997
[10] http://optika.kuratkoo.net/difrakce.htm (3. 2011)
34
[11] http://cs.wikipedia.org/wiki/Optick%C3%BD_hranol (3. 2011)
[12] Teresa Sibillano, Antonio Ancona, Vincenzo Berardi and Pietro Mario Lugarà - A Real-Time Spectroscopic Sensor for Monitoring Laser Welding Processes, Sensors 2009, 9, 3376-3385
[13] J. Mirapeix , A. Cobo, O.M. Conde, C. Jau´regui, J.M. Lo´pez-Higuera - Real-time arc welding defect detection technique by means of plasma spectrum optical analysis, Publikováno v: NDT&E International 39 (2006) 356–360
[14] D.P. Hand, M.D.T. Fox, F.M. Haran, C. Peters, S.A. Morgan, M.A. McLean, W.M. Steen, J.D.C. Jones - Optical focus control system for laser welding and direct casting, Optics and Lasers in Engineering 34 (2000) 415-427
35
5. Dodatek I: Představení projektu CLET
CLET - “Closed loop control of the laser welding through electronic temperature” „Uzavřený okruh pro řízení laserového svařování díky elektronové teplotě“
CLET je mezinárodní projekt sestavený pro vyvinutí technologie schopné okamžitého řízení procesu laserového svařování a pro detekci typických defektů. V České republice je zastoupen pracovištěm „Společné laboratoře optiky Univerzity Palackého a Fyzikálního ústavu Akademie věd České republiky“. Toto pracoviště má za úkol provést měření pro pulsní Nd:YAG laser a dodat hodnoty elektronové teploty pro různé případy svařování. Podrobnosti jsou k nalezení na domovské stránce projektu: http://clet.cartif.com.es/ .
36
