Что может быть веселее сварки лазером? Идея луча невидимого (инфракрасного) света, достаточно мощного, чтобы плавить такие металлы, как сталь и алюминий, не только интригует, но и очень практична. Сварка лазерным лучом использует преимущества уникального механизма подачи лазерного излучения, чтобы обеспечить высокую плотность энергии, глубокое проникновение, минимальную зону термического воздействия и возможность сварки на расстоянии от обрабатываемой детали. Однако сварка лазерным лучом также приносит с собой новые проблемы с точки зрения характеристики рабочих параметров. Наиболее фундаментальным из них является оптическая мощность, создаваемая лазером. В настоящее время существует два основных подхода к измерению мощности лазера, подаваемой на сварочную рабочую поверхность, но оба имеют ограничения. Это сводится к компромиссу: либо мощность лазера может быть измерена точно, но не во время процесса сварки, либо ее можно измерить в “реальном времени” во время сварки, но со значительно меньшей точностью.
Преимуществом как точного измерения мощности, так и измерения мощности в реальном времени было бы значительное улучшение контроля качества лазерной сварки, особенно когда требуется точная подача мощности для критически важных применений сварки, таких как аэрокосмическое производство. В ответ на эту потребность Национальный институт стандартов и технологий разрабатывает новый способ измерения мощности лазера, который позволяет как точно, так и в режиме реального времени измерять мощность лазерной сварки. Традиционно точное измерение высокой мощности лазера включает в себя измерение количества выделяемого тепла. Обычно для этой цели используется “тепловой” измеритель мощности. В принципе, расфокусированный лазерный луч направляется на поверхность измерителя тепловой мощности, которая покрыта веществом, обладающим высокой эффективностью поглощения света на длине волны лазерного луча. Затем измеритель работает, поглощая весь лазерный свет и измеряя результирующее повышение температуры. Это означает, что мощность лазера используется при измерении и недоступна для процесса сварки. Мы подходим к измерению высоких лазерных мощностей по-другому. Вместо того чтобы поглощать весь лазерный свет, мы предпочитаем как можно больше отражать от зеркала. И вместо того, чтобы измерять тепло, мы измеряем очень малую силу света, когда он давит на зеркало. Может показаться удивительным, что сам свет может давить на что угодно, но, как будет объяснено, эта идея “радиационного давления” была неоднократно доказана и используется в других научных областях. Идея измерения мощных лазеров без заметного нагрева открывает несколько заманчивых возможностей. С помощью измерителя мощности давления излучения мощность лазера потенциально может быть измерена с точностью до 1-2% во время сварочной операции, что позволит контролировать качество и может упростить процесс настройки сварного шва. Мы провели предварительное тестирование этой идеи путем сварки иттербиевым волоконным лазером с оптической мощностью до 5 кВт при одновременном и точном измерении выходной мощности лазера с помощью прототипа измерителя мощности радиационного давления. Насколько нам известно, это первое подобное измерение в своем роде.
Использование силы света для измерения мощности лазерной сварки
С 1700-х годов ученые предсказывали, что свет имеет связанный с ним импульс. Это означает, что, как и любой другой движущийся объект, когда свет попадает на что-то, он давит на него, но только в начале 20-го века этот крошечный толчок был фактически измерен. Конечно, толчок (или сила) очень мал. В качестве простой аналогии представьте теннисный мяч, брошенный в неподвижную ракетку. Мяч отскочит в сторону, в то время как ракетка будет толкаться в противоположном направлении. Сила, которую испытывает ракетка, будет пропорциональна массе теннисного мяча и скорости его движения. Точно так же, когда свет отражается от зеркала, зеркало толкается. Поскольку весь свет движется с одинаковой скоростью (около 299 792 км в секунду), сила, ощущаемая зеркалом, будет зависеть только от количества и энергии фотонов (частиц света), попадающих в него за заданный промежуток времени. (Подумайте о миллиардах триллионов бесконечно малых теннисных мячей, ударяющихся о зеркало каждую секунду).
Оказывается, сила, действующая на зеркало, удобно пропорциональна оптической мощности отражаемого лазерного луча. Хотя этот эффект может показаться незначительным, есть несколько знакомых примеров радиационного давления. Например, хвост кометы направлен в сторону от солнца частично из-за радиационного давления солнца, давящего на газ и лед, составляющие хвост; космические корабли в длительных миссиях должны учитывать силу солнечного света, чтобы достичь своей цели; а микроскопическими объектами манипулируют с помощью силы света в технике, известной как “оптический пинцет”. С увеличением числа мощных лазеров (1 кВт и выше), используемых в лазерных сварочных операциях, и наличием масштабных технологий, которые могут точно измерять изменения массы до 1-10 г, давление излучения может быть легко измерено. Практически мы обнаружили, что для многокиловаттных лазеров их силу на зеркале можно просто измерить в коммерческих масштабах.
