Комбіновані лазерно-дугові процеси обробки матеріалів та пристрої для їх реалізації

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національна академія наук України

Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук

Спеціальність 05.09.10 - Електротермічні процеси та установки

Комбіновані лазерно-дугові процеси обробки матеріалів та пристрої для їх реалізації

Крівцун Ігор Віталійович

Київ-2002

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Інституті електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України

Науковий консультант доктор технічних наук, професор, академік НАН України Патон Борис Євгенович, директор Інституту електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Головко Леонід Федорович, Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, професор кафедри лазерної технології конструювання машин і матеріалознавства

доктор технічних наук, професор Дзюба В'ячеслав Леонідович, Східноукраїнський національний університет ім. Володимира Даля, завідуючий кафедрою технології машинобудування

доктор технічних наук, професор Урюков Борис Олексійович, Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України, провідний науковий співробітник

Провідна установа Фізико-технологічний інститут металів і сплавів НАН України, відділ плавки та рафінування сплавів, м. Київ

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради

доктор технічних наук Л.С. Киреєв

Анотація

Крівцун І.В. Комбіновані лазерно-дугові процеси обробки матеріалів та пристрої для їх реалізації. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.09.10 - Електротермічні процеси та установки. - Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України, Київ, 2002 р.

Дисертація присвячена дослідженню та розробці нових, високоефективних лазерно-дугових (лазерно-плазмових) процесів зварювання і обробки матеріалів, створенню спеціалізованих пристроїв для практичного здійснення комбінованих процесів. Проведено детальні теоретичні дослідження та математичне моделювання фізичних явищ, що відбуваються при взаємодії лазерного пучка з дуговою плазмою, а також при їх спільній взаємодії з поверхнею оброблюваного металу. Встановлено, що у системі електрична дуга - лазерний пучок можливе виникнення комбінованого лазерно-дугового розряду, який може бути покладений в основу створення нового класу плазмових пристроїв - інтегрованих лазерно-дугових плазмотронів для комбінованого зварювання, різання і модифікації поверхні. Розроблено принципи побудови та методи розрахунку таких пристроїв, створено дослідні зразки інтегрованих плазмотронів для лазерно-плазмового зварювання і порошкового наплавлення. Досліджено технологічні можливості розроблених плазмотронів, визначено основні причини більш високої ефективності комбінованих процесів у порівнянні зі звичайними дуговими та лазерними технологіями. Виконано теоретичні дослідження, розроблено математичні моделі та проведено чисельне моделювання процесів лазерної та плазмової взаємодії з дисперсними матеріалами, створено програмне забезпечення для комп'ютерного моделювання процесу плазмового напилювання.

Ключові слова: електрична дуга, плазма, лазерний пучок, зварювання, обробка матеріалів, інтегрований плазмотрон.

Аннотация

Кривцун И.В. Комбинированные лазерно-дуговые процессы обработки материалов и устройства для их реализации. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.09.10 - Электротермические процессы и установки. - Институт электросварки им. Е.О. Патона НАН Украины, Киев, 2002 г.

Диссертация посвящена исследованию и разработке новых, высокоэффективных лазерно-дуговых (лазерно-плазменных) процессов сварки и обработки материалов, созданию специализированных устройств для практического осуществления комбинированных процессов. Проведены детальные теоретические исследования и математическое моделирование физических явлений, протекающих при взаимодействии лазерного пучка с дуговой плазмой и их совместном воздействии на поверхность обрабатываемого металла. Установлено, что в системе электрическая дуга - лазерный пучок возможно возникновение комбинированного лазерно-дугового разряда, который может быть положен в основу создания нового класса плазменных устройств - интегрированных лазерно-дуговых плазмотронов для комбинированной сварки, резки и модификации поверхности. Разработаны принципы построения и методы расчета таких устройств, созданы опытные образцы интегрированных плазмотронов для лазерно-плазменной сварки и порошковой наплавки. Исследованы технологические возможности разработанных плазмотронов, выявлены основные причины более высокой эффективности комбинированных процессов по сравнению с обычными плазменными и лазерными технологиями. Выполнены теоретические исследования, разработаны математические модели и проведено численное моделирование процессов лазерного и плазменного взаимодействия с дисперсными материалами, создано программное обеспечение для компьютерного моделирования процесса плазменного напыления.

Ключевые слова: электрическая дуга, плазма, лазерный пучок, сварка, обработка материалов, интегрированный плазмотрон.

Summary

Krivtsun I.V. Combined laser-arc processes for materials treatment and devices for their realisation. - Manuscript.

Thesis for a Doctor of Sciences degree on speciality 05.09.10 - Electrothermal Processes and Installations. - The E.O. Paton Electric Welding Institute of the National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, 2002.

The thesis is devoted to research and development of new high-efficiency laser-arc (laser-plasma) processes for welding and treatment of materials, creating of specialised devices for practical realisation of the combined laser-plasma processes, and investigation of the technological capabilities of such devices.

Theoretical studies were conducted, a mathematical model was developed, and detailed numerical modelling of physical phenomena occurring in interaction of the focused laser beam and the electric arc plasma, which are joined in combined process, was performed. It was established that a special type of the gas discharge may be formed under certain conditions in the “electric arc - CO₂-laser beam” system. This discharge is a combined laser-arc discharge, which differs both from the conventional arc and from the optical discharge maintained by laser radiation. It is shown that by affecting plasma of the arc column in the gas flow with the focused CO₂-laser beam, it is possible to control effectively the characteristics of this plasma through varying power and degree of focusing of the initial laser beam. It is also shown that the plasma lens, the focusing properties of which depend upon the arc current, composition and flow rate of the plasma gas, may be formed in the system under consideration. This allows self-focusing of the laser beam in the combined discharge plasma to be controlled through varying the above arc burning conditions.

