RU2668619C1 - Method of laser surface cleaning - Google Patents
Method of laser surface cleaning Download PDFInfo
- Publication number
- RU2668619C1 RU2668619C1 RU2017129060A RU2017129060A RU2668619C1 RU 2668619 C1 RU2668619 C1 RU 2668619C1 RU 2017129060 A RU2017129060 A RU 2017129060A RU 2017129060 A RU2017129060 A RU 2017129060A RU 2668619 C1 RU2668619 C1 RU 2668619C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- cleaning
- laser
- value
- intensity
- cleaned
- Prior art date
Links
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 title claims abstract description 129
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 68
- 238000003466 welding Methods 0.000 claims abstract description 55
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims abstract description 38
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 claims abstract description 28
- 239000010959 steel Substances 0.000 claims abstract description 28
- 238000003908 quality control method Methods 0.000 claims abstract description 13
- 230000008569 process Effects 0.000 claims abstract description 11
- 230000008859 change Effects 0.000 claims abstract description 8
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 claims description 33
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 30
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 22
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 claims description 15
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 12
- 238000005275 alloying Methods 0.000 claims description 11
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 11
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 11
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 11
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims description 11
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims description 11
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 claims description 11
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 10
- 238000011109 contamination Methods 0.000 claims description 10
- 238000004993 emission spectroscopy Methods 0.000 claims description 8
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 claims description 6
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 6
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims description 5
- 239000001307 helium Substances 0.000 claims description 5
- 229910052734 helium Inorganic materials 0.000 claims description 5
- SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N helium atom Chemical compound [He] SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 claims description 3
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 abstract description 19
- 239000000463 material Substances 0.000 abstract description 17
- 239000000356 contaminant Substances 0.000 abstract description 10
- 239000010410 layer Substances 0.000 abstract description 9
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 6
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 6
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 abstract description 4
- 238000000746 purification Methods 0.000 abstract description 2
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 5
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 5
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 4
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 4
- JEIPFZHSYJVQDO-UHFFFAOYSA-N iron(III) oxide Inorganic materials O=[Fe]O[Fe]=O JEIPFZHSYJVQDO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 4
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 4
- PWHULOQIROXLJO-UHFFFAOYSA-N Manganese Chemical compound [Mn] PWHULOQIROXLJO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 3
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 3
- 229910052748 manganese Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000011572 manganese Substances 0.000 description 3
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 3
- 230000008439 repair process Effects 0.000 description 3
- 230000035939 shock Effects 0.000 description 3
- 229910052769 Ytterbium Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000009471 action Effects 0.000 description 2
- -1 coolers Substances 0.000 description 2
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 2
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 description 2
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 2
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 2
- 238000005498 polishing Methods 0.000 description 2
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 2
- NAWDYIZEMPQZHO-UHFFFAOYSA-N ytterbium Chemical compound [Yb] NAWDYIZEMPQZHO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N Phosphorus Chemical compound [P] OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 241000221535 Pucciniales Species 0.000 description 1
- NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N Sulfur Chemical compound [S] NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 1
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 229910001563 bainite Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010953 base metal Substances 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000003749 cleanliness Effects 0.000 description 1
- 239000011247 coating layer Substances 0.000 description 1
- 238000010835 comparative analysis Methods 0.000 description 1
- 239000002826 coolant Substances 0.000 description 1
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 1
- 238000005261 decarburization Methods 0.000 description 1
- 238000005238 degreasing Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 239000000428 dust Substances 0.000 description 1
- 238000010891 electric arc Methods 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 239000003344 environmental pollutant Substances 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 1
- 239000004519 grease Substances 0.000 description 1
- 238000000227 grinding Methods 0.000 description 1
- 230000001678 irradiating effect Effects 0.000 description 1
- 230000001050 lubricating effect Effects 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 238000011089 mechanical engineering Methods 0.000 description 1
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 1
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 1
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 239000003973 paint Substances 0.000 description 1
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 1
- 229910052698 phosphorus Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011574 phosphorus Substances 0.000 description 1
- 231100000719 pollutant Toxicity 0.000 description 1
- 229910001568 polygonal ferrite Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 1
- 238000005096 rolling process Methods 0.000 description 1
- 229910052717 sulfur Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011593 sulfur Substances 0.000 description 1
- 239000002345 surface coating layer Substances 0.000 description 1
- 238000004381 surface treatment Methods 0.000 description 1
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000004506 ultrasonic cleaning Methods 0.000 description 1
- 238000005406 washing Methods 0.000 description 1
- 229910000859 α-Fe Inorganic materials 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
- B23K26/36—Removing material
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B08—CLEANING
- B08B—CLEANING IN GENERAL; PREVENTION OF FOULING IN GENERAL
- B08B7/00—Cleaning by methods not provided for in a single other subclass or a single group in this subclass
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Cleaning In General (AREA)
- Laser Beam Processing (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области очистки поверхностей лазерным излучением и может быть использовано в частности для очистки свариваемых поверхностей от нежелательных слоев и загрязнений, в частности, для удаления ржавчины, окалины, нефтепродуктов и пр., при подготовке к выполнению лазерной сварки поверхности стальной сформованной трубной заготовки, толщиной от 8 до 45 мм.The invention relates to the field of surface cleaning by laser radiation and can be used in particular to clean the surfaces to be welded of unwanted layers and contaminants, in particular, to remove rust, scale, oil products, etc., in preparation for laser welding of the surface of a steel molded tube billet, thickness from 8 to 45 mm.
Проведение сварочных работ для изготовления сформованных стальных труб посредством лазерно-дуговой сварки представляет собой технологию изготовления стальной трубы с помощью сварки продольных краев (кромок) открытой трубы воздействием лазерного луча и электрической дуги. Производство является сложным многоэтапным процессом, включающим наложение технологического шва (например, дуговой сваркой с последующим контролем качества и возможным ремонтом), рабочего шва лазерно-дуговой сваркой (с последующим контролем качества и возможным ремонтом), а также, в зависимости от разделки кромок, наложением наружного или внутреннего и наружного шва с помощью дуговой сварки (с последующим контролем качества и возможным ремонтом). И если технология ремонта швов, полученных методом дуговой сварки, хорошо изучена и опробована, то технология ремонта швов, полученных методом лазерной и гибридной лазерно-дуговой сварки, является малоизученной и труднореализуемой. В результате существует проблема максимального снижения вероятности появления дефектов в сварочных швах, выполненных сваркой с использованием лазера.Welding for the manufacture of molded steel pipes by laser-arc welding is a technology for manufacturing a steel pipe by welding the longitudinal edges (edges) of an open pipe by the action of a laser beam and an electric arc. Production is a complex multi-stage process, including the application of a technological weld (for example, arc welding with subsequent quality control and possible repair), the working seam with laser-arc welding (with subsequent quality control and possible repair), as well as, depending on the cutting of edges, overlay external or internal and external seam using arc welding (with subsequent quality control and possible repair). And if the technology for repairing welds obtained by the method of arc welding is well studied and tested, then the technology for repairing welds obtained by the method of laser and hybrid laser-arc welding is poorly understood and difficult to implement. As a result, there is a problem of minimizing the likelihood of defects in the welds made by laser welding.
Одной из основных причин появления дефектов в сварочных швах, выполненных лазерной сваркой, является плохая подготовка поверхности. Лазерная сварка и, как следствие, гибридная лазерно-дуговая сварка (далее - лазерная сварка) предъявляют повышенные требования к чистоте поверхности, по сравнению с дуговой сваркой. В соответствии с действующим межгосударственным стандартом BS EN 1011-6:2005 «Рекомендации по сварке металлических материалов. Часть 6. Лазерная сварка», следствием некачественной очистки поверхности под лазерную сварку являются такие дефекты шва, как пористость, газовые поры и их скопление и линейная пористость. Этот же стандарт (там же, п. 11.3 «Подготовка соединения») указывает на необходимость выполнения очистки поверхности перед лазерной сваркой, если она загрязнена оксидами (например, ржавчина, поверхность быстро ржавеет даже в цеховых условиях), маслом, смазкой, охладителями, краской.One of the main reasons for the appearance of defects in the welds made by laser welding is poor surface preparation. Laser welding and, as a result, hybrid laser-arc welding (hereinafter referred to as laser welding) impose higher demands on surface cleanliness compared to arc welding. In accordance with the current interstate standard BS EN 1011-6: 2005 “Recommendations for welding metal materials.
