RU2028897C1

RU2028897C1 - Method of control over process of laser treatment

Info

Publication number: RU2028897C1
Authority: RU
Inventors: И.А. Цибульский; Е.А. Миткевич; С.А. Ильин; А.Э. Охапкин
Original assignee: Санкт-Петербургский государственный технический университет
Priority date: 1991-04-04
Filing date: 1991-04-04
Publication date: 1995-02-20

Abstract

FIELD: mechanical engineering. SUBSTANCE: in process of laser treatment maximum frequency of secondary radiation F_max is extracted within frequency interval 0.9-1.0/(0,9- 1,0)F_max, value of maximum amplitude A_max of secondary radiation is determined. After this it is compared with specified value of amplitude for performance of control. EFFECT: ensured authenticity of control. 1 dwg

Description

Изобретение относится к технологии лазерной обработки, а именно к автоматизации процесса лазерной обработки. The invention relates to laser processing technology, and in particular to automation of a laser processing process.

Наиболее близким к изобретению является способ регулирования процесса лазерной обработки, согласно которому по меньшей мере в двух точках измеряют отраженное из зоны обработки вторичное излучение и по дифференцированному сигналу с приемников излучения управляют процессом обработки, причем приемники излучения устанавливают на неравных расстояниях от оси лазерного излучения. Closest to the invention is a method for controlling the laser processing process, according to which the secondary radiation reflected from the processing zone is measured at least at two points and the processing process is controlled by the differentiated signal from the radiation receivers, the radiation receivers being installed at unequal distances from the laser radiation axis.

К недостаткам данного способа относится необходимость применения нескольких источников; высокие требования по точности установки приемников излучения относительно зоны обработки; индивидуальная система настройки системы контроля на каждый технологический процесс, например подбор оптических фильтров, коэффициента усиления; низкая точность регулирования процесса обработки, так как он основан только на амплитудных измерениях вторичного излучения из зоны обработки, характеризующихся малыми величинами крутизны фронта сигнала. The disadvantages of this method include the need to use several sources; high requirements for the accuracy of installation of radiation receivers relative to the processing zone; an individual control system tuning system for each technological process, for example, the selection of optical filters, gain; low accuracy of regulation of the processing process, since it is based only on the amplitude measurements of the secondary radiation from the processing zone, characterized by small values of the steepness of the signal front.

Целью изобретения является повышение точности, надежности и быстродействия регулирования процесса лазерной обработки. The aim of the invention is to improve the accuracy, reliability and speed of regulation of the laser processing process.

Для этого в предлагаемом способе определяют максимальную частоту вторичного излучения F_max и в интервале частот (0,9-1,0)F_max - величину максимальной амплитуды этого излучения A_max, после чего A_max сравнивают с заданной величиной амплитуды и производят регулировку.To do this, in the proposed method, the maximum frequency of the secondary radiation F _max is determined and in the frequency range (0.9-1.0) F _max is the maximum amplitude of this radiation A _max , after which A _{max is} compared with the given amplitude and adjusted.

Способ поясняется чертежом. The method is illustrated in the drawing.

Физические процессы, происходящие в канале проплавления, носят периодический характер даже в случае воздействия на материал непрерывного лазерного излучения. Жидкий металл на передней стенке парогазового канала под воздействием лазерного луча нагревается до температуры кипения. В результате развивается интенсивное испарение и реакция паров отдачи оттесняет жидкий металл в хвостовую часть сварочной ванны, обнажая переднюю стенку парогазового каната. При этом температура на передней стенке падает до температуры плавления. Затем снова происходит нагрев до температуры кипения. Процесс таким образом периодически повторяется. The physical processes occurring in the penetration channel are periodic in nature even in the case of exposure to a material by continuous laser radiation. The liquid metal on the front wall of the vapor-gas channel under the influence of a laser beam is heated to a boiling point. As a result, intense evaporation develops and the reaction of the recoil vapor displaces the liquid metal into the tail of the weld pool, exposing the front wall of the vapor-gas rope. In this case, the temperature on the front wall drops to the melting temperature. Then again, heating to a boiling point occurs. The process is thus periodically repeated.

В результате периодичности испарения материала в процессе лазерной сварки изменяется концентрация и температура, а следовательно, и интенсивность излучения истекающих из парогазового канала паров и образовавшейся в этих парах плазмы. As a result of the frequency of evaporation of the material during laser welding, the concentration and temperature, and, consequently, the radiation intensity of the vapors flowing out of the vapor-gas channel and the plasma formed in these vapors change.

