Laserový svazek je zdrojem záření s vysokou plošnou hustotou výkonu a jeho použití pro spojování materi­álů má ve srovnání s konvenčními metodami tavného svařování řadu předností, mezi které patří bezkontaktnost, vysoká přesnost i rychlost, flexibilita, opakovatelnost a zejména velmi úzká tepelně ovlivněná oblast. Protože je laserové svařování stále finančně poměrně ná­kladnou technologií, je efektivní systém kon­troly kvality svarů a optimalizace procesních parametrů velmi žádoucí nejen k zajištění poža­dovaných vlastností svarů, ale i pro snížení cel­kových výrobních nákladů.

Za předpokladu homogenního základního ma­teriálu je většina defektů laserových svarů způ­sobena fluktuacemi výkonu laserového svazku, změnou polohy ohniska svazku vůči materiálu, nebo nevhodnou pozicí styčné mezery vůči do­padajícímu svazku. K monitorování a kompen­zaci případného vychýlení svařovaných dílů se poměrně běžně používají systémy sledující šev [1 – 2]. Mohou být kontaktní nebo bezkontakt­ní, schopné stranové i výškové korekce. Odha­lit nežádoucí fluktuace výkonu vedoucí k nedo­statečné nebo nadměrné penetraci je však stále problematické.

K odhadu hloubky penetrace je možné pou­žít metody monitorování tavné lázně a měření vyzářeného tepla či akustické emise [3 – 4] ne­bo metody založené na snímání a analýze elek­tromagnetické emise generované při interakci laserového svazku s materiálem, například po­mocí fotodiod [5]. Nedostatkem tohoto přístu­pu, který byl navíc experimentálně ověřen pouze pro svařování s CO2 lasery, je nutnost použi­tí řady fotodiod pro pokrytí širokého emisního spektra. Metoda prezentovaná v tomto článku je založena na měření emisního spektra plazma­tu pomocí rychlého spektrometru a následného výpočtu elektronové teploty. Při použití spektro­metru je možná detailní analýza spektra v širo­kém intervalu vlnových délek.

PRINCIP METODY

Při laserovém svařování obvykle dochází k lo­kálnímu odpařování materiálu a formaci plyno­vé dutiny, tzv. keyhole, jejíž přítomnost zvyšu­je absorpci laserového záření uvnitř materiálu [6 – 7]. Keyhole je doprovázena oblakem plaz­matu, který je tvořen ionizovanými pármi kovů obsažených ve svařovaných materiálech, a mo­hou k němu přispívat i plyny pracovní atmo­sféry. Optické emisní spektrum plazmatu mů­že být monitorováno pomocí spektrometru. Optimální penetraci při dané konfiguraci sva­ru, tloušťce a druhu svařovaných materiálů, druhu a průtoku použitého ochranného plynu a dalších pracovních parametrech odpovídá ur­čité referenční spektrum, z jehož charakteris­tik lze vypočítat referenční hodnotu elektro­nové teploty. Při svařování pak její odchylky mimo povolené meze indikují změny v proce­su svařování, například pokles penetrace vlivem poklesu výkonu svazku. Je-li znám vztah mezi elektronovou teplotou a hloubkou penetrace, je možné provést odpovídající korekci výkonu. Vyhodnocení elektronové teploty probíhá v re­álném čase svařování a může vést k okamžité nápravě vzniklého problému.

Výpočet elektronové teploty plazmatu je pod­míněn identifikací páru dostatečně inten­zivních rozlišitelných spektrálních čar téhož prvku. Za předpokladu, že se plazma nachá­zí v lokální termodynamické rovnováze a je­ho částice mají Maxwellovo rozdělení energií, je možné elektronovou teplotu vypočítat z po­měru relativních intenzit I(1) a I(2) dvou různých spektrálních čar (1) a (2) téhož iontu [8]

kde Em(1), Em(2) jsou odpovídající energie horních energetických hladin, k je Boltzmannova kon­stanta, l(1), l(2) odpovídající vlnové délky, A(1), A(2) pravděpodobnosti přechodů a gm(1), gm(2) de­generace horních energetických hladin sledo­vaných přechodů. Pro tuto metodu je důležité vybrat ze spektra vhodné emisní čáry, které ne­smí být ovlivněny samoabsorpcí a musí náležet různým multipletům téhož chemického prv­ku. Relevantní data je možné nalézt v databá­zích atomových spekter, například v NIST Ato­mic Spectra Database [9]. Použití této metody je výhodné, protože nevyžaduje příliš mnoho vý­počtů, a umožňuje tak určení elektronové tep­loty v reálném čase.

