МГТУ им. Н.Э. Баумана
УДК 621.373.826 Лазеры
Приведены результаты исследования сопутствующего излучения, возникающего при лазерных технологических процессах обработки материалов, определены энергетические характеристики в различных диапазонах длин волн. Данный вопрос является актуальным как в технологической сфере, так и в сферах медицины и охраны труда. Теоретическое и экспериментальное определение спектров сопутствующего излучения позволит оценить наличие конкретных длин волн, которые могут дестабилизировать процесс лазерной обработки, в частности, нержавеющей стали 12Х18Н10Т, как одной из наиболее востребованных в промышленном применении. Оценка зависимости спектра сопутствующего излучения от химического состава обрабатываемого материала проводилась с использованием специализированного программного обеспечения. Теоретически было установлено, что спектры эмиссии нержавеющей стали 12Х18Н10Т находятся в УФ-А, фиолетовом и зелёном диапазонах длин волн. В экспериментальной работе для определения спектрального состава сопутствующего излучения использовался автоматизированный монохроматор-спектрограф модели М266 (фирма Solar laser systems). Полученные результаты спектрального анализа подтверждают теоретические данные и дополняют их, что связано с наличием интенсивных тепловых эффектов, которые программное обеспечение для расчётов не учитывает. Результаты исследований свидетельствуют о наличии в составе сопутствующего излучения при обработке нержавеющей стали 12Х18Н10Т по технологии лазерной маркировки линий спектра в УФ- диапазоне длин волн. Сравнение значений, полученных в теоретической и экспериментальной частях исследования, показало необходимость совмещать эти два способа исследования сопутствующего излучения, поскольку именно комбинация теоретических и экспериментальных данных позволяет нивелировать недостатки каждого метода и получить наиболее полную спектральную картину сопутствующего излучения. Зафиксированные результаты исследований, в частности наличие УФ-линий спектра, обуславливают необходимость проведения измерений энергетических характеристик сопутствующего излучения в УФ-диапазоне не только в процессе лазерной маркировки, но и во время других лазерных технологических процессов, для определения конкретных уровней с целью оценки потенциальной опасности для персонала.
лазерная технологическая обработка, сопутствующее излучение, ультрафиолетовое излучение, конструкционная высоколегированная коррозионностойкая сталь 12Х18Н10Т, спектры сопутствующего излучения
Введение
Технологические процессы лазерной обработки материалов всегда сопровождаются отражённым и рассеянным лазерным излучением, и сопутствующим излучением от паро-плазменного факела, раскалённого материала, нагретых вырывающихся частиц и др. Сопутствующее излучение можно охарактеризовать величиной энергетических характеристик, таких как яркость, освещённость и энергетическая освещённость от ультрафиолетового
(УФ-) и инфракрасного (ИК-) излучения, а также линиями спектра, которые в зависимости от химического состава обрабатываемого материала будут отличаться по диапазонам длин волн [1].
Лазерные технологии применяются для решения разнообразных производственных задач для обработки изделий из разных материалов. Одной из самых производимых и используемых в различных отраслях промышленности, в том числе для изготовления деталей машин и аппаратов продовольственного и торгового машиностроения, товаров народного потребления и т.д., является конструкционная высоколегированная коррозионностойкая сталь 12Х18Н10Т. Хорошая сопротивляемость атмосферной и межкристаллитной коррозии в совокупности с жаростойкостью, стабильностью, прочностью, легкостью обработки, возможностью использования в широком диапазоне температур сделали эту марку стали возможной для применения в конструкциях химического и атомного энергетического машиностроения, сосудов и резервуаров, работающих в агрессивных средах, корпусов и трубной обвязки химических реакторных колонн, и других деталей, к которым предъявляются повышенные требования. Эти факты обуславливают выбор именно этой стали, как
наиболее приоритетной, для проведения исследований [2].
Исследование сопутствующего излучения является актуальной задачей как для технологов, с целью определения конкретных факторов, вносящих дестабилизацию в технологический процесс, так для медиков, с целью установления вероятности неблагоприятного воздействия на человека, так и для специалистов по охране труда, с целью определения необходимости предусматривать дополнительные средства защиты для персонала, работающего на лазерном технологическом оборудовании. [3]
В настоящей публикации приведены результаты теоретического и экспериментального исследования спектрального состава сопутствующего излучения при обработке выбранной стали 12Х18Н10Т.
Теоретическая часть
Первым этапом исследования является теоретическое определение спектров нержавеющей стали 12Х18Н10Т для оценки зависимости спектра сопутствующего излучения от химического состава обрабатываемого материала, с использованием специализированного программного обеспечения (ПО) [4]. В интерфейсе можно указать состав плазмы и приблизительные начальные оценки параметров наблюдения, таких как температура и плотность электронов, диапазон длин волн и спектральное разрешение. Первоначальное моделирование Саха-Больцмана выполняется на стороне сервера, и все соответствующие данные, такие как спектральные линии и данные об уровнях энергии, передаются на компьютер пользователя, который строит график моделируемого спектра. Интерфейс для спектроскопии лазерно-индуцированного пробоя позволяет строить теоретические спектры практически любой комбинации химических элементов, в зависимости от электронной температуры Tе (эВ). [5]
Для расчёта в программе выбрана температура испарения железа (Fe), как базового химического элемента стали 12Х18Н10Т (табл. 1) [6].
