Как построить карт с использованием лазерной резки: Руководство для самостоятельной сборки
Если вы читаете эту статью, значит, впереди вас ждет нечто увлекательное. Даже если вы не планируете строить собственный карт, создание…
Сварка — это процесс, при котором материалы, такие как металлы или термопласты, соединяются с помощью экстремально высоких температур для создания прочного соединения. Как правило, для повышения прочности в зону соединения добавляют присадочный материал, который расплавляется и заполняет шов.
Успешность сварочного процесса и прочность конечного изделия зависят от ряда факторов, в том числе от профиля сварного шва и постоянства подачи защитного газа, предотвращающего окисление расплавленных металлов или присадки.
Эти параметры могут быть визуализированы для контроля или исследования процесса сварки. В данной статье рассматриваются некоторые техники визуализации, применяемые для получения информации о сварочных процессах, возможные области их применения, а также обзор некоторых исследований по данной тематике.
В разделе 2 описаны наиболее распространённые промышленные сварочные процессы, а в разделе 3 приведён обзор методов визуализации, используемых для отображения сварки.
В разделе 4 рассматриваются характеристики, которые могут быть визуализированы при сварке, и объясняется, почему полученная информация особенно ценна. В этом разделе, где возможно, обобщаются результаты предыдущих исследований.
Большинство принципов визуализации, описанных здесь, применимы также к визуализации процессов лазерного, дугового и плазменного аддитивного производства.
Рисунок 1. Типичная лабораторная установка для исследований сварки и аддитивного производства: высокоскоростная камера справа, лазерная подсветка слева.
В дуговой сварке в среде защитных газов (GMAW), также известной как сварка в среде инертного газа (MIG) или активного газа (MAG), сварочный пистолет создаёт электрическую дугу между расходуемым проволочным электродом и свариваемыми металлами.
Металлы соединяются за счёт высокой температуры дуги. Через сварочный пистолет подаётся защитный газ, который предотвращает контакт расплавленных металлов с окружающим воздухом.
В GMAW обычно используют источник питания с постоянным напряжением и постоянным током, но возможно и применение переменного тока. Основные методы переноса металла: глобулярный, короткозамыкающий, струйный и импульсно-струйный — выбор зависит от конкретного применения.
GMAW — наиболее распространённый процесс в промышленной сварке благодаря возможности автоматизации, скорости и универсальности. Процесс особенно хорошо подходит для использования внутри помещений благодаря защитному газу.
Несмотря на широкое применение, количество исследований по GMAW ограничено из-за трудностей с получением надёжных изображений процесса.
Яркость дуги мешает процессу визуализации, не позволяя камерам отслеживать действия сварки. Однако эту проблему можно решить, используя соответствующую технику визуализации, источник освещения и фильтры, которые будут описаны в разделах 3 и 4.
Рисунок 2. GMAW: принцип работы. (1) Направление движения, (2) Заготовка, (3) Застывший сварной металл, (4) Контактная трубка, (5) Электрод (присадочная проволока), (6) Защитный газ, (7) Сварочная ванна.
CMT отличается от традиционного GMAW в первую очередь по тепловому воздействию дуги и её стабильности.
В CMT каждый короткий замыкание фиксируется, и каждый сигнал детекции заставляет присадочную проволоку отойти от шва, давая ему время остыть перед следующей подачей капли присадки. Этот метод снижает количество брызг и обеспечивает более прочный и ровный шов по сравнению с традиционным GMAW.
CMT признан более предпочтительным при сварке стали и алюминия (Selvi и др., 2018).
Дуговая сварка вольфрамовым электродом (GTAW), также именуемая сваркой в среде инертного газа вольфрамовым электродом (TIG), использует горелку вместо пистолета для создания дуги между неплавящимся вольфрамовым электродом и металлами заготовки.
Как и в GMAW, шов защищён от загрязнений защитным газом. Обычно применяется присадочный металл, но его использование не всегда обязательно. Источник питания для GTAW — это, как правило, источник постоянного тока.
GTAW идеально подходит для сварки магния, меди, алюминиевых сплавов и других цветных металлов, а также тонких листов нержавеющей стали. В отличие от GMAW, GTAW обеспечивает более качественные и прочные швы благодаря большему контролю оператора за процессом.
