КАРТОЧКА
ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер 16-19-10656
НазваниеСпектрометрия лазерно-индуцированной плазмы для анализа состава и управления технологией лазерной наплавки металлических изделий (3D принтер) в реальном времени
РуководительЛеднев Василий Николаевич, Кандидат физико-математических наук
Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Федеральный исследовательский центр Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук, г Москва
| Период выполнения при поддержке РНФ | 2019 г. - 2020 г. |
Конкурс Конкурс на продление сроков выполнения проектов, поддержанных грантами Российского научного фонда по приоритетному направлению деятельности Российского научного фонда «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами».
Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-205 - Разработка новых конструкционных материалов и покрытий
Ключевые слова3D принтер, аддитивные технологии, спектрометрия лазерно-индуцированной плазмы, многоэлементный анализ, онлайн анализ, коаксиальная лазерная наплавка
Код ГРНТИ55.00.00
СтатусУспешно завершен
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Предлагаемый проект является продолжением цикла работ по применению спектрометрии лазерно-индуцированной плазмы (СЛИП) для мониторинга сложных технологических процессов, индуцированных лазерным излучением, таких как коаксиальная лазерная наплавка (Проект 2016-2018 годов) или лазерная сварка (Проект 2019). В новом Проекте 2019 года спектрометрия лазерно-индуцированной плазмы будет применена для дистанционного контроля качества сварного соединения в режиме реального времени.
Онлайн диагностика качества сварного соединения представляет важную технологическую задачу, так как позволяет в режиме реального времени контролировать процесс сварки, а также быстро определять точное место возникновения дефекта, предотвращая потенциальные проблемы с будущей эксплуатацией изделия. В большинстве подходов, направленных на онлайн контроль качества сварного соединения используют «пассивные методы», такие как измерение топографии поверхности (видеокамеры) и температуры ванны расплава (точечные и матричные оптические и инфракрасные пирометры), диагностируют лазерную плазму над поверхностью расплава (оптическая спектрометрия). Спектрометрия лазерно-индуцированной плазмы является «активным» методом дистанционного зондирования элементного состава мишени и может быть использована в режиме реального времени для мониторинга процесса лазерной сварки (анализ элементного состава ванны расплава), а также для экспрессной оценки качества сварного соединения.
Дистанционный контроль качества сварного соединения с помощью спектрометрии лазерно-индуцированной плазмы будет проводиться по двум направлениям: картирование распределения различных элементов в околошовной области, а также измерение распределения твердости в сварном шве и околошовной зоне. Неравномерное распределение элементного состава в сварном шве является примером дефекта, который приводит к возникновению пор и трещин, а возможно и к разрушению шва при механических нагрузках в процессе эксплуатации. СЛИП позволяет определять содержание легких и тяжелых элементов с высокой чувствительностью (до 10^-3 % масс.), в том числе дистанционно и в режиме реального времени. Созданный в рамках Проекта 2016-2018 СЛИП зонд для онлайн анализа в процессе лазерной наплавки, будет модифицирован, для этого пучок наносекундного лазера будет сфокусирован цилиндрической линзой для создания «протяженной» лазерной плазмы, которая будет расположена перпендикулярно оси сварного шва. Изображение протяженной плазмы будет проецировано на расположенные в линию волокна (собранные в волоконный кабель), которые будут заведены вдоль входной щели спектрометра, оборудованного матричным детектором. Это позволит за один лазерный импульс проводить картирование элементов в поперечном направлении к оси сварного шва. СЛИП зонд будет установлен на технологическую голову установки лазерной сварки для проведения онлайн измерений распределения примесей в сварном шве.
В проекте будет использована уникальная возможность спектрометрии лазерно-индуцированной плазмы дистанционно измерять твердость мишени по соотношению интенсивностей атомных и ионных линий в спектре лазерной плазмы (или по электронной температуре плазмы). Так же, как и при картировании элементного распределения, будет создана протяженная лазерная плазма, продольная ось которой будет расположена перпендикулярно направлению сварного шва. Это позволит получить массив спектров лазерной плазмы, каждый из которых относится к различным участкам поверхности, что обеспечит картирование за один лазерный импульс. В результате будет получена карта распределения твердости вдоль линии абляции протяженной лазерной плазмы, а в процессе перемещения технологической головы будет получена двумерная карта распределения твердости в только что полученном сварном соединении.
В результате выполнения проекта впервые в мировой практике будет продемонстрирован дистанционный метод неразрушающего контроля для оценки качества сварного шва в режиме реального времени.