It is scientifically justified that the laser-arc discharge, being a heat source with wide capabilities for controlling concentration of thermal and electromagnetic energies, can be used as a basis for making a new class of plasma devices, i.e. integrated laser-arc torches for combined welding, cutting and surface modification. Principles of design and methods for calculation of laser - transferred and non-transferred arc torches operating in laminar or turbulent modes of the plasma gas flow were developed. A special design of the tubular thermionic cathode, the working end of which is additionally heated by laser radiation being passed through the cathode, is suggested. The mathematical model of the cathodic phenomena for the above design of the thermionic cathode is described, and the results of numerical modelling of the combined discharge in the plasma torch with such a cathode is presented. Prototypes of the integrated plasma torches for laser-plasma powder deposition (using CO₂-laser beam) and laser-microplasma welding (using YAG-laser beam) were developed. Experimental and technological studies of the developed plasma torches were carried out. The high efficiency of practical application of such devices for welding, surfacing and other combined processes is demonstrated.

The theory of interaction of laser radiation and arc plasma with metals was elaborated. It allows processes of the arc, laser and combined effect on the metal surface to be described from the unified positions with a self-consistent account for the entire set of physical phenomena which occur in the near-surface plasma, on the surface and in the bulk of a workpiece. Characteristics of the thermal and dynamic effect on the metal surface by the combined heat source components during laser-arc welding and heat treatment were investigated. It was established that the use of an external ionizer (electric arc) in laser beam welding, without formation of the plasma plume, allows a substantial decrease in the melt surface temperature, at which the transition from the thermal conductivity mode of penetration to a more efficient mode of deep penetration begins. In addition to extra arc heating of metal, this is one of the main causes of the higher efficiency of the combined welding process, compared with laser beam welding.

Theoretical investigations of processes of interaction of laser radiation and arc plasma with fine-dispersed materials were carried out, and mathematical models of these processes were developed. It is shown that in calculation of the dynamics of laser heating of ceramic particles, whose sizes are commensurable with the laser radiation wavelength, it is necessary to take into account an interference structure of the electromagnetic field excited in the bulk of a particle and the associated spatial non-uniformity of distribution of the radiation power absorbed by the particle. It is scientifically grounded that the required (if necessary uniform) distribution of temperature in the bulk of particles can be achieved by combining plasma (surface) and laser (volumetric) methods of heating fine-dispersed ceramic materials. Owing to this fact, the use of the combined laser-plasma spraying method offers wide possibilities for deposition of new ceramic coatings, the SiO₂ coatings in particular.

Software package for computer aided simulation of plasma spraying process was developed. It enables quantitative estimation of thermal and gas-dynamic characteristics of the turbulent plasma jets and simulation of processes of heating and motion of the spray material particles in accordance with the technological parameters of a spraying process to be made quickly and with a sufficient accuracy for practical purposes.

Key words: electric arc, plasma, laser beam, welding, materials treatment, integrated plasma torch.

1. Загальна характеристика роботи

термообробка пристрій зварювання

Актуальність теми. Необхідною умовою прогресу промислового виробництва є вдосконалення технологічних процесів з'єднання і обробки матеріалів. Тому важко переоцінити значення розробки нових способів зварювання, різання і модифікації поверхні, які ґрунтуються на використанні дугового розряду як найбільш доступного і дешевого джерела теплової енергії. На жаль, подальший розвиток дугових і плазмових технологій наштовхується на істотні труднощі, пов'язані з недостатньою густиною енергії в електродуговій плазмі та нестійкістю горіння дуги при великих швидкостях руху відносно оброблюваного виробу. У зв'язку з цим дуговий розряд як технологічний засіб не задовольняє сучасних вимог промисловості стосовно продуктивності вказаних процесів і якості продукції.

Іншим технологічним засобом, який широко використовується для зварювання, різання, наплавлення та термообробки поверхні, є лазерне випромінювання. Завдяки високій концентрації енергії в лазерному пучку і можливості локальної дії на виріб лазери забезпечують високу продуктивність і прецизійність обробки. Крім того, лазерні технології дозволяють, на відміну, наприклад, від електронно-променевих, проводити процес при атмосферному тискові, а також передавати енергію лазерного випромінювання на значні відстані, в тому числі з використанням гнучких світловодів.

Однак, незважаючи на ці важливі переваги, можливості використання лазерів для теплової дії на матеріали значною мірою обмежені. Це, в першу чергу, пов'язано з низькою ефективністю нагрівання металів лазерним випромінюванням, обумовленою їх високою віддзеркалюючою здатністю при довжинах хвиль випромінювання, властивих для технологічних лазерів. Другим фактором, що знижує ефективність використання лазерного випромінювання, є індукована ним приповерхнева плазма, яка істотно зменшує частку енергії, яка вводиться лазерним пучком в оброблюваний виріб. Внаслідок цього лазери залишаються недостатньо ефективним і дуже дорогим інструментом для реалізації більшості технологічних процесів обробки матеріалів.

Новим кроком до розв'язання згаданих вище проблем може стати використання комбінованих лазерно-дугових і лазерно-плазмових процесів металообробки, суть яких полягає в спільній дії на оброблюваний виріб сфокусованого лазерного випромінювання і електричної (в тому числі й стиснутої) дуги. При практичній реалізації більшості комбінованих процесів обидва джерела тепла діють на метал у межах загальної зони нагрівання, причому дуга може горіти як з боку виробу, на який спрямовано лазерний пучок, так і з протилежного боку. Нагрівання металу електричною дугою, що виникає в обох випадках, призводить до локального зростання його температури і, як наслідок, - до збільшення коефіцієнта поглинання лазерного випромінювання. В результаті ефективність відповідного лазерного процесу підвищується, що особливо важливо при використанні лазерів невеликої потужності.

При розташуванні джерел тепла з одного й того ж боку виробу просторова стабілізація активної плями дуги за рахунок локалізації дугової плазми в зоні утворення (під дією лазерного випромінювання) плазмового факела призводить до підвищення стійкості горіння дуги при малих струмах і великих швидкостях її переміщення щодо виробу і, як результат, до значного зростання продуктивності дугового (або плазмового) зварювання і обробки матеріалів.