Однако этот процесс медленнее и сложнее. С точки зрения визуализации GTAW проще для съёмки в сравнении с GMAW из-за различий в тепловом режиме и количестве брызг.
Рисунок 3. GTAW: принцип работы. (1) Направление движения, (2) Заготовка, (3) Сварной шов, (4) Контактная трубка, (5) Электрод, (6) Защитный газ, (7) Сварочная ванна, (8) Присадочный пруток.
Система плазменно-дуговой сварки (PAW) схожа с GTAW: также используется электрод из спечённого вольфрама, но в PAW электрод располагается внутри сварочной горелки, что позволяет отделить плазменную дугу от защитного газа.
Пропуская плазму через небольшое отверстие сопла горелки, увеличивается температура и скорость дуги, улучшаются свойства теплопередачи, стабильность и форма дуги. PAW можно применять как с присадочным материалом, так и без него.
Рисунок 4. PAW: принцип работы. (1) Направление движения, (2) Заготовка, (3) Сварной шов, (4) Электрод, (5) Плазмообразующий газ, (6) Охлаждаемое водой тело горелки, (7) Защитный газ, (8) Сопло защитного газа, (9) Плазменная дуга, (10) Сварочная ванна, (11) Присадочный пруток (опционально).
В лазерной сварке (LBW) для расплавления материалов применяется лазер вместо электрической дуги.
Ключевые преимущества LBW заключаются в лёгкой автоматизации (большинство LBW-процессов автоматизированы) и высокой концентрации тепла, что позволяет создавать глубокие и узкие швы.
Импульсный лазер может использоваться для сварки тонких заготовок. Благодаря узкой зоне нагрева поверхность быстро нагревается и остывает.
Однако при сварке сталей с высоким содержанием углерода возможны трещины из-за быстрого охлаждения.
LBW подходит для сварки различных материалов, например нержавеющей стали, углеродистых сталей, алюминия, так как мощность лазерного луча легко контролируется.
LBW проще для визуализации по сравнению с дуговыми процессами. Фильтрация узкого спектра излучения лазера значительно проще, чем света, возникающего при дуговой сварке.
Рисунок 5. LBW: принцип работы. (1) Направление движения, (2) Заготовка, (3) Сварной шов, (4) Лазерный луч, (5) Защитный газ, (6) Сопло защитного газа, (7) Сварочная ванна.
К другим методам сварки, которые могут выиграть от применения лазерной подсветки, относятся газовая и контактная сварка, включая взрывную, сопротивлением и трением.
Взрывная сварка уже исследовалась с использованием лазера CAVILUX. В отличие от этого, подводная дуговая сварка не выигрывает от лазерной подсветки, так как зона сварки покрыта флюсом.
Визуализация сварочных процессов сопряжена с серьёзными трудностями, так как камеры «ослепляются» яркостью электрической дуги. В этом разделе представлены различные методы визуализации сварочных процессов, их достоинства и недостатки.
Один из способов визуализации — использование только излучения самого процесса как источника света для камеры, без дополнительного освещения.
В таком случае основное освещение обеспечивается электрической дугой, температура которой в зависимости от процесса может достигать от 6000 до 20 000 °C.
Однако при такой съемке свет обычно слишком ярок для матрицы камеры, что приводит к пересвеченным изображениям с низкой детализацией.
Рисунок 6a. Тепловое излучение процесса (слева). Рисунок 6b. Пики излучения элементов процесса (справа).
Количество света, поступающего на сенсор камеры, можно ограничить нейтрально-серыми фильтрами. Недостаток в том, что плохо освещённые области становятся ещё темнее, и не все детали можно визуализировать только с помощью фильтров.
Для одновременного наблюдения «горячих» и «холодных» зон необходима комбинация фильтра, предотвращающего пересвет изображения, и дополнительной подсветки, совпадающей с пропускной полосой фильтра.
Но для получения качественных и детализированных изображений требуется дополнительный источник света, мощнее самой дуги.
При использовании узкополосного фильтра можно осветить объект практически монохроматическим лазерным источником.