Применение теории на практике
Мы используем прототип устройства, которое мы называем “измеритель мощности радиационного давления” (об/мин), основанный на коммерчески доступной шкале измерения массы и зеркале высокого качества (Распределенный отражатель Брэгга), которое отражает более 99,9 % падающего лазерного света. Весы имеют уникальную конструкцию, которая позволяет им работать в боковом направлении (то есть, в отличие от обычных весов, которые измеряют силу в направлении вниз, эти весы могут измерять толчок в горизонтальном направлении). Весы могут ощущать изменение массы всего лишь на 10 г. Отражая свет сварочного лазера от зеркала, прикрепленного к шкале, мы можем измерить силу, создаваемую светом, не поглощая свет (поглощается менее 0,1 %). Регистрируя силу света (давление излучения), мы измеряем оптическую мощность лазерного луча. Для перспективы 10 Вт лазерного света вызывает силу 66,7 Нн (нанонЬютонов), что примерно равно весу ресницы, 1 кВт света толкает с 6,67 Н (примерно вес песчинки), а 100 кВт создает силу, равную весу примерно двух скоб (667 Н). Прототип измерителя мощности радиационного давления был добавлен на нашу сварочную рабочую станцию. Поскольку наш текущий прототип был разработан для горизонтально движущегося лазерного луча, мы модифицировали сварочную установку, удалив волокно подачи света (“процесс”) из вертикально расположенной сварочной головки и используя оптический коллиматор для создания коллимированного лазерного луча (весь свет, движущийся в основном параллельном направлении).
Этот луч отражался от чувствительного зеркала в нашем RPM, а затем фокусировался линзой на заготовке. Конечно, точные весы печально известны своими трудностями в работе в условиях вибрации, при наличии воздушных потоков или при значительном изменении их температуры. Внутри рабочей станции лазерной сварки все три из них могут быть проблемой. Шкала была установлена на внутреннем полу (гранитная плита) сварочного рабочего места, поэтому она не перемещалась вместе с этапом перемещения, на котором была установлена заготовка.
Шкала была защищена алюминиевым корпусом с анодированной алюминиевой трубкой, содержащей фокусирующую линзу и одноразовое защитное стекло для защиты линзы от повреждения брызгами сварного шва. Наконец, заготовка была помещена в фокус лазерного луча, на расстоянии ~300 мм от объектива. Азотный защитный газ подавался из сопла, расположенного примерно в 2 см от обрабатываемой детали. Мы обнаружили, что тепло от сварочной ванны и шлейфа влияет на измерение шкалы, поэтому между местом сварки и корпусом шкалы был установлен тепловой экран из фольги с отверстием для прохождения света. Конечно, эта установка не типична для операций лазерной сварки, но она позволяет нам проверить производительность нашего прототипа RPM. Потребуются дальнейшие разработки, чтобы миниатюризировать его для размещения в самой лазерной сварочной головке и внедрить методы подавления шума, позволяющие работать в условиях высокой вибрации.
Демонстрация метода радиационного давления в реальном времени
Чтобы продемонстрировать измерение мощности лазера в режиме реального времени в процессе сварки, мы выполнили несколько сварных швов по окружности на трубе из нержавеющей стали типа 304L наружным диаметром 89,5 мм и толщиной стенки 5,6 мм. Для создания инертной среды использовался азотный защитный газ, и луч фокусировался на заготовке до размера пятна диаметром ~0,6 мм. Скорость перемещения (скорость вращения трубы) была увеличена с увеличением мощности лазера для поддержания хорошего качества сварного шва на основе визуального контроля поверхности. После сварки трубу разрезали, отполировали и протравили смешанной кислотой (равные части HCl, HNO3 и уксусной кислоты), чтобы выявить макроструктуру с помощью оптической микроскопии. На рисунке 4 показаны поперечные сечения, которые показывают глубину проплавления сварного шва в зависимости от мощности лазера, измеренной во время сварки с использованием оборотов в минуту. Как и ожидалось, глубина проплавления сварного шва и общий объем расплава увеличились с увеличением мощности лазера, достигнув полного проплавления соединения при мощности луча 2,8 кВт.
Обратите внимание, что линейная тепловая мощность HI была рассчитана для каждого сварного шва, так как скорость вращения трубы (в единицах мм/с) изменялась в зависимости от выбранной мощности лазерного луча, P, так что HI = P/. Неопределенность измерения мощности лазера с помощью измерителя мощности давления излучения является предварительной оценкой и будет уточнена в дальнейшем с помощью дополнительных измерений. Но в настоящее время неопределенность преобладает из-за неопределенности в нашей калибровке шкалы в самых низких диапазонах массы (300-500 г), которые соответствуют примерно 600-1000 Вт мощности лазера. По нашим оценкам, погрешность калибровки шкалы на этих самых низких уровнях составляет около 1,5%. На данный момент мы используем это в качестве нашей оценки неопределенности мощности. Мы также осознаем потенциальный тепловой дрейф в показаниях шкалы, поскольку более высокие мощности или более длительное время сварки изменяют температуру оборотов в минуту. Эти эффекты должны быть устранены, но для измеренных здесь параметров любой дрейф был просто устранен линейным приближением, и мы присвоили предварительную погрешность измерения мощности лазера 1,5%, которая включает коэффициент покрытия 2 (иногда называемый “неопределенностью 2 сигмы”), указывающий, что мы ожидаем, что фактическая мощность с вероятностью 95% находится в пределах 1,5% от значения, измеренного с помощью оборотов в минуту.
