Optical spectrum process environment in laser material processing: a study

全文:

Введение

В настоящее время насчитываются сотни областей практического применения лазеров. В различных отраслях промышленности наиболее популярными и востребованными считаются технологические установки, системы и роботизированные комплексы, спроектированные на базе волоконных лазеров [1].

Лазерные технологические процессы (ЛТП), особенно высокомощные, всегда сопровождаются отраженным, рассеянным излучением различного спектра и повышенной яркостью света. В зависимости от типа лазерной технологии и обрабатываемого материала вид и интенсивность сопутствующих факторов варьируются [2].

Для того чтобы описать процессы взаимодействия лазерного излучения (ЛИ) с обрабатываемыми материалами, сформулирован термин «технологическая среда оптического спектра» (ТСОС), под которым понимается совокупность таких факторов, как отраженное и рассеянное ЛИ, сопутствующее излучение от пароплазменного факела и обрабатываемого материала, возникающих во время ЛТП, влияющих на протекание процесса и на персонал.

Измерение параметров технологической среды оптического спектра при лазерных технологических процессах

В общем случае существуют два типа исследования ТСОС: качественный и количественный (рис. 1). К качественному типу относятся методы по определению спектральных характеристик ТСОС, которые позволяют оценить спектральный состав, определить наиболее интенсивные линии и области спектра и наличие излучения в невидимых диапазонах длин волн (УФ, ИК). К количественному типу относятся методики по измерению энергетических характеристик излучения в конкретных диапазонах длин волн для определения значений и оценки степени потенциальной опасности излучения.

 

Рис. 1. Иллюстрация концепции исследования технологической среды оптического спектра.

Fig. 1. Illustrated concept of the study on the process environment of the optical spectrum.

 

Для определения спектрального состава ТСОС выбран метод оптической спектроскопии, в основе которого лежит исследование излучения лазерной плазмы. Данный метод наиболее простой и доступный для проведения спектрального анализа во время ЛТП. Для измерения спектрального состава выбран автоматизированный монохроматор/спектрограф М266 фирмы SOLAR (рис. 2) [3].

 

Рис. 2. Внешний вид автоматизированного монохроматора/спектрографа М266 фирмы SOLAR.

Fig. 2. View of SOLAR M266 automated monochromator / spectrograph.

 

Спектральный анализ проводился непосредственно в процессе обработки (лазерной маркировки) различных материалов (углеродистая сталь 09Г2С, нержавеющая сталь 12Х18Н10Т, титановый сплав ВТ6, алюминиевый сплав АМг6) излучением волоконного лазера с длиной волны 1070 нм. Обработка проводилась на мощности 150 Вт (с плотностью мощности 2,4·10⁶ Вт/см²), что позволило получить факел необходимого размера и не расплавлять металл до разбрызгивания.

На рис. 3 показаны спектры лазерной плазмы образцов исследуемых материалов в наложении друг на друга. По оси ординат указано число отсчетов фотоумножителя, которое пропорционально относительной интенсивности, а по оси абсцисс — длина волны излучения. Ширина спектральных линий обусловлена шумами. Спектры имеют характерные спады интенсивности в областях 400 нм и 600 нм. Это связано с тем, что при измерениях использовались светофильтры, которые имеют переходные зоны именно в этих местах [4].

 

Рис. 3. Спектры лазерной плазмы образцов исследуемых материалов.

Fig. 3. Laser plasma spectra of the studied samples.

 

Из рис. 3 видно, что самый интенсивный спектр зафиксирован при обработке титанового сплава ВТ6. Спектры плазмы образцов стали 09Г2С и 12Х18Н10Т по многим линиям совпадают. Спектр плазмы образца алюминиевого сплава АМг6 имеет наименьшую относительную интенсивность по сравнению с остальными. Экспериментально было установлено, что плазма, возникающая от воздействия ЛИ на обрабатываемый материал, создает спектр излучения, образованный многочисленными полосами, которые располагаются в УФ, видимой и ИК-областях спектра. Эти значения характерны для исследованных материалов [5].

Для комплексной количественной оценки энергетических характеристик ТСОС сотрудниками ООО НТО «ИРЭ-Полюс» был разработан специализированный измерительный стенд, который включает в себя приборы серии АРГУС: радиометры, люксметр, яркомер и лазерный дозиметр. Фотография стенда приведена на рис. 4 [6].