Узкополосный фильтр пропускает только свет определённой длины волны, блокируя остальное излучение процесса. Лазерная подсветка должна быть мощнее излучения процесса в этой узкой полосе.
На практике для этого требуется лазер мощностью всего несколько сотен ватт. Такая система позволяет одновременно визуализировать и «горячие», и «холодные» области. Сравнение различных схем подсветки приведено на рисунке 6.
Рисунок 7. Сравнение трёх различных схем подсветки для визуализации сварочных процессов.
В промышленных условиях предпочтительна непрерывная мониторинговая съёмка процессов сварки, для чего используются низкие частоты кадров.
В исследованиях и разработках обычно применяют высокоскоростные камеры, способные фиксировать быстрые явления, которые невозможно зафиксировать стандартной камерой с низкой частотой кадров.
Независимо от частоты кадров, камера должна обеспечивать короткие выдержки и иметь монохромный сенсор, если предполагается работа с лазерной подсветкой.
Короткая выдержка уменьшает количество света, проходящего через узкополосный фильтр. Важно использовать короткие лазерные импульсы (оптимально — в микросекундном диапазоне), а не непрерывный источник света.
Короткие лазерные импульсы не вызывают тепловых эффектов на объекте и упрощают вопросы безопасности. По сравнению с цветными камерами, монохромные обеспечивают более высокую чувствительность и качество изображения.
Ключевые параметры выбора оптики — поле зрения и рабочее расстояние. Также учитывают габариты камеры. Регулируемая диафрагма позволяет управлять яркостью изображения; меньшая диафрагма увеличивает глубину резкости.
Изменяя угол между камерой и источником подсветки, можно акцентировать различные особенности сварочного процесса. Кроме того, расположение камеры и подсветки важно для предотвращения зеркальных отражений от металлических поверхностей заготовки.
Основные схемы визуализации включают:
Оптимальная схема для каждого применения подбирается опытным путём. На рисунках ниже показаны две схемы прямой подсветки и одна схема косвенной подсветки с отражающей пластиной.
Рисунок 8. Слева: одновременная прямая и обратная подсветка дуговой сварки. Справа: прямая подсветка лазерной сварки.
Рисунок 9. Косвенное освещение с помощью отражающей пластины для акцентирования динамики сварочной ванны.
Машинное зрение применяется для постоянного мониторинга промышленных процессов с помощью камер.
Системы машинного зрения используют для контроля процесса и качества сварки. Параметры процесса могут корректироваться на основе изображений или результатов анализа. Интеграция машинного зрения с продвинутыми алгоритмами анализа позволяет автоматизировать управление процессом и снижает нагрузку на персонал.
Высокоскоростная визуализация фиксирует множество последовательных кадров с высокой скоростью. В сварочной отрасли она используется преимущественно для исследований и разработок.
Высокоскоростная съёмка позволяет наблюдать быстрые и ультрабыстрые процессы в замедленном темпе, что значительно облегчает их анализ и понимание.
Скорость съёмки зависит от выбранного решения: встроенные ПЗС-камеры могут фиксировать 103 кадра при 10 млн кадр/сек, а камеры с усилителем — 4-12 кадров при 200 млн кадр/сек. Схожие скорости доступны для КМОП-камер.
Комбинированное применение машинного зрения и высокоскоростной визуализации возможно для мониторинга промышленных сварочных процессов. Программное обеспечение может запускать высокоскоростную съёмку при обнаружении определённых изменений или признаков, интересных для дальнейшего анализа. Промышленность движется к такой автоматизации.
Главное преимущество лазерной подсветки при визуализации сварочных процессов — возможность использования эффективных узкополосных фильтров. Соответственно, мощность лазера должна превышать мощность излучения процесса только в узкой полосе пропускания. На практике достаточно лазера мощностью несколько сотен ватт.
При этом фильтрация излучения процесса позволяет контролировать яркость и получать изображения с большим количеством информации.
Лазерная подсветка позволяет направить высокую мощность через апертуру всего в несколько миллиметров, создавая очень высокую яркость.
Подача света может быть точно синхронизирована и регулироваться шагом в 10 наносекунд.