Ожидаемые результаты
В результате выполнения проекта впервые в мировой практике в режиме реального времени будет продемонстрирована возможность дистанционной диагностики качества сварного соединения по картам распределения химического состава и твердости. Ранее в литературе методы лазерной спектроскопии были использованы только для офлайн измерений шлифов сварных соединений, а стандартные методы диагностики сварочных работ предполагают применение разрушающих методов контроля, например, металлографические исследования. Отметим, что даже рентгеновские методы экспресс анализа химического состава (например, рентгено-флуоресцентная спектрометрия) сварного шва являются офлайн методами, а также обладают недостаточно высоким пространственным разрешением (зона анализа более 2 мм), что существенно ограничивает области применения. Рентгенография может быть успешно применена для диагностики сварных соединений, но только в лабораторных условиях (офлайн измерения) с существенными ограничениями на габариты исследуемого изделия. Также стоит отметить, что данный метод отличается высокой стоимостью оборудования, что в значительной мере сковывает его распространение для контроля изделий, получаемых сварочными технологиями.
Для выполнения проекта будет модифицирован ранее созданный зонд спектрометрии лазерно-индуцированной плазмы (Проект 2016-2018 годов), для создания протяженной лазерной плазмы с целью экспрессного картирования распределения элементов. Разработка технологии оценки качества сварного шва в режиме реального времени может стать более экономным и более безопасным подходом по сравнению с методами рентгенографии, которые еще только собираются применить для онлайн измерений сварных соединений (см. раздел 4.3). Результаты данного проекта могут быть использованы для создания полностью автоматизированных сварочных систем для производства изделий в высокоответственных областях, таких как аэрокосмическая промышленность или продукция военно-промышленного комплекса.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2019 году
Главной задачей проекта в 2019-2020 годах являлась разработка метода онлайн дистанционной диагностики качества сварного соединения с помощью спектрометрии лазерно-индуцированной плазмы (СЛИП). Для решения данной задачи в 2019 году были проведены эксперименты по отработке режима лазерной сварки на листе стали марки ХН45МВТЮ-БР, изучение полученных образцов сварных швов стандартными методами (металлография, микротвердость, распределение элементов в сварном шве методом энергодисперсионной спектрометрии), отработка в лабораторных условиях подходов по картированию элементного состава и оценке твердости для образцов швов спектрометрией лазерно-индуцированной плазмы.
В 2019 году была проведена оптимизация условий лазерной сварки стали марки ХН45МВТЮ-БР и по результатам металлографического анализа шлифов сварных швов выбраны наилучшие параметры (мощность лазера, линейная скорость сварки) сварочного процесса, при котором минимизировано количество дефектов в сварном шве. Картирование распределения элементов (методом энергодисперсионной спектрометрии) в шве, околошовной области и основном материале не выявило отличий в элементном составе в случае «бездефектного» режима сварки, а в случае «дефектного» режима сварки обнаружена тенденция к повышению концентрации легких элементов в шве (алюминий, кремний).
Продемонстрировано на образцах нержавеющей стали, что по соотношению ионных и атомных линий основных элементов (железо, хром) можно проводить дистанционное измерение твердости с помощью СЛИП. Показано, что альтернативные способы измерения твердости по опто-акустическому сигналу и по скорости ударной волны, не могут быть применены для стальных образцов.
Проведено картирование распределения твердости в верхнем слое сварного шва, а также для шлифов сварных швов с помощью СЛИП. Продемонстрировано, что даже для небольших изменений твердости материала в сварном шве (увеличение на 5%) метод СЛИП может это детектировать.
Проведены эксперименты по онлайн зондированию сварочной ванны и горячего сварного шва методом СЛИП во время процесса лазерной сварки. Лазерный пучок СЛИП зонда был сфокусирован в точку диметром 0.4 мм по центру ванны расплава или сварного шва для изучения влияния различных областей сварочной ванны и сварного шва на СЛИП измерения. Сравнение СЛИП измерений для «бездефектного» и «дефектного» режимов лазерной сварки выявило увеличение интенсивности спектральных линий в плазме для режима сварки с большим количеством дефектов в шве, а также значительное ухудшение воспроизводимости сигналов. Аналогичные результаты были получены и для онлайн зондировании горячей поверхности застывшего сварного шва: повышение интенсивности спектральных линий плазмы и ухудшение воспроизводимости сигналов для «дефектного» режима сварки.
Результаты работы опубликованы в Optics Express, Applied Optics, Физика металлов и металловедение и Вестник МГУ (Серия 2 Химия).