EXPERIMENT

K ověření popsané metody a nalezení vztahu mezi výkonem laseru, elektronovou teplotou plazmatu a hloubkou penetrace byl použit puls­ní pevnolátkový Nd:YAG laser LASAG KLS 246- 102 s maximálním průměrným výkonem 150 W. Pracovní rychlost 4 mm.s-1, délka pulsu 3,4 ms a frekvence pulsů 13 Hz byly konstantní během všech testovacích experimentů. Svařovaným ma­teriálem byla ocel AISI 304 v tloušťkách 0,6 mm a 1 mm.

Experimentální sestava je znázorněna na obr. 1. Plazmovým oblakem emitované záře­ní je pomocí kolimátoru ve frontální pozici vů­či pracovnímu bodu soustředěno do optického vlákna a vedeno do spektrometru. Spektrometr je propojen s počítačem, který vyhodnocuje spektra a provádí výpočet elektronové teploty.

K přesnému nastavení kolimátoru do správné polohy vůči pracovnímu bodu na povrchu ma­teriálu byl použit pilotní He-Ne laser zabudo­ván v optickém systému laseru LASAG a spek­trometr Avantes AvaSpec 2048-2 se spektrálním rozsahem 200 nm až 1 100 nm. Poté byl ten­to spektrometr nahrazen spektrometrem Oce­an Optics HR2000+ s užším spektrálním rozsa­hem 400 nm až 525 nm, ale s mnohem vyšším rozlišením 0,12 nm. Spektrometr byl triggero­ván s laserovými pulsy, aby vyhodnocoval spek­tra pouze při působení pulsů.

První experiment měl za cíl zaznamenat dy­namickou změnu energie během přípravy sle­pého švu 0,6 mm silných plechů. Energie pul­su dostatečná pro úplnou penetraci byla 6,4 J. V průběhu svařování byla snížena téměř o 30 % na 4,6 J a následně zvýšena na původních 6,4 J. Taková změna energie odpovídá změně vrcho­lového výkonu o 0,53 kW.

Při druhém experimentu byl monitorován vliv výkonu svazku při svařování přeplátovaným svarem (0,6 mm na 1 mm). Vrcholový výkon byl měněn v intervalu 1,6 kW až 2,7 kW prostřed­nictvím změn energie řízených změnami napětí čerpací výbojky. Uvedenému rozsahu vrcholo­vého výkonu odpovídá změna průměrného vý­konu 50 W a změna energie 3,6 J.

DOSAŽENÉ VÝSLEDKY

Emisní spektrum plazmatu zachycené při svařování oceli AISI 304 pulsním Nd:YAG la­serem po odstranění pozadí je znázorněno na obr. 2. Pro výpočet elektronové teploty by­ly vybrány páry spektrálních čar iontů chromu (437,416 nm a 459,139 nm) a železa (421,936 nm a 431,508 nm). Tyto čáry splňují nutné poža­davky, mají vysokou intenzitu a jsou dobře roz­lišitelné.