В отличие от светодиодов, лазеры обеспечивают монохроматичное, не дающее спеклов излучение и высокую освещённость. Лазеры, как правило, компактны и применимы в различных установках.
Волоконная доставка света позволяет размещать лазер на удалении от объекта. Короткие импульсы дают возможность фиксировать быстрые явления без смазывания движений.
Другие преимущества лазерной подсветки для визуализации сварочных процессов:
Методы подсветки, реализуемые с помощью лазеров, разнообразны: прямая волоконная, структурированные паттерны, дальнодействующая подсветка.
Для особенно быстрых явлений, таких как ударные волны, лазерная подсветка позволяет использовать двойные импульсы, что даёт возможность измерять скорость распространения волны.
Главная задача фильтров — повышение качества изображения. Фильтры позволяют управлять количеством и типом света, попадающего на сенсор камеры. Это особенно важно для GMAW и GTAW, где дуга чрезвычайно яркая.
В зависимости от оборудования и доступности дополнительных компонентов могут применяться нейтрально-серые и узкополосные фильтры (см. раздел 3.1.1).
Шлирен-визуализация применяется для изучения явлений, не видимых невооружённым глазом, но изменяющих направление распространения света. Метод основан на отображении различий в показателе преломления прозрачных сред, таких как воздух или вода. Схема установки показана на рисунке 10.
Теневой метод — это визуализация, при которой изображение получают без использования маски, в отличие от шлирен-метода.
Рисунок 10. Сложенная Z-образная шлирен-система Cavitar. (1) Камера, (2) маска, (3) вспомогательное зеркало, (4) зеркало, (5) тестовая область, (6) щель, (7) лазер CAVILUX, (8) дополнительная фронтальная подсветка (опционально).
Теневой метод формирует «тенеграммы», которые, по словам Settles (2001:29), «не являются фокусированным оптическим изображением», а всего лишь «тенью».
Теневой метод менее чувствителен, чем шлирен, но хорошо подходит для визуализации ударных волн и турбулентных потоков. Эти два метода дополняют друг друга по предоставляемой информации: теневой метод отображает изменения плотности, но не направление, а шлирен — угол отклонения луча.
Кроме использования маски, основное отличие в том, что «шлирен-изображение отображает угол отклонения», а «теневой метод — смещение луча» (Settles 2001:29).
Теневую систему проще собрать, так как самая трудоёмкая часть шлирен-визуализации — точное размещение маски и подбор чувствительности.
Однако преимущества шлирен-метода часто перевешивают сложность: «он акцентирует, даже преувеличивает детали в объекте, в то время как теневой метод их сглаживает» (Settles 2001:29). Кроме того, «однозначная 1:1 соотнесённость изображения с объектом часто является решающим преимуществом» (Settles 2001:29).
В сварочных процессах присутствует множество компонентов и явлений, которые могут быть визуализированы с применением вышеописанных методов.
Основное внимание уделяется видимым особенностям процесса сварки. Благодаря визуализации и оценке этих особенностей можно выявлять и предотвращать дефекты, а также управлять и оптимизировать процесс.
В этом разделе перечислены компоненты и явления, которые можно визуализировать, и приведены примеры свойств, представляющих интерес для исследования.
Кромка — это пространство между свариваемыми заготовками или канал на поверхности одной детали.
В кромке концентрируется расплавленный металл и формируется шов. Как правило, для сварки в кромку необходимо специально подготовить соединение. Примеры различных кромок представлены на рисунке 11.
Рисунок 11. Примеры различных видов кромок.
Некоторые свойства кромки имеют решающее значение для получения качественного шва: форма кромок свариваемых деталей, их взаимное расположение по высоте, форма зазора и выравнивание заготовок. Все эти параметры можно отслеживать на протяжении всего процесса.
Соединение — место стыка двух и более заготовок, зачастую синонимично понятию «кромка». Однако кромки могут быть и на поверхности одной детали.
В сварке положение соединения относительно горелки важно для получения прочного, ровного шва, а точное управление подачей тепла улучшает качество сварки. Особенно это критично в LBW, где швы обычно узкие, и любое отклонение может привести к отсутствию проплавления боковых стенок (см., например, Nilsen и др., 2017).