 

Рис. 4. Фотография специализированного стенда измерения энергетических характеристик отраженного излучения.

Fig. 4. Photo of a special bench used to measure reflected radiation energy parameters.

 

Для проведения измерений стенд с приборами помещается в зоне нахождения оператора во время ЛТП. Точки контроля выбраны на траекториях зеркального отражения лазерного излучения на расстоянии 1000 мм от поверхности основного материала. Приборы включаются до начала ЛТП. Во время ЛТП происходит измерение требуемых параметров. Поскольку приборы типа АРГУС не имеют функции запоминания измеренных значений, то для регистрации показаний используется видеофиксация. Получение итоговых значений происходит путем обработки видеофайлов [7, 8].

В табл. 1 приведены сводные результаты измерений уровней максимальной облученности от отраженного ЛИ при рабочих режимах различных технологических процессов для указанных марок металлов и сплавов. Для оценки потенциальной опасности измеренные значения сравниваются с предельно допустимыми уровнями (ПДУ) и при превышении делается вывод о необходимости применения средств защиты. В рамках исследований время технологических процессов составляло 10 с, в соответствии с этим значение ПДУ для глаз E_ПДУ = 0,32·10^–3 Вт/см².

 

Таблица 1. Сводные результаты измерений максимальной облученности от лазерного излучения (E_max, Вт/см²)

Table 1. Summary measurements of maximum irradiance of laser radiation (E_max, W/cm²)

Материал / Технология	Маркировка	Очистка	Ручная сварка	Роботизированная сварка
АМг6	3,47·10–3	1,72·10–3	4,69·10–3	5,37·10–4
ВТ6	–	–	2,28·10–3	4,69·10–4
12Х18Н10Т	3,03·10–3	1,62·10–3	1,84·10–3	3,47·10–4
09Г2С	7,84·10–4	2,49·10–3	1,19·10–3	4,66·10–4

 

В представленных результатах прослеживаются различия уровней облученности при технологиях лазерной очистки, маркировки, роботизированной и ручной сварки, причем самый большой уровень зафиксирован при ручной сварке алюминиевого сплава типа АМг6. Для нержавеющей стали 12Х18Н10Т наибольшая интенсивность определена при технологии лазерной маркировки, что может показаться неочевидным, поскольку данная технология менее энергозатратная по сравнению со сваркой. Одну из ключевых ролей в формировании ТСОС играет плотность мощности ЛИ. Значения плотности мощности при лазерной маркировке, очистке и при ручной сварке находятся в диапазоне 1,6–7,9·10⁶ Вт/см². Для оценки влияния плотности мощности при роботизированной сварке намеренно был увеличен диаметр пятна ЛИ, что привело к уменьшению плотности мощности по сравнению с остальными процессами на два порядка (5·10⁴ Вт/см²), при этом зафиксированы значения облученности на порядок ниже, чем во всех остальных исследуемых процессах. Еще одной особенностью сравнения ТСОС при разных ЛТП является пароплазменный факел. Процесс лазерной маркировки носит поверхностный характер обработки, что обуславливает отсутствие интенсивного пароплазменного факела и способствует наиболее активному отражению ЛИ. При уменьшении плотности мощности возникает интенсивное сопутствующее излучение, которое запирает в себе ЛИ, поэтому активного отражения ЛИ не происходит. Несмотря на существенную разницу в значениях облученности, все полученные результаты превышают ПДУ, что свидетельствует о необходимости применения средств защиты глаз от ЛИ [2, 8].

Сводные результаты измерений уровней энергетических характеристик сопутствующего УФ-излучения с указанием предельно допустимой интенсивности (ПДИ) при различных ЛТП обработки выбранных материалов приведены в табл. 2. Три главных факта, зафиксированных при всех процессах: в УФ-А диапазоне превышений не выявлено; в УФ-С диапазоне все полученные значения превышают ПДИ; в диапазоне УФ-В излучения измеренные значения отличаются в зависимости от типа обрабатываемого материала и применяемой технологии [6].