Гибридный метод измерения мощности для достижения точности и скорости
Как уже упоминалось, давление излучения является уникальным способом измерения мощности лазера, поскольку все другие методы требуют поглощения лазерного излучения. Традиционно компромисс заключается в том, чтобы поглощать весь свет для точного измерения мощности или, в качестве альтернативы, измерять только крошечную “отбирающую” часть света, позволяя использовать остальную часть света для сварочной операции. Этот второй подход имеет меньшую потенциальную точность, но является простым методом, предлагающим быстрый способ увидеть изменения мощности лазера во время сварки со временем отклика порядка миллисекунд или даже микросекунд. С другой стороны, современная технология коммерческого масштаба не предназначена для таких быстрых измерений, и в результате наш RPM имеет приблизительное время отклика 5 секунд. В краткосрочной перспективе гибридный подход между измерителем мощности радиационного давления и датчиком мощности датчика может стать решением, позволяющим быстро и точно измерять мощность сварочного лазера в режиме реального времени. Подход к отбору несколько распространен и был установлен в волоконном лазере, питающем нашу сварочную операцию. При измерении небольшая часть света лазера поглощается для измерения с помощью фотодиода (небольшого оптического детектора мощности на полупроводниковой основе). Это устройство работает как небольшой солнечный элемент, где свет поглощается фотодиодом и генерирует электрический сигнал, который становится измерением входящей мощности лазера. Это обеспечивает быстрый способ контроля мощности лазера в режиме реального времени. Поскольку эти тонкие фотодиоды не выдерживают мощности лазера более нескольких милливатт, они не могут измерить полный лазерный луч. Во время работы лазера очень малая часть света лазера направляется на фотодиод. Мощность, измеряемая фотодиодом, пропорциональна общей мощности лазера, но эту пропорцию трудно определить количественно, поскольку отношение отклоненного света к общей мощности лазера (“коэффициент поглощения”) настолько мал. Например, если бы для измерения лазера мощностью 1 кВт использовался фотодиод, способный измерять оптическую мощность до 10 МВт, на фотодиод было бы направлено только 1/100 000 мощности лазера.
Если бы нам нужна была всего лишь 10 %-ная неопределенность в оценке общей мощности лазера, нам нужно было бы знать мощность отбирающего луча до ошеломляющих 0,0001 % от общей мощности лазера. Таким образом, в то время как подход с отбором обеспечивает быстрое измерение мощности лазера в режиме реального времени, отсутствие калибровки делает его плохо подходящим для высокоточных измерений мощности. Однако измерения мощности сварки с помощью существующей технологии баланса сил также не являются идеальными из-за ограниченного времени отклика. На рисунке 5 показан пример мощности лазера, измеренной во время кольцевого сварного шва, выполненного на трубе из нержавеющей стали с помощью установки, описанной ранее. Мощность лазера была увеличена на полпути через сварной шов. На рисунке показано как измерение мощности от оборотов в минуту, так и напряжение от некалиброванного фотодиода. Очевидно, что результат давления излучения важен, потому что он измеряет точную мощность лазера, но время нарастания 5 с ограничивает его способность измерять любые изменения мощности лазера, которые могут произойти в масштабе времени быстрее, чем за пару секунд. Это иллюстрирует постоянную полезность датчика мощности для быстрого измерения. Мы рассматриваем потенциальные улучшения скорости измерения шкалы. В промежуточный период, возможно, лучшим результатом будет гибрид, в котором измеритель мощности радиационного давления калибрует фотодиод в режиме реального времени (устраняя опасения по поводу смещения коэффициента отбора), чтобы обеспечить быстрое и точное измерение.
Вывод
Приведенные здесь результаты демонстрируют, что основанный на давлении излучения подход к измерению выходной мощности сварочного лазера, основанный на его толчке, а не на выделяемом им тепле, является захватывающей перспективой. Мы показали, что этот метод может быть использован в сварочной среде для достижения точных измерений мощности лазера в реальном времени во время сварки с полным проникновением. Этот метод измерения давления излучения обеспечивает точность и время отклика, которые соответствуют или превышают лучшие технические характеристики для измерителей тепловой мощности, но с преимуществом измерения в реальном времени во время лазерной сварки. В будущей работе по разработке будет рассмотрен вопрос о том, как улучшить время отклика с помощью технологии масштабирования или в сочетании с другими методами (например, фотодиодный датчик).