Комбинируя визуализацию процесса сварки и мощные алгоритмы анализа, можно автоматически корректировать положение сварочной горелки относительно соединения.
Рисунок 12. Пример соединения при плазменной сварке.
GMAW и SMAW используют расходуемые проволоки, подаваемые в зону шва с постоянной скоростью. Электрическая дуга возникает между проволочным электродом и заготовкой.
Материал проволоки выбирается в зависимости от материала заготовки и других характеристик процесса, что влияет на итоговое качество шва.
В GTAW и PAW присадочная проволока подаётся в зону сварки извне, так как для дуги используется неплавящийся электрод.
Рисунок 13. Проволока с флюсовым покрытием для SMAW.
При плавлении присадочной проволоки сварной шов формируется за счёт переноса капель расплавленного металла на заготовку. Основная причина визуализировать капли — выявить возможные проблемы с их формированием и оптимизировать процесс. Положение проволоки относительно кромки также критично для получения ровного шва.
Рисунок 14. Присадочная проволока в GMAW.
Брызги — это капли сварочного материала, которые разлетаются вокруг рабочей зоны во время сварки.
Из-за высоких температур брызги могут повредить рабочую поверхность, если она не защищена, и оставить нежелательные следы на изделии.
Брызги способствуют образованию коррозии, могут исходить как от проволоки, так и от сварочной ванны, и чаще всего встречаются при GMAW.
Причинами появления брызг могут быть загрязнения поверхности заготовки, особенности дуги, тип защитного газа, угол сварки и скорость подачи проволоки.
Gunenthiram и др. (2018) показали, что брызги можно успешно анализировать, сочетая высокоскоростную съёмку, лазерную подсветку и последующий анализ изображений.
Исследование подтвердило, что материал порошка влияет на количество брызг в порошковой LBW, а визуализация может быть инструментом для их снижения.
Рисунок 15. Формирование брызг при лазерной сварке.
В GTAW и PAW в центре горелки располагается неплавящийся вольфрамовый электрод.
Между этим электродом и заготовкой формируется электрическая или плазменная дуга. К числу изучаемых параметров электрода относятся его состояние и положение относительно заготовки.
Рисунок 16. Кончик электрода в процессе TIG-сварки.
Электрическая дуга при дуговой сварке возникает между присадочной проволокой или электродом и заготовкой. Она обусловлена электрическим разрядом и отвечает за нагрев металла во время сварки.
Визуализация дуги затруднена из-за её чрезвычайной яркости. Благодаря возможности фильтрации большей части излучения, лазерная подсветка практически необходима для съёмки свойств дуги.
Шлирен-системы с мощной подсветкой используются для исследования взаимодействия дуги с заготовкой (см., например, Siewert и др., 2014).
Рисунок 17. Формирование дуги при GMAW — вращающаяся дуга.
Газовая смесь, которая постоянно поступает из сварочного пистолета или горелки во время сварки, называется защитным газом. Она предотвращает окисление расплавленного материала, обеспечивая прочное и качественное соединение.
Защитный газ является ключевым элементом сварочного процесса, поскольку непрерывная и оптимизированная подача газа не допускает попадания в сварочную зону загрязняющих веществ из воздуха.
По данным Зиверта и др. (2014: 1), загрязнение может вызывать «нестабильность дуги, окисление, пористость и разбрызгивание».
Кроме того, плазма и дуговые пятна могут негативно пострадать при контакте с кислородом или другими атмосферными газами. Подробная информация о потоках и функциях защитных газов особенно полезна при разработке новых сварочных пистолетов и горелок.
Самой важной характеристикой сварочных пистолетов и горелок в части подачи защитного газа является обеспечение корректной работы сопла, позволяющей газу поступать без расслоения или турбулентности (Siewert и др. 2014).
Защитный газ — один из наиболее изучаемых компонентов сварки. Зиверт и др. (2014: 1) отмечают, что как лазерная доплеровская анемометрия (LDA), так и визуализация с помощью частиц (PIV) были протестированы для анализа потоков защитного газа.
Из этих двух методов PIV оказался наиболее подходящим, так как он позволил «бесконтактно и с временным разрешением фиксировать двумерное газовое поле» как в GMAW, так и в GTAW-приложениях. Однако для овладения данной техникой измерения требуется значительная подготовка и немалые финансовые вложения.