Результати відомих досліджень комбінованих лазерно-дугових способів зварювання, різання і модифікації поверхні, виконаних У. Стіном, М. Хамазакі, В.А. Лопотою, У. Ділтеєм та іншими вченими, свідчать про доцільність і високу ефективність їх практичного застосування. Тому розробка нових, більш досконалих способів лазерно-дугового і лазерно-плазмового зварювання і обробки матеріалів, а також створення пристроїв для їх реалізації з метою збільшення продуктивності і ефективності технологічного процесу, зниження його собівартості, підвищення якості продукції є актуальною науково-технічною проблемою, тим більш актуальною в умовах становлення ринкових відносин в Україні, коли приватна ініціатива і закордонні інвестиції направлені на створення високоефективних та енергозберігаючих виробництв. Вирішення цієї складної проблеми неможливе без проведення комплексу теоретичних досліджень, математичного моделювання комбінованих лазерно-дугових процесів і пристроїв різного технологічного призначення, що і є центральною задачею даної роботи.

Актуальність теми дисертаційної роботи додатково підтверджується тим, що вона виконана в рамках Державної науково-технічної програми “Нероз'ємні з'єднання і покриття нових конструкційних матеріалів” та у відповідності з планами наукових досліджень ІЕЗ ім. Є.О. Патона НАН України в період з 1988 по 2002 р.

Мета роботи. Розробка основ теорії комбінованих лазерно-дугових і лазерно-плазмових процесів зварювання, наплавлення, термообробки поверхні та нанесення покриттів, створення принципів побудови, методів розрахунку і дослідних зразків пристроїв для практичної реалізації вказаних процесів.

Задачі дослідження. Для досягнення поставленої мети необхідно було вирішити такі задачі:

провести аналіз відомих підходів і результатів досліджень лазерно-дугових і лазерно-плазмових способів зварювання та обробки матеріалів;

виконати теоретичні дослідження і розробити математичну модель фізичних процесів, що протікають при взаємодії лазерного пучка з плазмою стовпа електричної (в тому числі стиснутої) дуги, які об'єднуються в комбінованому джерелі тепла;

методами чисельного моделювання виявити вплив сфокусованого пучка випромінювання СО₂-лазера на характеристики електричної дуги та зворотний вплив дугової плазми на характеристики лазерного пучка;

розробити теоретичні основи та методи розрахунку пристроїв для практичної реалізації лазерно-плазмових способів зварювання, різання, наплавлення, термообробки поверхні і нанесення покриттів;

створити інтегрований плазмотрон для лазерно-плазмового порошкового наплавлення, дослідити його технологічні можливості;

провести теоретичні дослідження фізичних процесів, що відбуваються в приповерхневій плазмі, на поверхні та в об'ємі оброблюваного металу при дуговому, лазерному і комбінованому зварюванні і термообробці поверхні, розробити математичні моделі цих процесів;

виконати чисельне моделювання процесів лазерно-дугової взаємодії з металами і визначити основні особливості теплового та динамічного впливу комбінованого джерела тепла на поверхню оброблюваного металу;

розробити способи та створити пристрої для лазерно-мікроплазмового зварювання сталей, титанових і алюмінієвих сплавів, виконати експериментальні дослідження процесів комбінованого зварювання металів малих товщин;

провести теоретичні дослідження процесів взаємодії лазерного випромінювання і потоку дугової плазми з дисперсними матеріалами, розробити математичні моделі вказаних процесів та програмне забезпечення для їх комп'ютерної реалізації;

виконати комп'ютерне моделювання процесів лазерного і плазмового впливу на дрібнодисперсні матеріали, порівняти розрахункові результати з експериментальними даними та встановити достовірність обраних теоретичних підходів і розроблених математичних моделей.

Методи дослідження. Для розв'язання поставлених задач і отримання основних результатів дисертаційної роботи використовувались аналітичні та чисельні методи дослідження фізичних явищ, що відбуваються при комбінованих способах зварювання та обробки матеріалів, комп'ютерне моделювання лазерно-дугових і лазерно-плазмових процесів та пристроїв, а також сучасні методи експериментального дослідження, зокрема мікроструктурний аналіз наплавлених шарів, оптичні вимірювання швидкостей частинок, що напилюються, і металографічні дослідження напилених зразків.

Наукова новизна одержаних результатів. В дисертаційній роботі проведено комплекс фундаментальних і прикладних досліджень по новому науковому напрямку - створенню високоефективних лазерно-дугових (лазерно-плазмових) процесів обробки матеріалів. Розроблені теоретичні основи комбінованих способів зварювання, наплавлення, термообробки поверхні і нанесення покриттів, принципи побудови та методи розрахунку пристроїв для їх реалізації. Наукова новизна отриманих результатів полягає в наступному:

вперше встановлено, що при взаємодії пучка випромінювання СО₂-лазера з плазмою стовпа електричної дуги виникає особливий вид газового розряду - комбінований лазерно-дуговий розряд, властивості якого відрізняються як від властивостей звичайної дуги, так і від властивостей оптичного розряду;

показано, що, діючи сфокусованим випромінюванням СО₂-лазера на плазму стовпа електричної дуги, можна ефективно керувати її інтегральними і розподіленими характеристиками шляхом зміни потужності та ступеня фокусування лазерного пучка;

доведено, що в системі електрична дуга - пучок випромінювання СО₂-лазера формується плазмова лінза, фокусуючі властивості якої залежать від струму дуги, складу та витрати плазмоутворюючого газу, що дозволяє, варіюючи режим горіння дуги, керувати фокусуванням пучка в плазмі лазерно-дугового розряду;

науково обґрунтовано, що комбінований лазерно-дуговий розряд як джерело енергії для обробки матеріалів, що має нові можливості керування концентрацією теплової та електромагнітної енергії, може бути покладений в основу створення нового класу плазмових пристроїв - інтегрованих лазерно-дугових плазмотронів для зварювання, різання, наплавлення, термічної обробки матеріалів і нанесення покриттів;

вперше показана можливість лазерного керування катодними процесами на трубчатому термоемісійному катоді спеціальної конструкції, робочий кінець якого підігрівається лазерним випромінюванням, що пропускається через катод;