Возможно применение различных методов очистки стальных поверхностей под сварку, а именно, кромок и околошовной зоны, однако все они имеют недостатки, а именно:It is possible to use various methods of cleaning steel surfaces for welding, namely, the edges and the heat-affected zone, however, all of them have disadvantages, namely:
- химическое и электрохимическое обезжиривание - значительный расход материалов, невозможность удаления неорганических загрязнений и дефектов поверхностного слоя, низкая производительность.- chemical and electrochemical degreasing - significant consumption of materials, the inability to remove inorganic contaminants and surface layer defects, low productivity.
- шлифование - вносит в поверхностный слой микродефекты - прижоги, риски, микротрещины, в которых могут накапливаться остатки смазывающей охлаждающей жидкости;- grinding - introduces microdefects into the surface layer - burns, risks, microcracks, in which residues of lubricating coolant can accumulate;
- полирование - наличие остатков полировочная пасты на обрабатываемой поверхности;- polishing - the presence of residues of polishing paste on the treated surface;
- абразивная и гидроабразивная обработка - выделение и попадание пыли или гидроабразивной жидкости в микропоры и микротрещины поверхности;- abrasive and hydroabrasive treatment - the release and ingress of dust or hydroabrasive liquid into micropores and microcracks of the surface;
- ультразвуковая очистка - необходимость в моющем растворе.- ultrasonic cleaning - the need for a washing solution.
Вышеупомянутый стандарт (п. 11.3) предлагает, кроме того, выполнять очистку поверхности перед выполнением сварки путем прохода по подготавливаемой к сварке поверхности расфокусированного лазерного луча, при котором воздействие лазерного излучения происходит непосредственно на очищаемую поверхность (в отличие от влажной очистки, когда воздействуют излучением на поверхность, специально покрытую тонким слоем жидкости). Кроме того, характерными особенностями сухой лазерной очистки являются универсальность применения, локальность ввода энергии, точность перемещения, высокая производительность, селективность воздействия, отсутствие влияния на геометрические параметры будущего сварного соединения и, самое главное, высокий уровень корпоративности с другими источниками энергии, что особенно важно при использовании лазерной очистки поверхности для выполнения гибридной сварки сформованной заготовки стальной трубы.The aforementioned standard (Clause 11.3) also proposes that the surface be cleaned before welding by passing along the surface of the defocused laser beam prepared for welding, in which the laser radiation acts directly on the surface being cleaned (in contrast to wet cleaning, when radiation is applied to surface specially coated with a thin layer of liquid). In addition, the characteristic features of dry laser cleaning are versatility of application, locality of energy input, accuracy of movement, high productivity, selectivity of impact, no effect on the geometric parameters of the future welded joint and, most importantly, a high level of corporateness with other energy sources, which is especially important when using laser surface cleaning to perform hybrid welding of a molded steel pipe billet.
Из уровня техники известен патент РФ №2037342, В08В 7/00, 19.06.1995 (патент US №5151134 от 14.09.1990), в соответствии с которым для удаления загрязняющих веществ с поверхности материалов используют лазер с длиной волны излучения 1,06 мкм, работающий также в режиме модулированной добротности. По мнению авторов обеспечивается эффект улетучивания поверхностных слоев при воздействии коротких высокомощных импульсов, вызывающих на границе раздела материалов детали и внешнего покрытия ударную волну, которая приводит к отслаиванию по меньшей мере части поверхностного слоя покрытия. Обработка ведется лазерными импульсами длительностью от 10 до 30 наносекунд с плотностью мощности в диапазоне значений (22÷53)⋅106 Вт/см2 и частотой следования импульсов 30 Гц. Максимальная энергия в импульсе близка к 0.5 Дж, а средний диаметр лазерного пятна на очищаемой поверхности составляет менее 10 мм.The prior art patent of the Russian Federation No. 2037342, B08B 7/00, 06/19/1995 (US patent No. 5151134 from 09/14/1990), in accordance with which a laser with a radiation wavelength of 1.06 μm is used to remove contaminants, also operating in modulated Q mode. According to the authors, the effect of volatilization of the surface layers is ensured by the action of short high-power pulses, which cause a shock wave at the interface between the materials of the component and the external coating, which leads to peeling of at least part of the surface coating layer. Processing is carried out by laser pulses with a duration of 10 to 30 nanoseconds with a power density in the range of values (22 ÷ 53) ⋅10 6 W / cm 2 and a pulse repetition rate of 30 Hz. The maximum pulse energy is close to 0.5 J, and the average diameter of the laser spot on the surface being cleaned is less than 10 mm.
В известном способе очистка поверхности осуществляется в результате воздействия коротких высокомощных импульсов, формирующих ударную волну, что приводит к неравномерной обработке поверхности и снижает качество очистки.In the known method, surface cleaning is carried out as a result of exposure to short high-power pulses forming a shock wave, which leads to uneven surface treatment and reduces the quality of cleaning.
Кроме того, используемая длительность импульсов (от 10 до 30 наносекунд) обуславливает малую глубину снимаемого слоя покрытия, что требует нескольких проходов очистки. При этом известный способ предполагает неподвижное состояние объекта очистки. В совокупности это не позволяет использовать известный способ в тандеме с лазерной сваркой для предварительной очистки свариваемых поверхностей.In addition, the used pulse duration (from 10 to 30 nanoseconds) causes a shallow depth of the coating layer to be removed, which requires several cleaning passes. Moreover, the known method involves a stationary state of the cleaning object. In aggregate, this does not allow the use of the known method in tandem with laser welding for preliminary cleaning of the surfaces to be welded.
В патенте (РФ №2297886, В08В7/00, 27.04.2007) очистка поверхности производится сканированием поверхности пучком импульсно-периодического лазерного излучения с частотой повторения импульсов в диапазоне 5-100 Гц и длительностью импульсов 1-20 нс. Лазерный пучок направляют на поверхность с помощью системы зеркал, а перемещение его по поверхности производят посредством изменения положения сканирующего выходного зеркала. Лазерная обработка состоит в последовательном облучении поверхности лазерными импульсами с интенсивностью, достаточной для испарения поверхностного слоя облучаемого материала (пиковая мощность в импульсе -100⋅106 Вт). При этом в кожух оптико-механической системы подают газовый поток под определенным давлением.In the patent (RF No. 2297886, B08B7 / 00, 04/27/2007), the surface is cleaned by scanning the surface with a pulse-periodic laser beam with a pulse repetition rate in the range of 5-100 Hz and a pulse duration of 1-20 ns. The laser beam is directed to the surface using a system of mirrors, and its movement on the surface is carried out by changing the position of the scanning output mirror. Laser processing consists in sequentially irradiating the surface with laser pulses with an intensity sufficient to evaporate the surface layer of the irradiated material (peak power in the pulse is -100⋅10 6 W). At the same time, a gas stream under a certain pressure is supplied to the casing of the optical-mechanical system.
В результате использования в процессе очистки короткой длительности импульсов лазерного излучения 1-20 нс в совокупности с величиной пиковой мощности в импульсе 100⋅106 Вт формируемое воздействие на очищаемую поверхность аналогично удару, что обуславливает неравномерность очистки, а, следовательно, снижает качество очистки. Кроме того, использование формируемого воздействия в виде удара обуславливает использование именно небольшой длительности импульсов, что обуславливает малую глубину снимаемого слоя и не обеспечивает требуемое качество очистки поверхности при одном проходе луча лазера. В результате в известном способе требуемое качество очистки достигается путем нескольких проходов луча лазера. Кроме того, способ предполагает неподвижное состояние объекта очистки. В совокупности это не позволяет использовать известный способ для очистки поверхности в тандеме с лазерной сваркой сформованной стальной трубы.As a result of using a short laser pulse of 1-20 ns during the cleaning process, together with a peak power value of 100⋅10 6 W per pulse, the generated effect on the surface being cleaned is similar to shock, which causes uneven cleaning, and, therefore, reduces the quality of cleaning. In addition, the use of the generated impact in the form of an impact determines the use of precisely a short pulse duration, which leads to a shallow depth of the layer being removed and does not provide the required quality of surface cleaning with a single pass of the laser beam. As a result, in the known method, the required cleaning quality is achieved by several passes of the laser beam. In addition, the method involves a stationary state of the cleaning object. In aggregate, this does not allow using the known method for cleaning the surface in tandem with laser welding of a molded steel pipe.