Náhlý pokles energie simulovaný při prvním ex­perimentu se projevil poklesem intenzity sledo­vaných spektrálních čar. Tuto změnu pro čáry chromu uvádí obr. 3. Oproti tomu vypočtená elektronová teplota byla při poklesu energie vyšší (obr. 4). Rozdíl mezi průměrnou elektro­novou teplotou měřenou při svařování s energií 6,4 J a 4,6 J byl přibližně 132 K pro iont chromu, respektive 116 K pro iont železa. Rovněž druhý experiment potvrdil klesající tendenci elektro­nové teploty s rostoucím vrcholovým výkonem. V rámci vyšetřovaného intervalu výkonu 1,1 kW klesla průměrná elektronová teplota o přibliž­ně 2,2 % z 7 840 K na 7 670 K pro chrom, res­pektive o 1,5 % z 7 130 K na 7 020 K pro železo. Směrodatná odchylka v určení elektronové tep­loty dosahovala 40 K v případě chromu a 45 K v případě železa.

K určení hloubky penetrace byly připraveny me­talografické výbrusy příčných řezů svary. Ros­toucí vrcholový výkon přirozeně vedl k nárůs­tu hloubky penetrace. Ve sledovaném intervalu vrcholového výkonu rostla hloubka penetrace z 0,44 mm na 0,93 mm. Tento nárůst korespon­duje se změnou elektronové teploty o 170 K pro chrom (obr. 5), respektive o 110 K pro železo.

ZÁVĚR

Provedené experimenty potvrdily možnost vy­užití výpočtu elektronové teploty k identifika­ci hloubky penetrace. Byla ověřena reakce elek­tronové teploty na dynamické změny výkonu laserového svazku a nalezen vzájemný vztah výkonu, elektronové teploty a hloubky pene­trace. Pro sledované spektrální čáry chromu korespondovala změna elektronové teploty o 2,2 % se změnou penetrace o 0,5 mm. Vzhle­dem k směrodatné odchylce v měření elek­tronové teploty, která činila 0,5 %, mohou být v reálném čase odhaleny i menší změny pene­trace způsobené fluktuacemi výkonu.

Navržená experimentální sestava může být im­plementována do stávajících laserových systé­mů pro zvýšení kvality produkovaných svarů a snížení jejich výrobních nákladů bez nutnosti vysoké finanční investice.

PODĚKOVÁNÍ

Tento výzkum byl podpořen projekty FP7- SME-2007-1-222279 (EC), TA01010517 (TAČR) a CZ.1.07/2.4.00/17.0014 (EC, MŠMT).

LITERATURA

[1] Ch. Anderson, R. Mandel, Improve Welding Quality With 3D Laser Seam-Tracking, Welding – Design and Fabrication, Penton Media, 2006, available online from http://weldingdesign.com/processes/ news/wdf_38778/.

[2] P. Bergvist, Seam tracking in s complex aerospace component for laser welding, University of Trollhattan/Uddevalla, Departmen of Technology, Mathematics and Computer Technology, Sweden, 2004.

[3] T. Sibillano, A. Ancona, V. Berardi, P. M. Lugarà, A Real-Time Spectroscopic Sensor for Monitoring Laser Welding Processes, Sensors, 9 (5), 2009, 3376 – 3385.

[4] Y. Kawahito, M. Kito, S. Katayama, In-process Monitoring and Adaptive Control for Laser Spot and Seam Welding of Pure Titanium. Journal of Laser Micro/Nanoengineering, 1 (3), 2006, 269-274.

[5] Y. Kawahito, M. Kito, S. Katayama, In-process Monitoring and Adaptive Control for Gap in Micro Butt Welding with Pulsed YAG Laser. J. Phys. D: Appl. Phys., 40, 2007, 2972 – 2978.

[6] W. M. Steen, Laser Material Processing, London: Springer, 2003.

[7] J. F. Ready, LIA Handbook of Laser Materials Processing. Orlando: Laser Institute of America, 2001.

[8] V. K. Unnikrishnan, K. Alti, V. B. Kartha, C. Santhosh, G. P. Gupta, B. M. Suri, Measurements of plasma temperature and electron density in laser-induced copper plasma by time-resolved spectroscopy of neutral atom and ion emissions, Pramana, 72, 2010, 983 – 993.

[9] NIST Atomic Spectra Database, available online from http://www.nist.gov/pml/data/asd.cfm.

TEXT/FOTO HANA ŠEBESTOVÁ, HANA CHMELÍČKOVÁ, LIBOR NOŽKA