Особенности режимов управления процессом в технологии лазерного нанесения металлов

Внедрение: 2020 г.

Повышение качества создаваемого изделия в процессе лазерного нанесения металла (ЛНМ) требует построения системы многопараметрического управления технологическим процессом. С этой целью авторы статьи [1] исследуют процесс ЛНМ в широком диапазоне технологических параметров. В системе управления процессом ЛНМ по оптическому сигналу был использован модуль LTR11 в составе Установки измерительной LTR.

Основная часть экспериментальной установки со снятым кожухом представлена на рисунке 1 и включает порошковый питатель 1 (GTV PF 2.1LC) и лазерную головку 2 (Precitec YC52). С целью формирования изделия подложка 3 установлена на подвижной части робота-манипулятора 4 (Kuka KR10 900). Используется волоконный иттербиевый лазер мощностью 400 Вт (ЛК‑400‑В, НТО «ИРЭ‑Полюс»).

Рисунок 1. Общий вид экспериментальной установки: 1 – порошковый питатель; 2 – лазерная головка; 3 – подложка; 4 – робот-манипулятор; 5 – линза пирометра; 6 – сенсор пирометра; 7 – транслятор сенсора.	Рисунок 2. Схема взаимного расположения подложки, сопла, потока частиц и лазерного пучка.	Рисунок 3. Общий вид установки ЛНМ.

Общий вид разработанной экспериментальной установки показан на рисунке 3. Коаксиальное сопло лазерной головки, схематично изображенное на рисунке 2, формирует сходящийся кольцевой поток порошка.

На рисунке 4 приведены результаты воздействия лазерного излучения на подложку при сканировании со скоростью 200 мм/мин: верхняя дорожка (1) была выполнена без использования порошка, в двух других случаях, обозначенных как (2) и (cw), были сформированы дорожки с подачей порошка.

Рисунок 4. Образцы формирования дорожки.

Для контроля температуры на поверхности расплава была использована многоканальная оптическая система диагностики (МОСД) с оптоволоконным каналом передачи как теплового излучения ванны расплава, так и части отраженного от поверхности расплава лазерного излучения к набору фотодиодов. Оптическая часть МОСД включает линзу 5 и многоканальный сенсор 6, размещенный на 4‑координатном трансляторе 7 (рисунок 1). В блоке предусилителей тока фотодиодов формируются сигналы, амплитуды которых пропорциональны освещению приемной части сенсора 6, в котором оптоволоконные кабели шести каналов конструктивно размещены в ряд. Линза 5 фокусирует долю теплового излучения нагретой области и часть отраженного лазерного излучения перед приемной частью сенсора. Для оцифровки токов фотодиодов используется модуль АЦП LTR11 в составе крейта LTR‑EU‑8.

В качестве регулируемого параметра процесса была выбрана мощность лазерного излучения. Мощность изменяется относительно уровня, заданного в коде управляющей ЧПУ-программы. Предполагается, что с изменением мощности лазера изменяется объем ванны расплава и, следовательно, массовая производительность формирования дорожки.

Программная часть системы управления реализована с использованием среды разработки LabView. ПИД-регулятор системы управления поддерживает уровень сигнала пирометра с заданной точностью путем регулирования мощности лазерного излучения. 

Связь с крейтом LTR, в котором располагались модули АЦП сигналов многоканального пирометра, осуществлялась через интерфейс USB. Разработанная система управления размещается «в разрыв» между имеющимся ЧПУ контроллером процесса и лазером, что позволяет использовать систему не только в лабораторных или вновь создаваемых установках, но и для интеграции в существующие ЧПУ системы. Она перехватывает команды управления лазером, синхронизируется с командами включения/выключения излучения и учитывает текущую заданную мощность лазера при формировании скорректированных значений.

Результаты формирования дорожки с резким изменением направления нанесения (в виде буквы W) представлены на рисунке 5.

Рисунок 5. Образцы формирования дорожки в виде буквы W. Слева – без обратной связи, справа – с обратной связью по оптическому сигналу.

Источник:
Завалов Ю.Н., Дубров А.В., Родин П.С., Дубров В.Д. Особенности режимов управления процессом в технологии лазерного нанесения металлов: [Электронный ресурс] // Аддитивные технологии: настоящее и будущее: материалы международной конференции (г. Москва, 8-9 октября 2020 г.). М.: ВИАМ. 2020. С. 167‑180. (Дата обращения: 10.03.21).

Разработчик: Завалов Ю.Н., Дубров А.В., Родин П.С., Дубров В.Д. (ФНИЦ «Кристаллография и фотоника» РАН)