Согласно патенту US №4368080 от 27.10.1980 удаление ржавчины с поверхности металлических предметов осуществляют ее испарением лазерным излучением с длиной волны 10,6 мкм при воздействии импульсами длительностью от 1 до 100 мкс с частотой следования их от 1 до 1000 герц с плотностью мощности в пределах от 47⋅106 Вт/см2. Площадь лазерного пятна на очищаемой поверхности составляет 0,3÷2 см2. Используют перемещение обрабатываемого предмета относительно лазерного пятна. Указано на возможность использования системы поворотных зеркал или сканирующей системы с качающимся зеркалом для быстрого покрытия плоских поверхностей.According to US patent No. 4368080 from 10.27.1980, rust is removed from the surface of metal objects by its evaporation by laser radiation with a wavelength of 10.6 μm when exposed to pulses of 1 to 100 μs duration with a pulse repetition rate of 1 to 1000 hertz with a power density within from 47⋅10 6 W / cm 2 . The area of the laser spot on the surface being cleaned is 0.3 ÷ 2 cm 2 . Use the movement of the workpiece relative to the laser spot. The possibility of using a system of rotary mirrors or a scanning system with a swinging mirror for quick coverage of flat surfaces is indicated.
Большая длительность импульсов (от 1 до 100 мкс) и низкая частота следования импульсов воздействия (от 1 до 1000 герц) с плотностью мощности в пределах от 47⋅106 Вт/см2 обуславливают высокую рабочую температуру очистки и, следовательно, большую глубину проникновения в поверхностный слой материала изделия. Это приводит к частичному удалению поверхностного слоя материала, образующего изделие, к изменению физических и механических свойств поверхностного слоя из-за улетучивания составляющих металла и обезуглероживания. Из-за высокой рабочей температуры способ критичен к толщине обрабатываемой детали и толщине загрязняющего покрытия. В совокупности это не позволяет использовать известный способ для очистки поверхности в тандеме с лазерной сваркой сформованной стальной трубы.A large pulse duration (from 1 to 100 μs) and a low pulse repetition rate (from 1 to 1000 hertz) with a power density ranging from 47⋅106 W / cm2 cause a high working temperature of cleaning and, therefore, a large depth of penetration into the surface layer of the material of the product. This leads to a partial removal of the surface layer of the material forming the product, to a change in the physical and mechanical properties of the surface layer due to the volatilization of the metal components and decarburization. Due to the high operating temperature, the method is critical to the thickness of the workpiece and the thickness of the contaminant coating. In aggregate, this does not allow using the known method for cleaning the surface in tandem with laser welding of a molded steel pipe.
В способе очистки или дезактивации поверхности металлических изделий с использованием луча ультрафиолетового лазера (РФ, заявка №97114233, G21F 9/28, 13.08.1997. Заявитель: Комиссариат А Л'Энержи Атомик (FR)), в процессе очистки удаляют поверхностный слой материала, образующего изделие, а именно: обеспечивают с использованием луча ультрафиолетового лазера испарение слоя окисла, образующегося на поверхности указанного металлического изделия, и образование плазмы, что вызывает удаление поверхностного слоя вещества, непосредственно составляющего само изделие.In a method for cleaning or decontaminating the surface of metal products using an ultraviolet laser beam (RF, application No. 97114233, G21F 9/28, 08/13/1997. Applicant: Commissariat A L'Energy Atomic (FR)), the surface layer of the material is removed during the cleaning process, forming the product, namely: using an ultraviolet laser beam, the evaporation of the oxide layer formed on the surface of the metal product and the formation of plasma are ensured, which causes the removal of the surface layer of the substance directly constituting itself product.
Известный способ обеспечивает глубокую равномерную очистку поверхности за счет удаления поверхностного слоя материала, образующего изделие, что предполагает выполнение способа при высокой температуре, приводящей к расплавлению металла изделия. Это же делает известный способ критичным к толщине изделия и толщине загрязнения. Кроме того, способ предполагает неподвижное состояние объекта очистки. В совокупности вышеизложенное не позволяет использовать известный способ очистки поверхности в тандеме с лазерной сваркой сформованной стальной трубы.The known method provides deep uniform cleaning of the surface by removing the surface layer of the material forming the product, which involves the execution of the method at high temperature, leading to the melting of the metal product. This also makes the known method critical to the thickness of the product and the thickness of the contamination. In addition, the method involves a stationary state of the cleaning object. In total, the foregoing does not allow the use of the known method of surface cleaning in tandem with laser welding of a molded steel pipe.
Известен способ очистки металлов, заключающийся в использовании на очищаемой поверхности пятна луча лазера с плотностью мощности лазерного излучения, достаточной для возникновения процессов терморазрушения покрытия (РФ, патент №2619692, В08В/00, 17.05.2017). Используют непрерывное лазерное излучение, пятно которого на поверхности изделия непрерывно перемещают по замкнутой круговой траектории, центр кривизны которой при этом линейно перемещают по траектории любой конфигурации для получения непрерывной полосы обработки.There is a method of cleaning metals, which consists in using a laser beam spot with a laser radiation power density sufficient to cause thermal destruction of the coating on the surface to be cleaned (RF Patent No. 2619692, B08B / 00, 05.17.2017). Continuous laser radiation is used, the spot of which on the surface of the product is continuously moved along a closed circular path, the center of curvature of which is linearly moved along the path of any configuration to obtain a continuous processing strip.
Для получения качественной очистки способ требует неоднократных воздействий. Кроме того, в известном способе воздействие на очищаемую поверхность осуществляют путем перемещения пятна лазерного луча по замкнутой круговой траектории, что предполагает неподвижное состояние очищаемой поверхности. В совокупности вышеизложенное обуславливает невозможность применения известного способа в тандеме с лазерной сваркой сформованной стальной трубы.To obtain high-quality cleaning, the method requires repeated exposure. In addition, in the known method, the effect on the surface being cleaned is carried out by moving the spot of the laser beam along a closed circular path, which implies a stationary state of the surface being cleaned. Together, the foregoing makes it impossible to use the known method in tandem with laser welding of a molded steel pipe.
В наиболее близком к предлагаемому способе очистки корродированной стальной поверхности, включающем формирование пучка лазерного излучения, сканирование сформированным пучком по корродированной поверхности объекта в несколько проходов и регистрацию спектра плазмы, образующейся в процессе удаления загрязнений, сканирование поверхности осуществляют в многоимпульсном режиме и непрерывно регистрируют спектр плазмы для очищаемой поверхности и/или для загрязнителя. Регистрируют линии железа и линии кислорода, измеряют значения интенсивностей указанных спектральных линий и вычисляют отношение интенсивностей спектральной линии кислорода к спектральной линии железа. При значении величины отношения интенсивностей выбранных спектральных линий больше 0,5 мощность пучка лазерного излучения уменьшают. При значении отношения интенсивностей выбранных спектральных линий меньше 0,5 поверхность считают очищенной. (РФ, патент №2538161, В23K 26/36, 10.07.2014).In the closest to the proposed method of cleaning a corroded steel surface, including the formation of a laser beam, scanning the generated beam over the corroded surface of an object in several passes and registering the plasma spectrum generated during the removal of contaminants, the surface is scanned in a multipulse mode and the plasma spectrum is continuously recorded for surface to be cleaned and / or for contaminant. The iron lines and oxygen lines are recorded, the intensities of the indicated spectral lines are measured, and the ratio of the intensities of the spectral line of oxygen to the spectral line of iron is calculated. When the value of the ratio of the intensities of the selected spectral lines is greater than 0.5, the power of the laser beam is reduced. If the intensity ratio of the selected spectral lines is less than 0.5, the surface is considered cleaned. (RF patent No. 2538161, B23K 26/36, 07/10/2014).