розвинута самоузгоджена теорія взаємодії лазерного випромінювання і дугової плазми з конденсованими середовищами, яка вперше дозволила з єдиних позицій описати процеси дугового, лазерного та комбінованого лазерно-дугового впливу на метали;

отримані вирази для розрахунку густини теплового потоку, який вводиться у оброблюваний метал кожною зі складових комбінованого джерела тепла, і тиску на поверхню розплаву, що випаровується, встановлені основні механізми взаємовпливу лазерної та дугової дії на виріб при комбінованих лазерно-дугових процесах зварювання і термообробки поверхні;

вперше виявлені особливості лазерного нагрівання диспергованих в газі керамічних частинок, обумовлені інтерференцією електромагнітних полів, індукованих в дрібнодисперсних керамічних частинках лазерним випромінюванням, та оптичною неоднорідністю частинок, що виникає в процесі їх нагрівання.

Практичне значення одержаних результатів. В ході виконання дисертаційної роботи були розроблені принципові схеми та методики розрахунку лазерно-плазмових пристроїв для практичного здійснення комбінованих процесів зварювання і обробки матеріалів.

Створено інтегрований плазмотрон з термоемісійним трубчатим катодом для лазерно-плазмового порошкового наплавлення (струм плазмової дуги до 300 А, потужність лазерного пучка до 5 кВт). Робота даного пристрою ґрунтується на виникненні стаціонарного лазерно-дугового розряду при взаємодії сфокусованого пучка випромінювання CO₂-лазера безперервної дії з плазмою стовпа стиснутої аргонової дуги постійного струму. Використання розробленого плазмотрона для лазерно-плазмового порошкового наплавлення дозволило у 2…3 рази збільшити швидкість наплавлення одиночних валиків порівняно зі звичайним способом плазмово-порошкового наплавлення (при потужності плазмової дуги, еквівалентній сумарній потужності використаних джерел тепла).

Розроблено спосіб та пристрій для швидкісного лазерно-мікроплазмового зварювання алюмінієвих сплавів малих товщин. В основі цього способу лежить спільне використання пучка випромінювання малопотужного ІАГ-лазера і мікроплазмової дуги зворотної полярності, яка дозволяє здійснювати додаткове дугове нагрівання та очистку поверхні виробу від окисної плівки. Експерименти по швидкісному комбінованому зварюванню алюмінієвого сплаву АМг-2 завтовшки 0,35 мм показали, що при спільному використанні мікроплазмової дуги зворотної полярності (струм 22 А) та лазерного пучка (потужність 250 Вт) вдається досягти швидкості зварювання 9 м/хв з якісною очисткою поверхні та повним проплавленням зразка.

Розроблена конструкція і створений дослідний зразок інтегрованого плазмотрону для лазерно-мікроплазмового зварювання сталей, титанових і алюмінієвих сплавів товщиною до 3 мм (струм дуги до 50 А, потужність пучка випромінювання ІАГ-лазера до 2 кВт). Плазмотрон має два тугоплавких штирьових електроди, що дозволяє проводити комбіноване зварювання вказаних металів з використанням дуги прямої полярності (сталь, титан) та змінної полярності (алюмінієві сплави). Експериментальні дослідження технологічних можливостей розробленого плазмотрона продемонстрували високу ефективність його застосування для зварювання різних металів малих товщин.

Створено програмне забезпечення CASPSP (версії 2.0, 3.1 і 3.11) для комп'ютерного моделювання процесу плазмового напилення (свідоцтво про державну реєстрацію ПА № 1524 від 11.11.1998). CASPSP являє собою пакет прикладних програм для розрахунку характеристик турбулентних плазмових струменів, які використовуються при плазмовому нанесенні покриттів, а також для моделювання процесів нагрівання і руху напилюваних частинок. Розроблене програмне забезпечення призначене для вибору оптимальних параметрів режиму плазмового напилення (струм дуги, витрата і склад плазмоутворюючого газу, витрата напилюваного матеріалу та умови його вводу в струмінь, дистанція напилення та ін.). CASPSP має зручний інтерфейс користувача для роботи в операційних системах Windows 9x/NT/2000. Дане програмне забезпечення використовується Інститутом фізики плазми ім. П'єро Калдірола (Мілан, Італія); Навчальним і дослідним інститутом зварювання (Росток, Німеччина); Університетом Троллхеттан-Уддевалла (Троллхеттан, Швеція), а також фірмами МЕТАЛ 7 (Септ-Іллєс, Канада); АЛЬСТОМ Лтд. (Баден, Швейцарія); ПРАКСЕЙР Інк. (Індіанаполіс, США) і Зальцер Метко (Нью-Йорк, США).

Особистий внесок здобувача. В дисертаційній роботі вклад автора полягає в обґрунтуванні загальної концепції роботи; формулюванні мети і задач дослідження; самостійному виборі підходів для опису процесів взаємодії лазерного пучка з дуговою плазмою, а також процесів дугового, лазерного та лазерно-дугового впливу на матеріали; розробці математичних моделей, обчислювальних алгоритмів і програмного забезпечення для комп'ютерного моделювання комбінованих процесів та пристроїв.

В дисертації узагальнені результати експериментальних досліджень, проведених автором спільно зі співробітниками ІЕЗ ім. Є.О. Патона НАН України. Окремі частини роботи виконані на основі контрактів та особистих творчих зв'язків автора зі співробітниками фірми “Плазма-Майстер” Лтд. (Київ), КБ “Південне” (Дніпропетровськ), Інституту прикладних променевих технологій (Бремен, Німеччина) та інших установ.

Всі результати теоретичних досліджень, представлені в дисертації, належать автору і отримані на основі особистої наукової творчості. Здобувачу належать також загальні висновки дисертаційної роботи і такі основні положення, які захищаються:

Результати дослідження взаємодії сфокусованого випромінювання СО₂-лазера з плазмою стовпа електричної дуги, можливість виникнення в такій системі газового розряду особливого типу - комбінованого лазерно-дугового розряду, умови його практичної реалізації, а також способи керування характеристиками плазми лазерно-дугового розряду та лазерного пучка, що взаємодіє з нею.