Спектр эмиссии нержавеющей стали 12Х18Н10Т при достижении температуры испарения порядка 3135,15 К (2862 °С) или 0,27 эВ показан на рис. 1. Слева от линий спектров указаны химические элементы и уровни излучения, красными рамками выделены наиболее спектрально значимые элементы, зафиксированные на графике. При температуре испарения наиболее интенсивно испускают излучение атомы Fe I, Mn I, Cr I, Ni I, входящие в хим. состав материала (табл. 1).
Основные значимые спектральные линии излучения Fe I получены на длинах волн 373,3 нм (УФ-А), 386,1 нм (видимый спектр в фиолетовой области) Cr I на 358,3 нм (УФ-А), 426,5 нм (видимый спектр в фиолетовой области), 520,3 нм (видимый спектр в зелёной области).
Полученные теоретические результаты говорят о том, что химический состав исследуемой стали обуславливает появление в составе сопутствующего излучения УФ- линий спектра. Для подтверждения теоретических данных будет проведён практический эксперимент по фиксации спектральной картины в процессе лазерной обработки стали 12Х18Н10Т.
Экспериментальное исследование
В экспериментальной работе для определения спектрального состава сопутствующего излучения использовался автоматизированный монохроматор-спектрограф модели М266 (фирма Solar laser systems) (рис. 2.) [7]
Управление М266 полностью автоматизировано. Сканирование спектра по длинам волн, смена дифракционных решеток, смена фильтров разделения порядков, регулировка ширины щелей и выбор выходного порта производится автоматически и управляется с помощью интеллектуального и простого в использовании ПО. Автоматический затвор предназначен для автоматического вычитания фона, а также для защиты детектора от излишней засветки источником излучения.
В качестве оптической схемы в M266 используется оригинальная модифицированная схема Черни-Тернера (рис. 3) с одним входом и двумя выходами. [8] Оптическая схема монохроматора/спектрографа M266 представлена на рис. 4.
Входная щель 4, установленная в
фокальной плоскости коллиматорного зеркала 7, освещается исследуемым излучением. Излучение, прошедшее входную щель 4 и поворотное зеркало 6, направляется коллиматорным зеркалом 7 на дифракционную решётку 8 в виде параллельных пучков лучей от каждой точки входной щели. Дифракционная
решётка 8 отклоняет лучи на различные углы в зависимости от длины волны излучения, превращая параллельный пучок от каждой точки входной щели в совокупность монохроматических параллельных пучков. Камерное зеркало 9 создаёт на своей фокальной поверхности 11 совокупность монохроматических изображений входной щели, формирующую спектр. [9]
Изменение длины волны осуществляется поворотом дифракционной решётки вокруг вертикальной оси, проходящей через центр решётки. Смена спектральных диапазонов (дифракционных решёток) осуществляется поворотом турели решёток вокруг горизонтальной оси, проходящей через центр турели.
Плоское зеркало 10 поворачивается вокруг вертикальной оси; в нерабочем положении оно обеспечивает беспрепятственное прохождение излучения на осевой выходной порт 11, а в рабочем – направляет спектр на боковой выходной порт 12. Каждый из выходных портов может содержать либо выходную щель, либо детектор.
Монохроматор снабжён турелью фильтров разделения порядков 3, ахроматическим осветителем 2 и оптическим волокном 1. Все перечисленные элементы легко снимаются и вновь устанавливаются в прибор.
Измерения на монохроматоре-спектрографе проводились по схеме, показанной на рис. 5.
Приёмное устройство монохроматора-спектрографа размещалось на штативе на расстоянии ≈ 300 мм от зоны обработки, блок управления прибора размещался на тележке в непосредственной близости от лазерной установки, данные с прибора выводились на персональный компьютер в виде графиков спектров в режиме реального времени. Спектры пропускания снимались в диапазоне 300…900 нм с шагом сканирования 2 нм.
Измерения проводились в два этапа: на первом этапе использовался светофильтр
СЗС-22 (рис. 6, а) (в работе выделялись участки спектра в области от 420 до 600 нм), на втором этапе использовался светофильтр УФС-1 (рис.6, б) (выделяет участки спектра в области от 240 до 420 нм и от 600 нм). [10]
Спектральный анализ проводился непосредственно в процессе обработки излучением волоконного лазера с длиной волны 1070 нм по технологии лазерной маркировки. Обработка проводилась на мощности 150 Вт, что позволяло получить факел необходимого размера и не расплавлять металл до разбрызгивания.