Из текста описания способа следует, что при очистке используют сфокусированный лазерный луч с диаметром пятна 200 мкм и средней мощностью излучения 50 Вт. Воздействие осуществляют импульсами с постоянной длительностью 200 не, при этом частоту следования импульсов изменяют в диапазоне от 50 до 100 кГц. Способ предполагает состояние объекта по отношению к лучу лазера неподвижное. Качество очистки регулируют изменением мощности излучения по результатам контроля качества очистки.From the description text of the method it follows that when cleaning using a focused laser beam with a spot diameter of 200 microns and an average radiation power of 50 watts. The impact is carried out by pulses with a constant duration of 200 ns, while the pulse repetition rate is changed in the range from 50 to 100 kHz. The method involves the state of the object in relation to the laser beam is stationary. The quality of cleaning is regulated by changing the radiation power according to the results of quality control of cleaning.
В известном способе ширина полосы очищаемого слоя равна размеру пятна лазерного излучения на поверхности, размеры которого малы (200 мкм). Несмотря на то, что небольшой размер пятна компенсирует высокая плотность мощности, формируемая используемыми в способе значениями частоты следования импульсов лазерного излучения (от 50 до 100 кГц), малый размер пятна обуславливает необходимость неоднократного числа проходов для последовательного покрытия всей обрабатываемой поверхности. Кроме того, воздействие осуществляют импульсами с постоянной длительностью 200 не, что обеспечивает при каждом проходе одинаковую глубину очистки без учета возможного наличия неровностей очищаемой поверхности. Кроме того, импульсы такой длительности обеспечивают небольшую глубину очистки. В результате снижается качество очистки поверхности при одном проходе луча лазера, что обуславливает необходимость в повторения проходов луча лазера. При этом известный способ предполагает неподвижное положение очищаемой поверхности. В совокупности вышеизложенное обуславливает невозможность применения известного способа для очистки поверхности в тандеме с лазерной сваркой сформованной стальной трубы.In the known method, the strip width of the cleaned layer is equal to the size of the laser spot on the surface, the dimensions of which are small (200 μm). Despite the fact that the small spot size is compensated by the high power density formed by the laser pulse repetition rate values used in the method (from 50 to 100 kHz), the small spot size necessitates a multiple number of passes for sequential coating of the entire surface to be treated. In addition, the effect is carried out by pulses with a constant duration of 200 ns, which ensures the same cleaning depth at each pass without taking into account the possible presence of irregularities of the surface being cleaned. In addition, pulses of this duration provide a small depth of cleaning. As a result, the quality of surface cleaning with a single pass of the laser beam decreases, which necessitates the repetition of passes of the laser beam. Moreover, the known method involves the stationary position of the surface being cleaned. Together, the foregoing makes it impossible to use the known method for cleaning the surface in tandem with laser welding of a molded steel pipe.
Таким образом, в результате сравнительного анализа способов очистки поверхностей посредством воздействия лазерным лучом, аналогов заявляемого способа, выявлено, что существует проблема, заключающаяся в создании способа лазерной очистки поверхности, позволяющего использовать его в тандеме с лазерной сваркой сформованной стальной трубной заготовки.Thus, as a result of a comparative analysis of methods for cleaning surfaces by means of a laser beam, analogues of the proposed method, it is revealed that there is a problem in creating a laser surface cleaning method that can be used in tandem with laser welding of a molded steel pipe billet.
Существующую проблему при осуществлении решает заявленный способ лазерной очистки поверхности стальной заготовки перед лазерной сваркой.The existing problem in the implementation solves the claimed method of laser cleaning the surface of a steel billet before laser welding.
При осуществлении заявленного способа достигается следующий технический результат:When implementing the inventive method, the following technical result is achieved:
- выполнение очистки поверхности за один проход луча лазера с достижением требуемого качества очистки;- performing surface cleaning in one pass of the laser beam to achieve the required cleaning quality;
- повышение качества очистки;- improving the quality of cleaning;
- выполнение очистки поверхности с учетом наличия на ней возможных неровностей и углублений без удаления поверхностного слоя материала, образующего изделие, и без изменения характеристик поверхностного слоя материала изделия;- performing surface cleaning, taking into account the presence of possible irregularities and recesses on it, without removing the surface layer of the material forming the product, and without changing the characteristics of the surface layer of the product material;
- выполнение очистки движущейся поверхности.- performing cleaning of a moving surface.
Сущность заявленного изобретения состоит в то, что в способе лазерной очистки поверхности стальной заготовки перед лазерной сваркой, включающем формирование импульсного лазерного излучения, направление его на очищаемую поверхность, сканирование очищаемой поверхности заготовки импульсами лазерного излучения, непрерывный контроль степени очистки поверхности и изменение мощности излучения по результатам контроля, новым является то, что формируют расфокусированное коллимированное лазерное излучение, при этом в процессе очистки осуществляют перемещение заготовки, а сканирование по очищаемой поверхности заготовки выполняют в направлении, перпендикулярном свариваемым кромкам заготовки, на ширину от 10 до 25 мм по обе стороны от средней линии будущего шва со скоростью от 200 до 400 см/мин, с переменной частотой следования импульсов лазерного излучения от 1 до 10 кГц, с изменением длительности импульсов от 15 до 400 нс и мощности излучения от 400 до 500 Вт, причем при достижении заданного качества очистки фиксируют соответствующее ему значение мощности излучения, которое не изменяют до окончания выполнения очистки поверхности, при этом очистку выполняют в среде защитного газа, который подают в зону очистки после лазерного луча и состав которого соответствует составу защитной среды при последующей лазерной сварке. Кроме того: в качестве защитного газа используют гелий или аргон, при этом контроль качества очистки осуществляют с помощью лазерно-искровой эмиссионной спектроскопии плазмы, образующейся в процессе удаления загрязнения, в которой регистрируют и определяют интенсивность спектральной составляющей кислорода и определяют интенсивность спектральной составляющей железа, затем вычисляют значение частного от деления значения интенсивности спектральной составляющей кислорода на значение интенсивности спектральной составляющей железа и при значении частного равном или меньше 0,3 поверхность считают очищенной; в качестве защитного газа используют углекислый газ, при этом контроль качества очистки осуществляют с помощью лазерно-искровой эмиссионной спектроскопии плазмы, образующейся в процессе удаления загрязнения, в которой регистрируют и определяют интенсивность спектральной составляющей The essence of the claimed invention lies in the fact that in the method of laser cleaning the surface of a steel billet before laser welding, which includes generating pulsed laser radiation, directing it to the surface to be cleaned, scanning the surface of the workpiece being cleaned with laser pulses, continuously monitoring the degree of surface cleaning and changing the radiation power according to the results of control, it is new that defocused collimated laser radiation is formed, while they move the workpiece, and scanning along the surface of the workpiece to be cleaned is performed in the direction perpendicular to the welded edges of the workpiece, from 10 to 25 mm wide on both sides of the midline of the future weld at a speed of 200 to 400 cm / min, with a variable pulse repetition rate of the laser radiation from 1 to 10 kHz, with a change in the pulse duration from 15 to 400 ns and radiation power from 400 to 500 W, and upon reaching the specified cleaning quality, the corresponding radiation power value is fixed, which does not change until the completion of surface cleaning, the cleaning is performed in a shielding gas medium, which is supplied to the cleaning zone after the laser beam and whose composition corresponds to the composition of the protective medium during subsequent laser welding. In addition: helium or argon is used as a shielding gas, while the quality control of cleaning is carried out using laser-spark emission spectroscopy of the plasma formed during the removal of contamination, in which the intensity of the spectral component of oxygen is recorded and determined, and the intensity of the spectral component of iron is determined, then calculate the value of the quotient of dividing the intensity of the spectral component of oxygen by the intensity value of the spectral component of iron and if the quotient is equal to or less than 0.3, the surface is considered cleaned; Carbon dioxide is used as a shielding gas, while the quality control of cleaning is carried out using laser-spark emission spectroscopy of the plasma formed during the removal of contamination, in which the intensity of the spectral component is recorded and determined
выбранного для контроля легирующего элемента, входящего в состав металла очищаемой поверхности, и определяют интенсивность спектральной составляющей железа, затем вычисляют значение частного от деления первого на второе соответственно и при значении частного равном или меньше 0,1 поверхность считают очищенной. the alloying element selected for control, which is part of the metal of the surface being cleaned, and the intensity of the spectral component of iron is determined, then the value of the quotient of dividing the first by the second is calculated, respectively, and if the value of the quotient is equal to or less than 0.1, the surface is considered cleaned.