Концепція створення на основі комбінованого розряду плазмових пристроїв нового класу - інтегрованих лазерно-дугових плазмотронів прямої та непрямої дії для лазерно-плазмового зварювання, різання, наплавлення, термообробки поверхні та нанесення покриттів, основи теорії та методи розрахунку інтегрованих плазмотронів осесиметричної схеми з ламінарною і турбулентною течією плазмоутворюючого газу.

Спосіб лазерного керування катодними процесами, спеціальна конструкція тугоплавкого трубчатого катоду для його реалізації, а також математична модель фізичних явищ, що відбуваються в прикатодній плазмі, на поверхні та в тілі трубчатого термоемісійного катоду, робочий кінець якого додатково підігрівається лазерним випромінюванням, що пропускається через катод.

Самоузгоджена математична модель взаємодії лазерного пучка і дугової плазми з конденсованими середовищами, яка дозволяє з єдиних позицій описувати процеси дугового, лазерного і комбінованого впливу на метали при різних способах обробки, результати дослідження характеристик теплового і динамічного впливу дугової, лазерної та комбінованої плазми на поверхню оброблюваного металу.

Закономірності лазерного нагрівання диспергованих в газі керамічних частинок з розмірами порядку довжини хвилі лазерного випромінювання, обумовлені інтерференцією електромагнітних полів, індукованих в таких частинках падаючим випромінюванням, аналітичні вирази для розрахунку просторового розподілу потужності, яка поглинається оптично-неоднорідною сферичною частинкою, і методика розрахунку динаміки її лазерного нагрівання.

Апробація результатів дисертації. Основні положення та результати дисертаційної роботи доповідались і обговорювались на XIX Міжнародній конференції з явищ в іонізованих газах (Белград, Югославія, 1989), VIII Всесоюзній конференції з фізики низькотемпературної плазми (Мінськ, 1991), Міжнародній конференції “Фізика дуги і джерела живлення” (Київ, 1992), XII Науково-технічній конференції “Теорія і практика газотермічного нанесення покриттів” (Дмитров, Росія, 1992), IV Європейській конференції з лазерної обробки матеріалів (Геттінген, Німеччина, 1992), Національній конференції з термічного напилення (Бостон, США, 1994), V Європейській конференції з термічних плазмових процесів (С.-Петербург, 1998), XIII Міжнародній конференції з технологій модифікації поверхні (Сінгапур, 1999), науковому семінарі Інституту прикладних променевих технологій (Бремен, Німеччина, 2000), а також на науково-технічних семінарах ІЕЗ ім. Є.О. Патона НАН України (Київ, 1991-2002).

Публікації. По темі даної дисертації опубліковано 37 робіт, в тому числі 2 книги, 3 препринти, 31 публікація в академічних журналах, збірниках наукових праць і матеріалах конференцій, а також один патент США.

Структура і об'єм роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, п'яти розділів, загальних висновків, списку використаних джерел і додатків. Дисертація має загальний об'єм 393 сторінки машинописного тексту, включаючи перелік умовних позначень на 5 сторінках, 137 рисунків на 85 сторінках, 9 таблиць на 2 сторінках, список літератури з 225 найменувань на 20 сторінках та 2 додатки на 3 сторінках.

2. Основний зміст роботи

У вступі обґрунтована актуальність теми дисертації, сформульована мета роботи і визначені основні задачі, які необхідно вирішити для її досягнення. Описані об'єкт і методи дослідження, відзначена наукова новизна і практичне значення одержаних результатів із зазначенням особистого вкладу автора.

У першому розділі дисертації виконано докладний аналіз результатів відомих експериментальних і теоретичних досліджень комбінованих способів зварювання та обробки матеріалів. Розглянуті основні ефекти спільного впливу лазерного пучка і дугової плазми на оброблюваний виріб, описані існуючі схеми та пристрої для реалізації лазерно-дугових і лазерно-плазмових процесів металообробки, запропонована їх класифікація. Проведено аналіз енергетичних характеристик і технологічних можливостей комбінованих способів зварювання, різання, термообробки поверхні та нанесення покриттів, розглянуті закономірності взаємного впливу лазерного пучка і електричної дуги в комбінованих процесах обробки матеріалів.

Другий розділ присвячено теоретичному дослідженню і чисельному моделюванню процесів взаємодії сфокусованого пучка випромінювання СО₂-лазера безперервної дії з плазмою стовпа електричної дуги постійного струму, які об'єднуються у спеціальному плазмотроні з аксіальним потоком газу. Сформульована математична модель розряду, що виникає при такій взаємодії. В основу даної моделі покладені такі припущення:

плазмова система має циліндричну симетрію, зовнішні магнітні поля відсутні, процеси, які протікають, стаціонарні;

лазерний пучок є гауссовим (ТЕМ₀₀-мода), вісь пучка співпадає з віссю плазмотрона;

плазма знаходиться в стані локальної термодинамічної рівноваги, власне випромінювання плазми - об'ємне;

основними механізмами нагрівання плазми є джоулеве тепловиділення та зворотне гальмівне поглинання лазерного випромінювання, а пере-несення енергії в стовпі відбувається за рахунок теплопровідності та конвекції;

течія плазми в'язка, дозвукова, режим течії - ламінарний.

Для розрахунку характеристик плазми досліджуваного розряду використовується система магнітогазодинамічних (МГД) рівнянь в наближенні пограничного шару:

(1)

(2)

(3)

Тут T - температура; u, v - аксіальна та радіальна складові швидкості плазми; с - густина; С_p - питома теплоємність; ч - коефіцієнт теплопровідності; у - електропровідність; к_щ - коефіцієнт поглинання лазерного випромінювання; ш - густина потужності власного випромінювання плазми; з - коефіцієнт в'язкості; p - тиск; м⁰ - універсальна магнітна постійна; H - напруженість магнітного поля струму дуги. Члени j²/у і к_щS в рівнянні (1), де j - аксіальна складова густини струму в розряді, а S - інтенсивність випромінювання в лазерному пучку, описують виділення енергії в плазмі відповідно за рахунок протікання електричного струму і поглинання лазерного випромінювання.