Кроме того периодически, с такой же частотой изменяется форма облучаемой поверхности, а следовательно, и вторичное излучение. Таким образом, частота периодического изменения излучения паров материала и образовавшейся в этих парах плазмы, отраженного когерентного и некогерентного излучения, как силового лазера, ведущего обработку, так и дополнительно использованных осветителей, от периодически изменяющей форму поверхности зоны обработки, излучения конденсированной фазы, меняющей температуру с частотой парообразования, несет информацию о процессе проплавления. In addition, periodically, with the same frequency, the shape of the irradiated surface changes, and hence the secondary radiation. Thus, the frequency of the periodic change in the emission of material vapor and the plasma produced in these vapor, of reflected coherent and incoherent radiation, both of a power laser processing and additionally used illuminators, from periodically changing the shape of the surface of the treatment zone, of condensed-phase radiation changing the temperature with the frequency of vaporization, carries information on the process of penetration.

Эта информация поступает в виде сигналов, которые характеризуются, в частности амплитудой и частотой, т.о. в начале определяют максимальную частоту вторичного излучения F_max, которая характеризует максимальную глубину проплавления.This information comes in the form of signals, which are characterized, in particular, by amplitude and frequency, i.e. at the beginning, the maximum frequency of secondary radiation F _max , which characterizes the maximum penetration depth, is determined.

На чертеже дана зависимость частоты изменения интенсивности излучения плазменного факела f от положения фокальной плоскости, т.е. фокусного расстояния F, относительно поверхности образца и характерные очертания зон проплавления при сварке: а - прототип, б - заявляемый способ. The drawing shows the dependence of the frequency of change in the radiation intensity of the plasma torch f on the position of the focal plane, i.e. focal length F, relative to the surface of the sample and the characteristic shape of the penetration zones during welding: a - prototype, b - the inventive method.

В этом диапазоне частот определяют максимальную амплитуду сигнала, что соответствует наибольшей достигаемой плотности мощности лазерного излучения в месте взаимодействия его с материалом, соответственно, максимальной глубине проплавления для данной мощности. Выделенная амплитуда вторичного излучения в диапазоне частот (0,9-1,0)F_max характеризуется значительно большей величиной крутизны статической характеристики информационного сигнала. Крутизна фронта сигнала определяется как обратная величина приращения фокусного расстояния δ F.In this frequency range, the maximum signal amplitude is determined, which corresponds to the highest achievable power density of the laser radiation in the place of its interaction with the material, respectively, the maximum penetration depth for a given power. The selected amplitude of the secondary radiation in the frequency range (0.9-1.0) F _{max is} characterized by a significantly larger slope of the static characteristic of the information signal. The steepness of the signal front is defined as the reciprocal of the increment of the focal length δ F.

Известно [2], чем выше крутизна, для нашего случая экстремальной статической характеристики информационного сигнала объекта, тем ниже установившаяся ошибка стабилизации оптимального значения плотности мощности ЛИ в месте взаимодействия его с материалом. Однако это же обстоятельство приводит к ухудшению динамических показателей процесса поиска. С учетом постоянной времени (20 мс) можно утверждать, что предлагаемый алгоритм обеспечивает устойчивость переходных процессов во всем возможном диапазоне флуктуаций статической характеристики. В рассматриваемом случае экстремум характеристики принимается за критерий качества и задача сводится к поиску экстремума информационного сигнала, который соответствует максимальной достигаемой плотности мощности ЛИ в месте взаимодействия его с материалом. It is known [2], the higher the steepness, for our case of extreme static characteristics of the information signal of an object, the lower the steady-state error of stabilization of the optimal value of the power density of the laser radiation at the place of its interaction with the material. However, this same circumstance leads to a deterioration in the dynamic performance of the search process. Given the time constant (20 ms), it can be argued that the proposed algorithm ensures the stability of transients in the entire possible range of fluctuations of the static characteristic. In the case under consideration, the extremum of the characteristic is taken as a quality criterion and the task is reduced to searching for the extremum of the information signal that corresponds to the maximum achievable power density of the laser radiation at the point of its interaction with the material.

Claims

METHOD FOR REGULATING THE LASER PROCESSING PROCESS, in which the radiation reflected from the processing zone is measured, characterized in that, in order to increase accuracy, the maximum frequency F _m _a _{x of the} reflected radiation is determined, its maximum amplitude is determined in the range (0.9-1.00) F _m _a _x and compare it with a given amplitude.