Существенные признаки формулы изобретения: «Способ лазерной очистки поверхности, включающий формирование луча лазерного излучения, установку луча на очищаемую поверхность, сканирование очищаемой поверхности объекта импульсами лазерного излучения, непрерывный контроль степени очистки, изменение мощности излучения по результатам контроля, …» - являются неотъемлемой частью заявленного способа и обеспечивают возможность его осуществимости, а, следовательно, обеспечивают возможность достижения заявленного технического результата.The essential features of the claims: “The method of laser surface cleaning, including the formation of a laser beam, installing the beam on the surface to be cleaned, scanning the surface of the object to be cleaned with laser pulses, continuous monitoring of the degree of cleaning, changing the radiation power according to the results of the control, ...” are an integral part of the claimed methods and provide the possibility of its feasibility, and, therefore, provide the ability to achieve the claimed technical result.
Заявленный технический результат достигается следующим образом.The claimed technical result is achieved as follows.
С энергетической точки зрения задача выбора оптимального режима работы лазера при очистке сводится к обеспечению минимального порога испарения вещества основного металла. Известно, что таковой обеспечивается в импульсном режиме воздействия (Вейко В.П. «Лазерная обработка пленочных элементов», Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1986. - 248 с.). Кроме того, чем меньше длительность воздействия, тем меньше глубина прогретого слоя вещества и, следовательно, меньше количество образующегося расплава и пара (т.е. меньше повреждение основного вещества) при большем давлении последнего. Таким образом, длительность импульса воздействия определяет глубину термического разрушения загрязняющего покрытия (глубину очистки) (см. там же). В заявленном способе длительность воздействия определяется диапазоном значений длительности воздействующих импульсов, которая находится в пределах от 15 до 400 нс. Поскольку длительность воздействия определяет глубину воздействия, то выполнение сканирования луча лазера по очищаемой поверхности с изменяющейся длительностью импульсов от 15 до 400 нс позволяет одновременно выполнять очистку поверхности на различную глубину с учетом возможно имеющихся на поверхности неровностей и углублений без удаления поверхностного слоя основного материала изделия, сохраняя тем самым его физические свойства. При этом, поскольку длительность лазерного импульса должна соответствовать тепловой постоянной времени материала загрязнителя, то сканирование луча лазера по очищаемой поверхности с изменяющейся длительностью импульсов от 15 до 400 нс позволяет охватить одновременно широкий спектр загрязнений, что повышает качество очистки. Кроме того, выполняют сканирование по очищаемой поверхности расфокусированным коллимированным лазерным лучом. Коллимация (Collimation) -формирование тонкого параллельно идущего потока излучения с помощью использования соответствующих щелей, размещаемых на пути его прохождения (ИТНЕРНЕТ, Медицинская энциклопедия. Коллимация (Collimation)). В результате использование коллимированного луча лазера увеличивает в несколько раз площадь поверхности сканирования за один проход лазерного луча, что увеличивает скорость очистки. При этом сканирование выполняют с переменной частотой следования импульсов лазерного излучения в диапазоне от 1 до 10 кГц, с одновременным изменением средней максимальной мощности излучения в пределах от 400 до 500 Вт и одновременно выполняют непрерывный контроль степени очистки. При достижении требуемого качества очистки выставляют соответствующее ему значение мощности излучения, которое фиксируют до окончания выполнения очистки поверхности. Как показал опыт в этом диапазоне мощностей в совокупности с частотой следования импульсов лазерного излучения в диапазоне от 1 до 10 кГц создается необходимый для качественной очистки температурный режим, при котором достигается требуемое качество очистки, а именно: частное от деления значений интенсивностей спектральных составляющих кислорода (или выбранного легирующего элемента) и железа, зарегистрированных в спектре плазмы, образующейся в процессе удаления загрязнения, составляет 0,3 (0,1). Поскольку оперируют со средней максимальной мощностью излучения, то, в результате, при сканировании поверхности лучом лазера с переменной частотой следования импульсов лазерного излучения в диапазоне от 1 до 10 кГц и с изменяющейся длительностью импульсов от 15 до 400 нс, формируется требуемый тепловой режим очистки, обеспечивающий требуемое качество очистки, конкретно для данной поверхности, что учитывает характер поверхности, свойства загрязнителя и повышает качество очистки. Это позволяет выполнить очистку поверхности за один проход. При этом скорость очистки составляет от 200 до 400 см/мин, что соответствует общепринятой скорости движения лазерной сварки сформованной стальной трубной заготовки и позволяет синхронизировать скорость очистки со скоростью движения лазерной сварки, обеспечивая тем самым возможность использования заявленного способа лазерной очистки поверхности в тандеме с лазерной сваркой стальной сформованной трубной заготовки. В заявленном способе сканирование луча лазера выполняют в направлении, перпендикулярном свариваемым кромкам сформованной стальной трубной заготовки по обе стороны от средней линии будущего шва, что обеспечивает возможность очистки поверхности под будущий сварочный шов. Выполнение сканирования на ширину от 10 до 25 мм по обе стороны от средней линии будущего шва учитывает возможные варианты ширины сварочного шва. Возможность выполнения очистки поверхности с учетом ширины свариваемого шва также обеспечивает возможность использования заявленного способа лазерной очистки поверхности в тандеме с лазерной сваркой стальной сформованной трубной заготовки.From an energy point of view, the task of choosing the optimal laser operating mode during cleaning is reduced to ensuring a minimum evaporation threshold for the substance of the base metal. It is known that this is provided in a pulsed mode of exposure (Veiko VP "Laser processing of film elements", L .: Mechanical engineering, Leningrad. Department, 1986. - 248 S.). In addition, the shorter the exposure time, the smaller the depth of the heated layer of the substance and, therefore, the smaller the amount of melt and vapor formed (i.e., less damage to the main substance) at a higher pressure of the latter. Thus, the duration of the exposure pulse determines the depth of thermal destruction of the contaminating coating (cleaning depth) (see ibid.). In the claimed method, the duration of exposure is determined by the range of values of the duration of the impact pulses, which is in the range from 15 to 400 ns. Since the exposure duration determines the exposure depth, scanning the laser beam over the surface to be cleaned with a varying pulse duration from 15 to 400 ns allows simultaneously cleaning the surface to various depths, taking into account irregularities and recesses that may exist on the surface without removing the surface layer of the product’s main material, preserving thereby its physical properties. Moreover, since the duration of the laser pulse should correspond to the thermal time constant of the contaminant material, scanning the laser beam over the surface being cleaned with a varying pulse duration from 15 to 400 ns allows simultaneously covering a wide range of contaminants, which improves the quality of cleaning. In addition, a scan is performed on the surface to be cleaned with a defocused collimated laser beam. Collimation (Collimation) - the formation of a thin parallel-going radiation flux using appropriate slots placed on the path of its passage (Internet, Medical Encyclopedia. Collimation). As a result, the use of a collimated laser beam increases several times the surface area of the scan in one pass of the laser beam, which increases the cleaning speed. In this case, scanning is performed with a variable pulse repetition rate of laser radiation in the range from 1 to 10 kHz, with a simultaneous change in the average maximum radiation power in the range from 400 to 500 W and at the same time continuously monitor the degree of purification. Upon reaching the required quality of cleaning, the corresponding radiation power value is set, which is fixed until the completion of surface cleaning. As experience in this power range has shown, in conjunction with a pulse repetition rate of laser radiation in the range from 1 to 10 kHz, the temperature regime necessary for high-quality cleaning is created at which the required cleaning quality is achieved, namely, the quotient of dividing the intensities of the spectral components of oxygen (or selected alloying element) and iron, recorded in the spectrum of the plasma formed during the removal of contamination, is 0.3 (0.1). Since they operate with an average maximum radiation power, as a result, when scanning a surface with a laser beam with a variable pulse repetition rate of laser radiation in the range from 1 to 10 kHz and with a varying pulse duration from 15 to 400 ns, the required thermal cleaning mode is formed, providing the required quality of cleaning, specifically for a given surface, which takes into account the nature of the surface, the properties of the pollutant and improves the quality of cleaning. This allows you to clean the surface in one go. Moreover, the cleaning speed is from 200 to 400 cm / min, which corresponds to the generally accepted speed of laser welding of a molded steel pipe billet and allows you to synchronize the cleaning speed with the speed of laser welding, thereby providing the possibility of using the claimed method of laser surface cleaning in tandem with laser welding steel molded tubular billet. In the inventive method, the scanning of the laser beam is performed in the direction perpendicular to the welded edges of the molded steel pipe billet on both sides of the midline of the future weld, which makes it possible to clean the surface for the future weld. Scanning to a width of 10 to 25 mm on both sides of the midline of the future weld takes into account the possible widths of the weld. The ability to perform surface cleaning taking into account the width of the welded seam also provides the possibility of using the claimed method of laser surface cleaning in tandem with laser welding of a steel molded tube billet.