Публикации
1. В.Н. Леднев, П.А, Сдвиженский, М.Н. Филиппов, М.Я. Гришин, А.Я. Ставертий, Р.С. Третьяков, Р.Д. Асютин, С.М. Першин Interlayer dilution zone elemental profiling and microhardness measurements for individual laser clads Physics of Metals and Metallography, - (год публикации - 2020)
2. В.Н. Леднев, П.А. Сдвиженский, Р.Д. Асютин, М.Я. Гришин, Р.С. Третьяков, С.М. Першин Surface plasma influence on nanosecond laser ablation Applied Optics, vol. 58 (6), pp. 1496-1501 (год публикации - 2019) https://doi.org/10.1364/AO.58.001496
3. В.Н. Леднев, П.А. Сдвиженский, Р.Д. Асютин, Р.С. Третьяков, М.Я. Гришин, А.Я. Ставертий, А.Н. Федоров, С.М. Першин In situ elemental analysis and failures detection during additive manufacturing process utilizing laser induced breakdown spectroscopy Optics Express, vol. 27(4), pp.4612-4628 (год публикации - 2019) https://doi.org/10.1364/OE.27.004612
4. Сдвиженский П.А., Леднев В.Н.,Асютин Р.Д., Гришин М.Я.,Першин С.М. Спектрометрия лазерно-индуцированной плазмы для анализа состава изделий в процессе коаксиальной лазерной наплавки Вестник МГУ. Серия 2. Химия, - (год публикации - 2020)
Аннотация результатов, полученных в 2020 году
Главной задачей проекта в 2020 году являлась создание прототипа системы спектрометрии лазерно-индуцированной плазмы для онлайн анализа сварного шва и сварочной ванны с пространственным разрешением за одно измерение.
В 2020 году проведена систематическая отработка методики дистанционного измерения твердости методами лазерной спектроскопии. Работы проводили с термообработанными образцами стали марки ХН45МВТЮ-БР, которые имели идентичный химический состав, но отличались по твердости в два раза.
Обнаружено, что при наносекундной абляции твердость образца не влияет на параметры звуковой волны. Систематическое изучение влияния твердости образца на скорость распространения ударной волны было проведено методами зондирования и визуализации с временным разрешением. Было продемонстрировано, что скорость распространения ударной волны при наносекундной абляции не зависит от твердости мишени. При этом мы не смогли обнаружить отраженную ударную волну, которой в литературе приписывают значимый вклад в изменения свойств лазерной плазмы при абляции твердых образцов. В то же время, при лазерной абляции ультракороткими импульсами обнаружена слабая корреляция скорости распространения генерируемой ударной волны и твердости металлической мишени.
Показано, что для наносекундной абляции температура лазерной плазмы не зависит от твердости мишени. Продемонстрировано, что даже для нерезонансных атомных и ионных линий необходимо проводить коррекцию самопоглощения для проведения бесконтактного измерения твердости металлических образцов по спектрам лазерной-индуцированной плазмы.
Были отработаны режимы лазерной сварки стали марки 30ХГСА и выбран оптимальный режим работы.
Создана установка спектрометрии лазерно-индуцированной протяженной плазмы для in situ и онлайн картирования сварного шва и сварочной ванны в процессе лазерной сварки. Создана фокусировочная система для получения равномерного распределения плотности энергии на поверхности мишени. На примере сварки стали марки 30ХГСА проведены эксперименты по in situ и онлайн зондированию сварочной ванны и горячего сварного шва методом спектрометрии лазерно-индуцированной плазмы при зондировании всей ширины шва.
Результаты работы опубликованы в Spectrochimica Acta B и Physics of Wave Phenomena.
Публикации
1. В.Н. Леднев, П.А, Сдвиженский, М.Я. Гришин, А.Я. Ставертий, Р.С. Третьяков, А.Н. Федоров и С.М. Першин In situ laser-induced breakdown spectroscopy measurements during laser welding of superalloy Applied Optics, Vol. 60, Issue 5, pp. 1144-1149 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.1364/AO.411359
2. В.Н. Леднёв, П.А. Сдвиженский, М.Я. Гришин, А.Я. Ставертий, Р.С. Третьяков, Р.Д. Асютин, С.М. Першин Спектрометрия лазерно-индуцированной плазмы для диагностики сварочной ванны во время процесса лазерной сварки Physics of Wave Phenomena, - (год публикации - 2021)
3. В.Н. Леднев, П.А. Сдвиженский, Р.Д. Асютин, А.В. Пересторонин Investigation of the feasibility of online laser- induced breakdown spectroscopy for elemental analysis of compositionally graded alloy parts during their fabrication Journal of Analytical Atomic Spectrometry, vol. 36, pp. 540-547 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.1039/D0JA00437E
4. Леднев В.Н., Сдвиженский П.А., Ставертий А.Я., Гришин М.Я., Третьяков Р.С., Асютин Р.Д., Першин С.М. Online and in situ laser-induced breakdown spectroscopy for laser welding monitoring Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy, - (год публикации - 2021) https://doi.org/10.1016/j.sab.2020.106032
Возможность практического использования результатов
не указано