Розподіл густини струму в розряді знаходиться за допомогою закону Oма, а осьова складова напруженості електричного поля E визначається з інтегральної умови збереження повного струму I. Величина S зв'язана з комплексною амплітудою A_щ електричного поля лазерного пучка. В припущенні, що відносна зміна параметрів плазми на відстанях порядку довжини хвилі л лазерного випромінювання мала, для знаходження A_щ використовується параболічне рівняння

(4)

Тут k = 2р/л - хвильовий вектор; е_щ = е?_щ + iе?_щ - комплексна діелектрична проникність плазми на частоті лазерного випромінювання.

Розподіл тиску в розряді обчислюється з урахуванням магнітного тиску, а градієнт газостатичного тиску на стінці каналу (0 ? z ? L_C) - з умови збереження повної витрати плазмоутворюючого газу G = G₁ + G₂.

Крайові умови, необхідні для розв'язання диференційних рівнянь (1) - (4), на осі розряду вибираються з міркувань, що система має циліндричну симетрію. На зовнішній межі розрахункової області в межах каналу вважається, що температура газу дорівнює температурі стінки та виконується умова “прилипання”. На бічній межі відкритої ділянки розряду (z > L_C) приймаються умови гладкого примикання до оточуючого середовища. Передбачається також, що радіус лазерного пучка істотно менший радіусу розрахункової області.

У вхідному перерізі розрахункової області (z = 0) задаються радіальні розподіли температури та швидкості плазми, а також комплексної амплітуди електричного поля лазерного пучка. При визначенні явного виду залежностей T(r, 0) і u(r, 0) передбачається, що катод плазмотрона має внутрішню циліндричну насадку (див. рис. 1), через отвір якої в канал втікає однорідний потік холодного газу. Розподіли T(r, 0) і u(r, 0) в межах електродного сопла, що утворюється стінками каналу і насадки, знаходяться шляхом розв'язання одновимірних рівнянь енергії та руху дугової плазми. Явний вигляд залежності A_щ(r, 0) задається в припущенні, що в розряд вводиться сфокусований гаусів пучок лазерного випромінювання потужністю Q⁰, який має мінімальну напівширину r_F в площині z = F.

Для замикання вихідної системи рівнянь необхідно визначити залежності термодинамічних параметрів, коефіцієнтів переносу і оптичних властивостей плазми від температури, тиску та складу плазмоутворюючого середовища. З цією метою розроблена методика розрахунку властивостей термічно рівноважної плазми, що містить дві атомарні газові компоненти (Ar і He). Дана методика включає в себе: визначення іонізаційного складу плазми на основі рівнянь Саха, закону парціальних тисків та умови квазінейтральності; розрахунок питомої теплоємності (з урахуванням іонізаційної складової) і густини плазми; обчислення коефіцієнтів теплопровідності, в'язкості та електропровідності багатокомпонентної плазми в 13-моментному наближенні метода Греда; розрахунок втрат на випромінювання (рекомбінаційно-гальмівне випромінювання), коефіцієнту поглинання лазерного випромінювання (зворотно-гальмівне поглинання) і комплексної діелектричної проникності плазми. Проведено розрахунки вказаних властивостей Ar-He плазми атмосферного тиску в діапазоні температур 300…25000 К при різних співвідношеннях компонент у заданій суміші. Результати розрахунків добре узгоджуються з відомими експериментальними даними.

На основі запропонованої математичної моделі виконано чисельне моделювання даного розряду в аргоні та його сумішах з гелієм при таких параметрах: I = 5…250 А; R_C = 2,5 і 4 мм (R₁ = 1 і 1,5 мм); L_C = 4 і 1,5 см; G = 0,05…0,3 г/с (G₁ = 0,01…0,075 г/с); Q⁰ = 0…1,5 кВт; r_F = 0,2…0,5 мм; F = 5…20 мм. Як показали розрахунки, дія сфокусованого випромінювання СО₂-лазера на плазму стовпа аргонової дуги призводить до збільшення температури її центральних областей, що можна пояснити локальним нагріванням плазми лазерним пучком. Починаючи з деякого перерізу z = Z_I, що є початком області лазерно-дугової взаємодії, температура T₀ на осі розряду, різко зростає до значень, що істотно перевищують температуру плазми звичайної дуги в каналі. Пройшовши через максимум, T₀ по мірі збільшення z починає плавно знижуватися (що відповідає початку z = Z_II перехідної області), прямуючи до свого асимптотичного значення. Зниження температури при z > Z_II пов'язане зі зменшенням нагрівання плазми лазерним пучком внаслідок його ослаблення при поширенні в поглинаючому середовищі. Тому на початковій ділянці дуги в каналі, яка знаходиться під впливом сфокусованого випромінювання СО₂-лазера, поблизу від осі пучка формується відносно високотемпературна область розряду, причому максимальна температура плазми, що досягається в такому розряді, збільшу-ється зі зростанням Q⁰.

Викликане локальним підвищенням температури зростання електропровідності плазми призводить до зменшення напруженості електричного поля, необхідного для підтримки заданого струму дуги, і, як наслідок, до перерозподілу густини струму в розряді. В даних умовах збільшення у поблизу осі дуги виявляється більш суттєвим фактором, ніж зниження постійної по перерізу розряду величини E, тому густина струму зростає в центрі та дещо знижується біля стінки каналу. Відзначена зміна теплового режиму горіння розряду призводить також до збільшення аксіальної складової швидкості плазми поблизу осі каналу, пов'язаному з різким зниженням коефіцієнта в'язкості аргону при T > 10000 К, зменшенням густини плазми та підвищенням ролі електромагнітних сил в формуванні плазмового потоку.