Очистку выполняют в среде защитного газа, при этом в процессе выполнения очистки защитный газ подают в зону очистки после лазерного луча в направлении, совпадающем с направлением движения сварки, что сдувает продукты очистки в сторону и обеспечивает изолирование очищенной поверхности как от влияния продуктов очистки, так и от влияния продуктов окружающей среды: влага, сера и фосфор. Кроме того, при использовании способа очистки в тандеме с лазерной сваркой трубной заготовки, подача газа при очистке в направлении, совпадающем с направлением движения сварки, предупреждает попадание в зону сварки продуктов очистки поверхности. Для предупреждения влияния защитного газа, используемого в способе очистки, на процесс сварки и качество шва трубной заготовки, газ формируют сходным по составу с защитной средой, используемой для лазерной сварки. При этом в способе очистки используют, например, инертные газы: аргон, гелий, или углекислый газ, в качестве активного, для предотвращения потери материалом изделия углерода. Вышеизложенное также обеспечивает возможность использования заявленного способа лазерной очистки поверхности в тандеме с лазерной сваркой стальной сформованной трубной заготовки.The cleaning is carried out in a shielding gas medium, while during the cleaning process, the shielding gas is supplied to the cleaning zone after the laser beam in the direction coinciding with the direction of welding, which blows the cleaning products to the side and insulates the cleaned surface both from the influence of the cleaning products and from the influence of environmental products: moisture, sulfur and phosphorus. In addition, when using the cleaning method in tandem with laser welding of the pipe billet, the gas supply during cleaning in the direction coinciding with the direction of welding movement prevents the surface cleaning products from entering the welding zone. To prevent the influence of the protective gas used in the cleaning method on the welding process and the quality of the seam of the tube billet, the gas is formed similar in composition to the protective medium used for laser welding. At the same time, the inert gas, for example, uses inert gases: argon, helium, or carbon dioxide, as an active gas, to prevent the material from losing carbon products. The foregoing also provides the possibility of using the claimed method of laser surface cleaning in tandem with laser welding of a steel molded tube billet.
В случае применения в качестве защитного газа гелия или аргона контроль качества очистки осуществляют с помощью лазерно-искровой эмиссионной спектроскопии плазмы, образующейся в процессе удаления загрязнения, в которой регистрируют и определяют интенсивность спектральной составляющей кислорода и определяют интенсивность спектральной составляющей железа, затем вычисляют значение частного от деления первого на второе соответственно и при значении частного равном или меньше 0,3 поверхность считают очищенной. Коэффициент 0,3 получен опытным путем и показывает, что практически все окислы с очищаемой поверхности сняты.In the case of using helium or argon as a protective gas, the quality control is carried out using laser-spark emission spectroscopy of the plasma formed during the removal of contamination, in which the intensity of the spectral component of oxygen is recorded and determined, and the intensity of the spectral component of iron is determined, and then the value of the quotient from dividing the first by the second, respectively, and when the quotient is equal to or less than 0.3, the surface is considered cleaned. The coefficient 0.3 was obtained empirically and shows that almost all the oxides from the surface to be cleaned are removed.
В случае применения в качестве защитного углекислый газ, при этом контроль качества очистки осуществляют с помощью лазерно-искровой эмиссионной спектроскопии плазмы, образующейся в процессе удаления загрязнения, в которой регистрируют и определяют интенсивность спектральной составляющей выбранного для контроля легирующего элемента, входящего в состав металла очищаемой поверхности, и определяют интенсивность спектральной составляющей железа, затем вычисляют значение частного от деления первого на второе соответственно и при значении частного равном или меньше 0,1 поверхность считают очищенной. Выбор этого значения коэффициента обусловлен тем, что легирующие добавки в стали при прокате распределяются неравномерно, что, в зависимости от сорта проката, приводит к насыщению поверхностных слоев вполне определенными легирующими элементами. Появление в спектре легирующего элемента указывает на то, что загрязненный поверхностный слой снят. Значение коэффициента 0,1 получено опытным путем. Выполнение очистки до получения этого значения коэффициента не приводит к снятию основного материала изделия в процессе чистки и не изменяет физических свойств основного материала.In the case of using carbon dioxide as a protective gas, the quality control of cleaning is carried out using laser-spark emission spectroscopy of the plasma formed during the removal of contamination, in which the intensity of the spectral component of the alloying element selected for control, which is part of the metal of the surface being cleaned, is recorded and determined , and determine the intensity of the spectral component of iron, then calculate the value of the quotient of dividing the first by the second, respectively, and at uu private equal to or less than 0.1 is considered cleaned surface. The choice of this coefficient value is due to the fact that the alloying additives in the steel are distributed unevenly during rolling, which, depending on the type of rolled products, leads to saturation of the surface layers with well-defined alloying elements. The appearance of an alloying element in the spectrum indicates that the contaminated surface layer has been removed. The coefficient value of 0.1 obtained experimentally. Performing cleaning until this coefficient value is obtained does not lead to removal of the main material of the product during the cleaning process and does not change the physical properties of the main material.
Таким образом, из вышеизложенного следует, что заявленный способ лазерной очистки поверхности при осуществлении решает проблему, заключающуюся в создании способа лазерной очистки поверхности, позволяющего использовать его в тандеме с лазерной сваркой сформованной стальной трубной заготовки. При этом при осуществлении заявленного способа лазерной очистки поверхности достигается технический результат: выполнение очистки поверхности за один проход луча лазера с достижением требуемого качества очистки; повышение качества очистки; выполнение очистки поверхности с учетом наличия на ней возможных неровностей и углублений без удаления поверхностного слоя материала, образующего изделие, и без изменения характеристик поверхностного слоя материала изделия; выполнение очистки движущейся поверхности.Thus, from the foregoing, it follows that the claimed method of laser surface cleaning during implementation solves the problem of creating a laser surface cleaning method that can be used in tandem with laser welding of a molded steel pipe billet. Moreover, when implementing the inventive method of laser surface cleaning, the technical result is achieved: performing surface cleaning in one pass of the laser beam to achieve the required cleaning quality; improving the quality of cleaning; performing surface cleaning taking into account the presence of possible irregularities and recesses on it without removing the surface layer of the material forming the product, and without changing the characteristics of the surface layer of the product material; performing cleaning of a moving surface.