Более экономичным и простым способом оценки эффективности потоков защитного газа является метод шлирен-фотографии. Однако высокая яркость дуги, особенно при GMAW, создает дополнительные сложности и может вызывать помехи на изображениях.
Визуализация процесса GMAW традиционно вызывает затруднения. Тем не менее, путем изменения ключевых компонентов — источника света и маски — можно получить качественные шлирен-изображения защитного газа.
Зиверт и др. (2014) установили, что оптимальным вариантом маски является маска с острым краем, расположенная перпендикулярно к заготовке, однако различные формы и размеры масок могут быть более удобны для визуализации различных явлений.
Выбор наиболее подходящей маски для конкретного применения зависит также от формы источника света; в идеале форма маски должна соответствовать форме источника.
Использование двухцветных фильтров помогает повысить контрастность и видимость турбулентности, одновременно снижая интенсивность света. Для полного подавления яркости дуги можно использовать лазерный источник света в сочетании с «нейтральным серым фильтром с пропускной способностью 1%» (Siewert и др. 2014: 4).
Зиверт и др. (2014: 4) обнаружили, что консистенция защитного газа влияет на его видимость в шлирен-изображениях: «Переход газовой струи рабочего газа в атмосферу особенно хорошо визуализируется при использовании аргона с заметной долей гелия (50%) в качестве защитного газа. Однако следует учитывать, что гелий существенно влияет на геометрию дуги и, прежде всего, на поток газа».
С другой стороны, Битарас и др. (2018) успешно применили шлирен-метод для исследования потоков защитного газа, состоявших из 80% аргона и 20% углекислого газа (CO2), а также 86% аргона, 12% CO2 и 2% кислорода (O2).
Дрехер и др. (2009) исследовали использование шлирен-фотографии для визуализации защитного газа при наличии дуги. Команда добилась хороших результатов с помощью Z-образной шлирен-системы, используя специальные апертуры, фильтры, линзы и зеркала.
Полученные изображения помогли оценить характеристики потока защитного газа с дугой и без неё, с особым вниманием к турбулентности и их влиянию на заготовку. Эти данные могут быть использованы при разработке новых сварочных горелок с улучшенными характеристиками подачи защитного газа.
Рисунок 18. Поток защитного газа при сварке GMAW, полученный методом шлирен-фотографии. Ударная волна дуги видна на изображении.
В другом аналогичном исследовании Дрехер и др. (2013) продолжили использовать PIV и шлирен-изображения для изучения того, как различные сопла защитного газа влияют на его поток. Они также учитывали выравнивание горелки и тип соединения как факторы, способные повлиять на характеристики потока.
Для визуализации защитного газа с помощью PIV Дрехер и др. (2013) применили комбинацию лазерной подсветки CAVILUX для отслеживания частиц. Наиболее значительным преимуществом PIV является легкость транспортировки измерительных компонентов и возможность использования с любым химическим составом защитного газа.
PIV отлично подходит для анализа поля потока в свободной струе защитного газа и непосредственно возле дуги. Однако для более эффективной визуализации турбулентных эффектов целесообразно использовать шлирен-метод. Важно отметить, что согласованность состава газа критична, поскольку метод основан на различии плотностей.
Помимо PIV и шлирен-метода, потоки защитного газа успешно исследовались и анализировались с использованием теневой фотографии. С помощью переносной системы теневой фотографии с лазерной подсветкой Бейер и др. (2013) изучили оптимальные скорости подачи защитного газа и влияние поперечных потоков и размера сопла на покрытие защитным газом при сварке металлов в среде инертного газа.
Было установлено, что сварщики часто излишне увеличивают скорость подачи защитного газа, что приводит к необоснованным расходам. Было обнаружено, что скорость подачи газа должна определяться максимальным ожидаемым поперечным сквозняком и размером используемого сопла.
Анализ показал, что в некоторых сварочных процессах даже 50% снижение скорости подачи защитного газа не ухудшает качество сварного шва, что означает, что изучение процесса и подбор оптимальных параметров могут привести к значительной годовой экономии.