Таким чином, при дії на плазму стовпа дуги сфокусованого пучка випромінювання СО₂-лазера може відбуватись настільки суттєва перебудова теплових, електричних і газодинамічних характеристик дугової плазми, що розряд по суті перестає бути дуговим і виникає новий вид газового розряду - комбінований лазерно-дуговий розряд. Просторові розподіли характеристик плазми такого розряду залежать не тільки від потужності лазерного пучка, але й від струму дуги. Більше того, при малих струмах (I < 10 А) і Q⁰ < 0,7 кВт виникнення лазерно-дугового розряду в даній системі взагалі неможливе, оскільки температура плазми в цих умовах не перевищує 10000 К і поглинанням випромінювання СО₂-лазера можна знехтувати. Однак саме у випадку невеликих струмів (10 А < I < 25 А), за умови, що потужність лазерного пучка достатня для виникнення комбінованого розряду, спостерігаються найбільш різкі відносні зміни характеристик дугової плазми.

Для кількісної оцінки відносної ролі лазерної та дугової складових в енергетичному балансі розряду зручно використовувати параметр

(5)

який характеризує частину енергії, що виділяється в деякому перерізі розряду за рахунок протікання струму, від повної енергії, підведеної до плазми в тому ж перерізі. Різке зменшення параметра г, що відбувається в початкових перерізах області лазерно-дугової взаємодії при невеликих значеннях I означає, що тут здійснюється практично стрибкоподібний перехід розряду, який підтримується переважно протікаючим струмом (г > 0,5), в інший вид розряду, існуючий в основному за рахунок нагрівання плазми лазерним пучком (г < 0,5). Необхідно підкреслити, що лазерно-дуговий розряд на ділянці, де плазма нагрівається переважно лазерним випромінюванням, не можна ототожнювати з безперервним оптичним розрядом, оскільки при вибраних параметрах лазерного пучка і швидкості набігаючого потоку газу стаціонарний оптичний розряд в аргоні атмосферного тиску не може існувати.

Поряд зі змінами характеристик дугової плазми під дією лазерного пучка, спостерігається перерозподіл інтенсивності випромінювання в самому пучку, обумовлений поглинанням і рефракцією лазерного випромінювання в оптично неоднорідній плазмі. Як показують розрахунки, на початку області лазерно-дугової взаємодії відбувається деяке розширення пучка, яке, у сукупності з його поглинанням, призводить до помітного зниження інтенсивності лазерного випромінювання. Таке дефокусування пучка викликане тим, що в початкових перерізах цієї області, де температура плазми вже має максимум на осі розряду, але ще не перевищує 16500 К (що відповідає мінімальному значенню е?_щ для аргонової плазми), лазерний пучок поширюється в середовищі з мінімумом е?_щ, а отже, і показника заломлення на його осі. Збільшення осьової температури плазми вище вказаного значення, яке відбувається під впливом лазерного нагрівання, призводить до того, що мінімум її діелектричної проникності зміщується до периферії розряду. В результаті поблизу осі пучка утворюється область з , яка грає роль збираючої лінзи для його центральних променів, тоді як периферійні промені пучка все ще зазнають дефокусування. Збільшуючись у діаметрі зі збільшенням z в результаті прогрівання плазми лазерним пучком, плазмова лінза (область з ) поступово заповнює собою увесь переріз пучка, що означає перехід до його інтенсивного фокусування по всьому перерізу. При цьому ефективний радіус лазерного пучка зменшується настільки, що, не дивлячись на поглинання пучка в плазмі, максимальна інтенсивність випромінювання на його осі зростає до величини, яка майже вдвічі перевищує відповідне значення в фокусі вихідного пучка, а саме положення фокуса зміщується на відстань Д_f ? 4 мм.

Принциповий вплив на поведінку лазерного пучка в дуговій плазмі справляє його потужність. У випадку малих потужностей випромінювання (Q⁰ < 0,3 кВт) і I < 100 А температура плазми на осі розряду не піднімається вище 16500 К і пучок поширюється в середовищі з , тобто зазнає постійного розширення. Іншими словами, ефект додаткового фокусування лазерного пучка в дуговій плазмі носить пороговий характер по потужності лазерного випромінювання і проявляється тільки при виникненні лазерно-дугового розряду. Поведінка лазерного пучка в плазмі залежить не тільки від потужності пучка, але й від струму дуги, а також від картини течії газу на початковій ділянці каналу плазмотрона.

Важливим фактором, що впливає на характеристики плазми комбінованого розряду та лазерного пучка, який з нею взаємодіє, є склад плазмоутворюючого газу. Так, наприклад, збільшення в даній (Ar-He) суміші процентного вмісту гелію, який має більш низький коефіцієнт поглинання, призводить до зниження ролі лазерного нагрівання плазми в енергобалансі розряду, тоді як роль джоулевого нагрівання, навпаки, підвищується. В результаті вплив випромінювання СО₂-лазера на характеристики дугової плазми послаблюється і для реалізації комбінованого розряду в цих умовах потрібна більш висока потужність лазерного пучка. З іншого боку, добавка гелію до аргону помітно послаблює ефект додаткового фокусування пучка в плазмі, а при збільшенні вмісту He до 50 % вказаний ефект зникає повністю.

Що стосується закономірностей лазерно-дугової взаємодії на відкритій ділянці розряду, то якісно вони ті ж, що й на ділянці, стабілізованій стінкою каналу. Виявлені в ході моделювання відмінності в їх кількісному прояві пов'язані перш за все зі змінами характеристик самої дугової плазми при зміні способу стабілізації стовпа дуги та свідчать лише про різну ступінь взаємного впливу пучка і дуги в лазерно-дугових процесах, які реалізуються з використанням відкритої або стиснутої дуги.

Третій розділ дисертації присвячено визначенню умов практичної реалізації комбінованого розряду на основі стиснутої (плазмової) дуги, розробці принципових схем і методів розрахунку спеціальних пристроїв для його здійснення - інтегрованих лазерно-дугових плазмотронів. Запропоновані різні схеми інтегрованих плазмотронів на основі коаксіального об'єднання лазерного пучка і плазмової дуги. Відмітна особливість таких пристроїв - конструкція катодного вузла, яка дозволяє вводити лазерний пучок в дугову плазму вздовж осі плазмоформуючого каналу. З цією метою катодний вузол виконується або у вигляді системи штирьових термокатодів, або у вигляді трубчатого термоемісійного чи термохімічного катода.