На фигуре изображена схема использования заявленного способа лазерной очистки поверхности в тандеме с гибридной лазерной сваркой сформованной стальной трубной заготовки: 1 - сканирующий датчик-позиционер; 2 - спектрометр; 3 - головка системы лазерной очистки; 4 - сопло для подачи защитного газа; 5 - сварочная головка; 6 - головка системы лазерной сварки.The figure shows a diagram of the use of the claimed method of laser surface cleaning in tandem with hybrid laser welding of a molded steel pipe billet: 1 - scanning sensor positioner; 2 - spectrometer; 3 - the head of the laser cleaning system; 4 - nozzle for supplying a protective gas; 5 - welding head; 6 - the head of the laser welding system.
Заявленный способ лазерной очистки поверхности реализуют следующим образом. Формируют луч лазерного излучения и устанавливают на очищаемую поверхность. Выполняют сканирование расфокусированным коллимированным лазерным лучом по очищаемой поверхности движущейся стальной сформованной трубной заготовки, в направлении, перпендикулярном свариваемым кромкам, на ширину от 10 до 25 мм по обе стороны от средней линии будущего шва, при скорости очистки от 200 до 400 см/мин, при этом сканирование выполняют с переменной частотой следования импульсов лазерного излучения в диапазоне от 1 до 10 кГц, с изменяющейся длительностью импульсов от 15 до 400 нс, при этом изменяют среднюю максимальную мощность излучения в пределах от 400 до 500 Вт и одновременно выполняют непрерывный контроль качества очистки, при достижении требуемого качества очистки фиксируют соответствующее значение мощности излучения и не изменяют его до окончания выполнения очистки поверхности.The claimed method of laser surface cleaning is implemented as follows. A laser beam is formed and mounted on the surface to be cleaned. A defocused collimated laser beam is scanned along the cleaned surface of a moving steel molded tube billet, in a direction perpendicular to the welded edges, from 10 to 25 mm wide on both sides of the midline of the future weld, at a cleaning speed of 200 to 400 cm / min, this scan is performed with a variable pulse repetition rate of laser radiation in the range from 1 to 10 kHz, with a varying pulse duration from 15 to 400 ns, while changing the average maximum power emitted I in the range of 400 to 500 W and simultaneously perform continuous quality control of cleaning, when the desired treatment quality fixed value corresponding to the radiation power and do not modify it until the end surface cleaning performance.
Кроме того, очистку выполняют в среде защитного газа, которую формируют сходной по составу с защитной средой для последующей лазерной сварки, при этом в процессе выполнения очистки защитный газ подают в зону очистки после лазерного луча в направлении, совпадающем с направлением движения сварки. Применяют в качестве защитного газа, например, гелий или аргон, при этом контроль качества очистки осуществляют с помощью лазерно-искровой эмиссионной спектроскопии плазмы, образующейся в процессе удаления загрязнения, в которой регистрируют и определяют интенсивность спектральной составляющей кислорода и определяют интенсивность спектральной составляющей железа, затем вычисляют значение частного от деления первого на второе соответственно и при значении частного равном или меньше 0,3 поверхность считают очищенной.In addition, the cleaning is performed in a shielding gas medium, which is formed similar in composition to the shielding medium for subsequent laser welding, while in the process of performing the shielding gas is supplied to the cleaning zone after the laser beam in the direction coinciding with the direction of welding movement. It is used as a protective gas, for example, helium or argon, while the quality control of cleaning is carried out using laser-spark emission spectroscopy of the plasma formed during the removal of contamination, in which the intensity of the spectral component of oxygen is recorded and determined, and the intensity of the spectral component of iron is determined, then calculate the quotient of dividing the first by the second, respectively, and when the quotient is equal to or less than 0.3, the surface is considered cleaned.
В случае применения в качестве защитного углекислого газа, контроль качества очистки осуществляют с помощью лазерно-искровой эмиссионной спектроскопии плазмы, образующейся в процессе удаления загрязнения, в которой регистрируют и определяют интенсивность спектральной составляющей выбранного для контроля легирующего элемента, входящего в состав металла очищаемой поверхности, и определяют интенсивность спектральной составляющей железа, затем вычисляют значение частного от деления первого на второе соответственно и при значении частного равном или меньше 0,1 поверхность считают очищенной.When used as a protective carbon dioxide gas, the quality control of the cleaning is carried out using laser-spark emission spectroscopy of the plasma formed during the removal of contamination, in which the intensity of the spectral component of the alloying element selected for control, which is part of the metal of the surface being cleaned, is recorded and determined, and determine the intensity of the spectral component of iron, then calculate the value of the quotient of dividing the first by the second, respectively, and at a value of hour A surface equal to or less than 0.1 is considered cleaned.
Для осуществления заявленного способа лазерной очистки поверхности использовали иттербиевый волоконный лазер с максимальной выходной мощностью от 10 до 1000 Вт, длиной волны 1070 нм; диаметр волокна 50 мкм; терминация оптического волокна - QBH, коллиматор; управляющий интерфейс - RS-232, цифровой и аналоговый сигнал. (Лазер серия ЛК-ххх http://www.ntoire-polus.ru/HP%20fiber%201aser.pdf).To implement the claimed method of laser surface cleaning, an ytterbium fiber laser was used with a maximum output power of 10 to 1000 W, a wavelength of 1070 nm; fiber diameter 50 μm; fiber termination - QBH, collimator; control interface - RS-232, digital and analog signal. (Laser series LK-xxx http://www.ntoire-polus.ru/HP%20fiber%201aser.pdf).
Наведение лазерного луча на очищаемую поверхность выполняли с помощью датчика-позиционера 1, а именно, использовали лазерный триангуляционный датчик положения. Процесс лазерной очистки может быть реализован, например, следующим образом. Лазерный источник генерирует импульсное лазерное излучение с параметрами, сформированными программно, в соответствии с заявленной формулой изобретения, благодаря его подключению через управляющий интерфейс к управляющему компьютеру, под управлением которого осуществляется и сканирование лазерного луча по поверхности, с изменяющимися длительностью импульса, частотой следования и мощностью излучения, в соответствии с заявленной формулой изобретения. В процессе очистки возникает плазменный факел, в котором спектрометр 2 регистрирует, контролируемые спектральные составляющие. В соответствии с примером выполнения заявленного способа, очистку поверхности выполняли в среде кислорода. В качестве контролируемых использовали спектральные составляющие кислорода и легирующего элемента. Поскольку в эксперименте использовали сталь 10г2фбю, в которой в поверхностных слоях преобладает марганец, то контролировали спектральную составляющую марганца. Результаты измерений спектрометр передает в управляющий компьютер, который вычисляет значение частного от деления значения интенсивности спектральной составляющей легирующего элемента марганца на значение интенсивности спектральной составляющей железа и при значении частного равном или меньше 0,1 устанавливает соответствующее ему значение мощности излучения, которое фиксирует и не изменяют до окончания выполнения очистки поверхности. Способ лазерной очистки был опробован на пластинах размером 700/100/15,7 мм из стали 10г2фбю класса прочности К52. В качестве защитного газа применяли углекислый газ. Параметрами иттербиевой волоконной лазерной системы очистки являлись: средняя максимальная мощность излучения Р от 400 до 500 Вт, частота импульсов от 1 до 10 кГц, длительность импульсов от 15 до 400 нс, фокусное расстояние от 200 да 300 мм, ширина сканирования от 10 до 25 мм по обе стороны от средней линии будущего шва, скорость очистки от 200 до 400 см/мин, режим работы - непрерывный.The laser beam was guided onto the surface being cleaned using a
Пластины были загрязнены слоем ржавчины и окалиной. Мощность, при очистке поверхности, установленная в соответствии с заявленным способом, составила 200 Вт. После лазерной очистки загрязнители были полностью удалены за один проход. Поверхность была блестящей.The plates were contaminated with a layer of rust and scale. Power, when cleaning the surface, installed in accordance with the claimed method, amounted to 200 watts. After laser cleaning, contaminants were completely removed in a single pass. The surface was shiny.