Для дополнительного изучения визуализации защитного газа см. работы Битараса и др. (2016), Зиверта и др. (2014) и Шника и др. (2013).
Рисунок 19. Пример формирования дуги при сварке GMAW. В установке использовалась оптика с тонким световым сечением для изучения потока защитного газа методом PIV.
Сварочная ванна — это расплавленный сварной металл, который еще не затвердел, то есть обычно находится непосредственно в точке сварки.
Факторы, влияющие на форму и поведение сварочной ванны, включают используемую мощность, скорость сварки и фокусировку. Понимание характеристик сварочной ванны важно для оптимизации включения капель присадочного материала и, как следствие, уменьшения разбрызгивания (см. Gunenthiram и др. 2018 о сварочных материалах, вязкости сварочной ванны и разбрызгивании, а также Fabbro 2010 о поведении ванны при лазерной сварке).
Используя шлирен-систему с лазерной подсветкой, Салминен и др. (2008) успешно визуализировали форму и окисление сварочной ванны.
Группа отметила, что по данным предыдущих исследований с применением высокоскоростной съемки, более узкие швы и интенсивное движение расплава у поверхности достигаются при увеличении скорости сварки. Однако при превышении определенного порога скорости наблюдается ухудшение качества шва из-за увеличения разбрызгивания.
В своей работе им не удалось отследить поведение сварочной ванны из-за ограниченных возможностей используемого оборудования, однако было выявлено, что ванна обычно расширяется позади ключевого отверстия. Кроме того, сварочная ванна демонстрирует сходные характеристики по всей глубине проплавления.
В свою очередь, Конильо и др. (2014) применили метод shape-from-polarization для топографической характеристики сварочной ванны. Метод основан на регистрации теплового излучения, испускаемого сварочной ванной, и использует фоновую шлирен-визуализацию для реконструкции поверхности ванны.
Метод наиболее эффективен при низкой силе тока. Такие топографические измерения дают важную информацию о вогнутости и выпуклости сварочной ванны, что указывает либо на недостаток, либо на избыток присадочного материала.
Рисунок 20. Наблюдение сварочной ванны при аддитивном производстве по технологии CMT в сочетании с шлирен-визуализацией.
Когда дуга нагревает материал и часть его испаряется, в центре сварочной ванны образуется ключевое отверстие.
Ключевые отверстия имеют решающее значение в лазерной сварке (LBW), где лазерный луч эффективно испаряет сварочный материал, формируя ключевое отверстие, через которое энергия передается в окружающие области. Важнейшие характеристики ключевого отверстия — его форма, размеры и поведение, которые напрямую влияют на качество сварки. Ключевое отверстие тесно связано со сварочной ванной.
По данным Салминена и др. (2008), взаимосвязь между ключевым отверстием и фокусировкой критически важна для обеспечения высокого качества сварных соединений. Ранее было показано, что положение фокуса должно быть ниже поверхности заготовки, а размер ключевого отверстия должен составлять примерно 85% от размера фокуса.
Однако Салминен и др. (2008) выявили, что размер ключевого отверстия может варьироваться в зависимости от скорости сварки: при более высокой скорости оно становится более вытянутым и овальным, тогда как при низкой скорости обычно наблюдается более округлая форма.
При низком тепловложении в ключевом отверстии возникают нестабильные эффекты. Для получения изображений сварочного процесса использовалась шлирен-система с лазерной подсветкой. Несмотря на успешную визуализацию, было установлено, что для захвата быстрых изменений в ключевом отверстии лучше всего подходит высокоскоростная камера (с частотой более 10 000 кадров в секунду).
Фабро (2010) также исследовал взаимосвязь между ключевым отверстием и скоростью сварки при лазерной сварке. Было установлено, что не только скорость сварки влияет на форму и размеры ключевого отверстия, но и характеристики используемого лазера.
Современные, высококачественные лазерные лучи имеют более компактное фокусное пятно, и благодаря увеличенной интенсивности форма ключевого отверстия становится намного более стабильной (например, выше порог наклона передней стенки отверстия).
Рисунок 21. Ключевое отверстие в процессе сварки лазером NdYAG.