 

Таблица 2. Сводные результаты энергетической освещенности от УФ-излучения с указанием ПДИ

Table 2. Summary UV irradiance measurements with PDI

Марка материала	Энергетическая характеристика / технология	Маркировка	Очистка	Ручная сварка	Роботизированная сварка
	ПДИ УФ-А, Вт/м2	50
АМг6	УФ-А Е, Вт/м2	0,0066	0,0064	0,0336	0,0632
ВТ6		–	–	0,189	1,3704
12Х18Н10Т		0,0254	0,008	0,0078	0,057
09Г2С		0,0106	0,0068	0,005	0,0116
	ПДИ УФ-В, Вт/м2	0,05
АМг6	УФ-В Е, Вт/м2	0,0078	0,0072	0,0802	0,1134
ВТ6		–	–	0,0615	0,4276
12Х18Н10Т		0,0162	0,0094	0,0192	0,12
09Г2С		0,0052	0,0074	0,0176	0,0396
	ПДИ УФ-С, Вт/м2	0,001*
АМг6	УФ-С Е, Вт/м2	0,0834	0,1002	0,0088	0,12
ВТ6		–	–	0,5944	3,4326
12Х18Н10Т		0,491	0,1586	0,0052	0,029
09Г2С		0,1602	0,0708	0,0056	0,011

* Период облучения до 5 минут, общая продолжительность воздействия за смену не более 60 минут.

* The irradiation time is max. 5 minutes, the total shift exposure time is max. 60 minutes.

 

Проведенными измерениями было показано, что ТСОС содержит уровни УФ-излучения во всех трех диапазонах (УФ-А, УФ-В, УФ-С), что подтвердило результаты спектрального анализа. Поскольку в УФ-В и УФ-С диапазонах зафиксированы превышения ПДИ, необходимо предусматривать средства защиты глаз и кожи от излучения и в УФ-диапазоне длин волн.

Выводы

1. Характерными особенностями ТСОС при ЛТП являются различия спектров излучения и уровней их энергетических характеристик при обработке различных материалов.
2. На состав ТСОС влияет химический состав обрабатываемого материала и параметры режима работы.
3. Во всех исследованных процессах зафиксировано наличие УФ-излучения, в том числе превышающего ПДИ.
4. Все исследуемые технологические процессы сопровождаются отраженным лазерным излучением, превышающим ПДУ.
5. Наличие повышенных уровней энергетических характеристик ТСОС обуславливает необходимость использования средств защиты от излучений.

Дополнительная информация

Вклад авторов. О.А. Крючина — проведение исследований и экспериментов, анализ результатов, написание текста рукописи; И.Н. Шиганов — редактирование текста рукописи, экспертная оценка, утверждение финальной версии. Все авторы одобрили рукопись (версию для публикации), а также согласились нести ответственность за все аспекты работы, гарантируя надлежащее рассмотрение и решение вопросов, связанных с точностью и добросовестностью любой её части.

Источники финансирования. Авторы заявляют об отсутствии внешнего финансирования при проведении исследования.

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией настоящей статьи.

Генеративный искусственный интеллект. При создании настоящей статьи технологии генеративного искусственного интеллекта не использовали.

Additional info

Author contributions: O.A. Kryuchina: investigation, formal analysis, writing—original draft; I.N. Shiganov: writing—review & editing. All the authors approved the version of the manuscript to be published and agreed to be accountable for all aspects of the work, ensuring that questions related to the accuracy or integrity of any part of the work are appropriately investigated and resolved.

Funding sources: The study was not supported by any external sources.

Disclosure of interests: The authors have no explicit or potential conflicts of interests associated with the publication of this article.

Generative AI: No generative artificial intelligence technologies were used to prepare this article.

作者简介

Olga Kryuchina

LLC NTO IRE-Polus

编辑信件的主要联系方式.
Email: oKryuchina@vpglaserone.ru
ORCID iD: 0000-0001-7592-0790
SPIN 代码: 6825-1469

Head of the Certification, Attestation and Standardization Department

俄罗斯联邦, 141190, Fryazino, Academician B.A. Vvedensky Square, 3 bld. 5

Igor Shiganov

Moscow State Technical University named after Bauman

Email: inshig@bmstu.ru
SPIN 代码: 7316-1459

Dr. Sci. (Engineering), Professor, Department of Laser Technologies in Mechanical Engineering

俄罗斯联邦, 105005, г. Москва, 2-я Бауманская ул., д.5, стр. 1

参考

补充文件