Была выполнена контрольная лазерно-дуговая сварка без предварительной очистки лазером и с предварительной лазерной очисткой поверхности. Провели анализ шлифа полученных швов. В первом случае, микроструктура сварных швов без обработки представляла собой дисперсный бейнит и тонкие прослойки полигонального феррита. После лазерной очистки поверхности наблюдалась снижение числа пор, более дисперсная структура, появляется большая игольчатость ферритной составляющей. Мелкодисперсная бейнитная составляющая улучшает свойства металла, например, повышается ударная вязкость.A control laser-arc welding was performed without preliminary laser cleaning and with preliminary laser surface cleaning. Conducted an analysis of the section of the received seams. In the first case, the microstructure of the welds without treatment was dispersed bainite and thin layers of polygonal ferrite. After laser cleaning of the surface, a decrease in the number of pores, a more dispersed structure, and a large acicularity of the ferrite component appeared. The finely dispersed bainitic component improves the properties of the metal, for example, toughness increases.
Геометрические параметры шва, как и ожидалось, по сравнению со сваркой без очистки, остались без изменений.The geometric parameters of the weld, as expected, remained unchanged compared to welding without cleaning.
Claims (3)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017129060A RU2668619C1 (en) | 2017-08-14 | 2017-08-14 | Method of laser surface cleaning |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017129060A RU2668619C1 (en) | 2017-08-14 | 2017-08-14 | Method of laser surface cleaning |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2668619C1 true RU2668619C1 (en) | 2018-10-02 |
Family
ID=63798515
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2017129060A RU2668619C1 (en) | 2017-08-14 | 2017-08-14 | Method of laser surface cleaning |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2668619C1 (en) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112620257A (en) * | 2021-01-19 | 2021-04-09 | 山东省科学院激光研究所 | Laser cleaning equipment and cleaning method for high-voltage switch shell |
| CN113673122A (en) * | 2021-02-03 | 2021-11-19 | 广东电网有限责任公司珠海供电局 | Pulse laser parameter adjusting method for optimal cleaning efficiency |
| RU2768086C1 (en) * | 2020-11-03 | 2022-03-23 | Общество с ограниченной ответственностью "Технологический центр "Лазарт" (ООО "ТЦЛ") | Method for wet laser cleaning of hard surfaces |
| RU2771904C1 (en) * | 2021-09-08 | 2022-05-13 | Общество с ограниченной ответственностью "ВИЗ-Сталь" | Method for cleaning the surface of cold-rolled anisotropic electrical steel before coating |
| CN114653686A (en) * | 2022-03-10 | 2022-06-24 | 江苏大学 | Paint laser cleaning method |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR2300632A1 (en) * | 1975-02-14 | 1976-09-10 | Arbed | PROCESS FOR THE DECALAMINATION OF METAL PRODUCTS |
| US4756765A (en) * | 1982-01-26 | 1988-07-12 | Avco Research Laboratory, Inc. | Laser removal of poor thermally-conductive materials |
| JPH09222498A (en) * | 1996-02-15 | 1997-08-26 | Power Reactor & Nuclear Fuel Dev Corp | Laser-decontamination method |
| RU2104846C1 (en) * | 1996-02-21 | 1998-02-20 | Государственное предприятие научно-производственное объединение "Астрофизика" | Material surface cleaning method |
| RU2328364C2 (en) * | 2006-08-21 | 2008-07-10 | Общество с ограниченной ответственностью "АГРОЭЛ" | Laser surface treatment device |
| RU2012158101A (en) * | 2012-12-28 | 2014-07-10 | Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики" | SURFACE LASER CLEANING METHOD |
-
2017
- 2017-08-14 RU RU2017129060A patent/RU2668619C1/en active
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR2300632A1 (en) * | 1975-02-14 | 1976-09-10 | Arbed | PROCESS FOR THE DECALAMINATION OF METAL PRODUCTS |
| US4756765A (en) * | 1982-01-26 | 1988-07-12 | Avco Research Laboratory, Inc. | Laser removal of poor thermally-conductive materials |
| JPH09222498A (en) * | 1996-02-15 | 1997-08-26 | Power Reactor & Nuclear Fuel Dev Corp | Laser-decontamination method |
| RU2104846C1 (en) * | 1996-02-21 | 1998-02-20 | Государственное предприятие научно-производственное объединение "Астрофизика" | Material surface cleaning method |
| RU2328364C2 (en) * | 2006-08-21 | 2008-07-10 | Общество с ограниченной ответственностью "АГРОЭЛ" | Laser surface treatment device |
| RU2012158101A (en) * | 2012-12-28 | 2014-07-10 | Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики" | SURFACE LASER CLEANING METHOD |
| RU2538161C2 (en) * | 2012-12-28 | 2015-01-10 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики" | Laser surface cleaning method |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2768086C1 (en) * | 2020-11-03 | 2022-03-23 | Общество с ограниченной ответственностью "Технологический центр "Лазарт" (ООО "ТЦЛ") | Method for wet laser cleaning of hard surfaces |
| CN112620257A (en) * | 2021-01-19 | 2021-04-09 | 山东省科学院激光研究所 | Laser cleaning equipment and cleaning method for high-voltage switch shell |
| CN113673122A (en) * | 2021-02-03 | 2021-11-19 | 广东电网有限责任公司珠海供电局 | Pulse laser parameter adjusting method for optimal cleaning efficiency |
| RU2771904C1 (en) * | 2021-09-08 | 2022-05-13 | Общество с ограниченной ответственностью "ВИЗ-Сталь" | Method for cleaning the surface of cold-rolled anisotropic electrical steel before coating |
| CN114653686A (en) * | 2022-03-10 | 2022-06-24 | 江苏大学 | Paint laser cleaning method |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2668641C1 (en) | Method of laser-arc welding of steel formulated pipe stock | |
| RU2668619C1 (en) | Method of laser surface cleaning | |
| US9457432B2 (en) | Apparatus and method for laser cleaning of coated materials prior to welding | |
| Atabaki et al. | High power laser welding of thick steel plates in a horizontal butt joint configuration | |
| US8604382B2 (en) | Method for manufacturing a laser welded steel pipe | |
| US20130087543A1 (en) | Apparatus and method for post weld laser release of gas build up in a gmaw weld | |
| Kumar et al. | A study on laser cleaning and pulsed gas tungsten arc welding of Ti–3Al–2.5 V alloy tubes | |
| JP2020513323A (en) | Method for laser descaling of metal products in operation, and apparatus for carrying out the same | |
| WO2013141810A1 (en) | A laser cleaning apparatus and method | |
| Ragusich et al. | Selective pulsed laser stripping of TiAlN erosion-resistant coatings: effect of wavelength and pulse duration | |
| Reisgen et al. | Sound welding of copper: laser beam welding in vacuum | |
| Daurelio et al. | Laser surface cleaning, de-rusting, de-painting and de-oxidizing | |
| Walsh | Laser welding–literature review | |
| Seo et al. | A study of laser cleaning to remove by-products occurring after arc welding | |
| Farrokhi et al. | A practical approach for increasing penetration in hybrid laser-arc welding of steel | |
| JP2024009485A (en) | Corrosion resistance improvement processing method of stainless steel | |
| Liu et al. | Fiber laser welding of 780MPa high strength steel | |
| Zhang et al. | Fundamental study on welding properties of 515nm green laser | |
| WO2012010740A1 (en) | Method for removing an oxidation from the surface of a metal object | |
| JP4667446B2 (en) | Determination method of pulse frequency of laser output in pulse laser welding | |
| Kancharla et al. | Processing of surfaces with kilowatt level nanosecond pulsed fiber lasers | |
| WO2006093017A1 (en) | Material treatment method by laser ablation and material treated by the treatment method | |
| Jethabhai | Parametric Analysis of CO2 Laser for Quality of Weldox-700 Material | |
| Holder et al. | OCT-controlled generation of complex geometries on stainless steel using ultra-short laser pulses | |
| Sutton | Multi-Factor Monitoring During Laser and Hybrid Laser-arc Keyhole Welding of Steel Butt Joints |