Полученные по результатам исследований спектры сопутствующего излучения при технологическом процессе лазерной маркировки нержавеющей стали 12Х18Н10Т представлены на рисунке 7. По оси ординат указано число отсчетов фотоумножителя, которое пропорционально относительной интенсивности, а по оси абсцисс длина волны излучения. Широта спектральных линий обусловлена шумами. Графики спектров имеют характерный спад интенсивности в областях 400 нм и 600 нм. Это связано с тем, что при измерениях использовались светофильтры, которые имеют переходные зоны именно в этих местах.
На графиках спектра (рис. 7) наблюдается большое количество пиков и широких спектральных линий. Наибольшую интенсивность имеют линии в УФ-А области спектра
(≈ 342, 358, 363 нм), в зелёном (≈ 528 нм) и оранжевом диапазонах (≈ 621 нм), и самый
активный спектр в красном (≈ 633, 640, 694, 724 нм) и ближнем ИК-диапазоне (≈ 744, 750, 762, 768 нм).
Сравнение пиков спектральных линий, полученных теоретическим и эксперимен-тальным методами представлено в таблице 2. В диапазонах УФ-А и зелёной области спектра зафиксированы совпадения пиков по длинам волн, точные и в пределах погрешности, что свидетельствует о подтверждении теоретической модели экспериментальными результатами. В области спектра от 380 до
440 нм (фиолетовый) теоретическая модель не подтверждена, что связано с использованием светофильтра.
Измерения проводились не в лаборатории, а в условиях цеха, поэтому на результаты экспериментальных исследований оказывали влияние окружающие световые факторы. Пики, полученные на практике в диапазоне от 590 до 900 нм связаны с наличием интенсивных тепловых эффектов, которые ПО для расчётов не учитывает, соответственно в теоретических данных их нет.
Сравнение значений, полученных в теоретической и экспериментальной частях исследования, показало необходимость совмещать эти два способа исследования сопутствующего излучения, поскольку именно комбинация теоретических и экспериментальных данных позволяет нивелировать недостатки каждого метода и получить наиболее полную спектральную картину сопутствующего излучения.
Выводы
1. Теоретически установлено, что спектры эмиссии нержавеющей стали 12Х18Н10Т находятся в УФ-А, фиолетовом и зелёном диапазонах длин волн.
2. Полученные результаты спектрального анализа подтверждают теоретические данные и дополняют их, что связано с наличием интенсивных тепловых эффектов, которые ПО для расчётов не учитывает.
3. Результаты исследований свидетельствуют о наличии в составе сопутствующего излучения при обработке нержавеющей стали 12Х18Н10Т по технологии лазерной маркировки линий спектра в УФ- диапазоне длин волн.
Заключение
Зафиксированные результаты исследований, в частности наличие УФ- линий спектра, обуславливают необходимость проведения измерений энергетических характеристик сопутствующего излучения в УФ- диапазоне не только в процессе лазерной маркировки, но и во время других лазерных технологических процессов, для определения конкретных уровней с целью оценки потенциальной опасности для персонала.
1. Научно-практическая конференция рабочей группы №3 технологической платформы «Фотоника-2023» «Лазерная макрообработка промышленных материалов и аддитивные технологии». Доклад О.А. Крючина «Измерение энергетических характеристик отражённого излучения при лазерных технологических процессах». ULR:https://www.youtube.com/ watch?v=nb DFQt3vaTw (дата обращения 29.09.2024).
2. Нержавеющая сталь 12Х18Н10Т. ULR: https://td-mc.ru/material/nerzhaveyushchaya-stal-12h18n10t (дата обращения 29.09.2024).
3. Толкачёва А.В., Крючина О.А., Садовников И.Э. Лазерная безопасность. Решение есть! Новый стандарт. Передовые концепции. // Лазер-Информ. 2024. №4 (763). С. 6−9.
4. National Institute of standards and technology. ULR: https://physics.nist.gov/PhysRefData/ASD/LIBS/libs-form. html (дата обращения 29.09.2024).
5. LIBS Input Form. ULR: https://physics.nist.gov/PhysRefData/ASD/Html/libshelp.html (дата обращения 29.09.2024).
6. Марочник стали и сплавов. ULR: https://www.splav-kharkov.com/main.php (дата обращения 29.09.2024).
7. Автоматизированный монохроматор-спектрограф M266. ULR: https://solar-laser.com/devices/automated-monochromator-spectrograph-m266/?ysclid=lwrfrh5lep395822790 (дата обращения 29.09.2024).
8. M266 монохроматор-спектрограф. Руководство по эксплуатации. Минск: Solar Laser System, 2017. 32 с.
9. Светофильтры из цветного стекла. ULR: https://oltech.ru/catalog/svetofiltry-iz-tsvetnogo-stekla/ (дата обращения 29.09.2024).