За аналогією з дуговими, інтегровані плазмотрони можуть бути прямої і непрямої дії, причому останні можна розділити на плазмотрони з довжиною дуги, що самовстановлюється або з фіксованою. Інтегровані плазмотрони прямої дії можуть використовуватися для лазерно-плазмового зварювання, наплавлення і різання металів, а непрямої дії - для обробки діелектричних матеріалів, загартування металевих поверхонь, нанесення покриттів та ін.

В залежності від витрати плазмоутворюючого газу, лазерно-дугові плазмотрони можна розділити на працюючі в ламінарному або турбулентному режимі течії газу. Так само як і в дугових плазмотронах, у них можна використовувати різні способи просторової стабілізації розряду (наприклад, вихореву газову стабілізацію). При виборі способу стабілізації слід пам'ятати, що за рахунок дії на дугову плазму пучка випромінювання СО₂-лазера в ній формується високотемпературна струмопровідна область, жорстко зв'язана з віссю пучка. Це само по собі робить комбінований розряд просторово більш стабільним, ніж дуговий.

Для чисельного моделювання процесів, що відбуваються в лазерно-дугових плазмотронах осесиметричної схеми, розроблені математичні моделі комбінованого розряду в плазмотронах з ламінарною і турбулентною течією плазмоутворюючого газу. В основу рівноважної (ЛТР) моделі плазми стаціонарного лазерно-дугового розряду в ламінарному потоці газу покладена повна система МГД-рівнянь, що узагальнює систему (1) - (3) на випадок порівнянних значень аксіальних і радіальних градієнтів характеристик плазми і дозволяє врахувати закрутку газу в плазмотроні. Дана система рівнянь доповнюється рівняннями Максвелла і законом Ома для знаходження напруженостей електричного і магнітного полів та густини струму в розряді, а також параболічним рівнянням для визначення амплітуди електричного поля лазерного пучка, яке узагальнює рівняння (4) на випадок пучків з азимутальними варіаціями інтенсивності випромінювання (ТЕМ_mn-моди).

Запропонована рівноважна модель розряду в інтегрованих плазмотронах з дозвуковою турбулентною течією газу. Показано, що для опису плазми комбінованого розряду в умовах, коли вплив факторів електромагнітної природи на характер турбулентності неістотний і справедливе наближення пограничного шару, можна використовувати систему рівнянь (1) - (3) відносно обчислених середніх значень температури і швидкості плазми, замінивши коефіцієнти в'язкості та теплопровідності такими виразами: Тут з, ч - коефіцієнти молекулярної в'язкості і теплопровідності плазми, а з_t і ч_t - турбулентні складові вказаних коефіцієнтів, які можуть бути визначені на основі алгебраїчних моделей. Для обчислення з_t в межах каналу плазмотрона запропоновано використовувати комбіновану модель турбулентності - модель Прандтля в приосьовій області каналу і модель Дайслера в пристіночній області, а на відкритій ділянці течії - модель Мадні-Плетчера для круглого співвісного струменя. Коефіцієнт турбулентної теплопровідності ч_t, зв'язаний з з_t через турбулентне число Прандтля Pr_t, може бути обчислений за умови Pr_t =1. Отримана таким чином система рівнянь дозволяє розраховувати характеристики плазми і лазерного пучка, що взаємодіє з нею, як на дуговій, так і на безструмовій ділянці течії, тобто в плазмовому струмені, який створюється лазерно-дуговими плазмотронами непрямої дії.

Розроблена нерівноважна модель комбінованого розряду в плазмотронах з ламінарною течією газу. Основу моделі складає система рівнянь для опису неізотермічної (двотемпературне наближення) іонізаційно-нерівноважної плазми з врахуванням додаткового нагрівання електронної компоненти в результаті зворотно-гальмівного поглинання лазерного випромінювання. Методом Греда отримані аналітичні вирази для розрахунку коефіцієнтів переносу, дифузійних швидкостей, а також потоків енергії електронів і важких частинок плазми. Сформульовані граничні умови для рівняння енергії і рівняння дифузії електронів на зовнішній межі струмопровідної області плазми (як вільної, так і суміжної зі стінкою каналу плазмотрона).

Коректна постановка граничних умов поблизу катода для всіх моделей розряду в лазерно-дугових плазмотронах неможлива без дослідження катодних явищ стосовно до конкретної конструкції катодного вузла плазмотрона. З цією метою розроблена модель катодних процесів для трубчатого термокатода інтегрованого плазмотрона. При побудові моделі використовувався найбільш загальний підхід, який полягає у самоузгодженому врахуванні комплексу взаємопов'язаних фізичних процесів, що від-буваються в тілі катоду, на його поверхні та в прикатодній плазмі.

Прикатодна плазма умовно ділиться на дві зони: квазінейтральний іонізаційний шар (передшар), де відбувається генерація заряджених частинок, і шар просторового заряду без зіткнень, де формується основна частина катодного падіння потенціалу. Електрони, емітовані катодом, прискорюються електричним полем просторового заряду і набувають енергії, достатньої для іонізації атомів газу в іонізаційному шарі із зіткненнями. Іони, що утворюються тут, та високоенергетичні електрони плазми, які здатні подолати катодне падіння потенціалу, попадають на поверхню катода і передають йому енергію, необхідну для нагрівання катода і забезпечення струму термоемісії. Запропонована конструкція трубчатого катода дозволяє використовувати для додаткового нагрівання внутрішньої поверхні його робочого кінця частину потужності лазерного пучка, що пропускається через отвір у катоді (див. рис. 7). З цією метою геометричні параметри вказаної поверхні вибираються таким чином, щоб периферійні промені пучка, відбившись від внутрішньої конічної поверхні, попадали в циліндричний отвір на виході та зазнавали там достатнього числа відбиттів для їх повного поглинання матеріалом катода.