Анотація до роботи:

Крівцун І. В. Комбіновані лазерно-дугові процеси обробки матеріалів та пристрої для їх реалізації. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.09.10 - Електротермічні процеси та установки. - Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України, Київ, 2002 р.

Дисертація присвячена дослідженню та розробці нових, високоефективних лазерно-дугових (лазерно-плазмових) процесів зварювання і обробки матеріалів, створенню спеціалізованих пристроїв для практичного здійснення комбінованих процесів. Проведено детальні теоретичні дослідження та математичне моделювання фізичних явищ, що відбуваються при взаємодії лазерного пучка з дуговою плазмою, а також при їх спільній взаємодії з поверхнею оброблюваного металу. Встановлено, що у системі електрична дуга - лазерний пучок можливе виникнення комбінованого лазерно-дугового розряду, який може бути покладений в основу створення нового класу плазмових пристроїв - інтегрованих лазерно-дугових плазмотронів для комбінованого зварювання, різання і модифікації поверхні. Розроблено принципи побудови та методи розрахунку таких пристроїв, створено дослідні зразки інтегрованих плазмотронів для лазерно-плазмового зварювання і порошкового наплавлення. Досліджено технологічні можливості розроблених плазмотронів, визначено основні причини більш високої ефективності комбінованих процесів у порівнянні зі звичайними дуговими та лазерними технологіями. Виконано теоретичні дослідження, розроблено математичні моделі та проведено чисельне моделювання процесів лазерної та плазмової взаємодії з дисперсними матеріалами, створено програмне забезпечення для комп’ютерного моделювання процесу плазмового напилювання.

Дисертаційна робота присвячена розробці основ теорії комбінованих лазерно-дугових і лазерно-плазмових процесів зварювання і обробки матеріалів, принципів побудови та методів розрахунку пристроїв для їх практичної реалізації. Сукупність наукових положень і технічних розробок, представлених в дисертації, складає вирішення важливої науково-прикладної проблеми створення високоефективних способів лазерно-плазмової обробки матеріалів і вносить значний вклад в розвиток електротермічних плазмових та лазерних технологій. Основні результати і висновки роботи полягають в наступному:

1. Проведені теоретичні дослідження фізичних явищ, які відбуваються при взаємодії сфокусованого лазерного пучка з плазмою електричної дуги, об’єднаних в комбінованому процесі. Встановлено, що в системі пучок випромінювання СО₂-лазера - електрична дуга можливе виникнення особливого типу газового розряду - комбінованого лазерно-дугового розряду, властивості якого відрізняються як від властивостей звичайної дуги, так і від властивостей оптичного розряду, що підтримується лазерним випромінюванням. Необхідною умовою реалізації лазерно-дугового розряду є порівнянність енергії, яка вкладається в дугову плазму лазерним пучком, з енергією, яка виділяється в ній за рахунок протікання електричного струму.

2. Показано, що, діючи сфокусованим пучком випромінювання СО₂-лазера на плазму стовпа електричної дуги, яка горить в потоці газу, можна ефективно керувати її характеристиками, змінюючи потужність і ступінь фокусування пучка, який вводиться. Теоретично обґрунтовано, що в системі, яка розглядається, можливе формування плазмової лінзи, фокусуючі властивості якої залежать від струму дуги, складу та витрати плазмоутворюючого газу. Це дозволяє, варіюючи вказані умови горіння дуги, керувати фокусуванням лазерного пучка в плазмі розряду.

3. Доведено, що лазерно-дуговий розряд (як джерело тепла для обробки матеріалів), який має широкі можливості керування концентрацією теплової та електромагнітної енергії, може бути покладений в основу створення нового класу плазмових пристроїв - інтегрованих лазерно-дугових плазмотронів для реалізації комбінованих процесів зварювання, різання, наплавлення, напилення, термообробки поверхні та ін.. Запропоновані різні схеми побудови лазерно-дугових плазмотронів прямої та непрямої дії.

4. Розроблені математичні модели комбінованого розряду в лазерно-дугових плазмотронах осесиметричної конструкції, що працюють в ламінарному або турбулентному режимі протікання плазмоутворюючого газу. Запропонована спеціальна конструкція трубчатого термоемісійного катода, робочий кінець якого може підігріватися лазерним випромінюванням, що пропускається через катод. Сформульована модель катодних процесів для трубчатого термокатода і проведено чисельне моделювання комбінованого розряду в плазмотроні з таким катодом. Встановлено, що тугоплавкий трубчатий катод з регульованим лазерним підігріванням має широкі можливості керування розмірами і положенням області катодної прив’язки розряду, розподілом густини струму на катоді та в прикатодній плазмі, катодним падінням потенціалу та ін.

5. Створений інтегрований плазмотрон з трубчатим термокатодом для лазерно-плазмового порошкового наплавлення з розподіленою подачею порошку. Експериментальні дослідження плазмотрона показали, що він працює стійко, з високою стабільністю параметрів плазми. Крім того, він досить надійний і довговічний, оскільки стабілізація струмового каналу і зменшення напруженості поля в дузі під дією лазерного випромінювання знижують небезпеку подвійного дугоутворення, а попереднє лазерне розігрівання катода помітно зменшує пускову ерозію, підвищуючи тим самим ресурс роботи катода. Практичне використання розробленого плазмотрона дозволяє істотно підвищити швидкість і стабільність процесу порівняно зі звичайним способом плазмово-порошкового наплавлення, значно знизити собівартість і збільшити продуктивність наплавлення порівняно з лазерним.

6. Розвинута теорія взаємодії газорозрядної плазми і лазерного випромінювання з поверхнею металу, що випаровується. Дана теорія дозволяє з єдиних позицій описувати процеси дугового, лазерного і комбінованого впливу на метали при самоузгодженому врахуванні фізичних явищ, які протікають в приповерхневій плазмі, на поверхні та в об’ємі металу. Досліджені характеристики теплового і динамічного впливу складових комбінованого джерела тепла на поверхню металу при лазерно-дуговому зварюванні і термообробці. Встановлено, що використання зовнішнього іонізатора (електричної дуги) при лазерному зварюванні без утворення плазмового факела дозволяє істотно знизити температуру поверхні ванни розплаву, при якій починається перехід від теплопровіднісного режиму проплавлення до більш ефективного режиму глибокого проплавлення. Це є однією з основних причин більш високої ефективності лазерно-дугового і лазерно-плазмового зварювання порівняно з лазерним.

7. Запропоновано спосіб швидкісного лазерно-мікроплазмового зварювання алюмінієвих сплавів малих товщин, який полягає в спільному використанні лазерного пучка малої потужності та мікроплазмової дуги зворотної полярності. Експериментальні дослідження даного способу показали, що він дозволяє стабілізувати рух плями дуги по поверхні металу при великих швидкостях зварювання, істотно підвищити ефективність використання енергії як лазерного пучка, так і мікроплазмової дуги, а також виконувати очистку поверхні алюмінію від окисної плівки в ході процесу.

8. Розроблена конструкція і створений дослідний зразок інтегрованого плазмотрона для лазерно-мікроплазмового зварювання сталей, титанових і алюмінієвих сплавів малих товщин з використанням пучка випромінювання ІАГ-лазера і мікроплазмової дуги постійного струму прямої полярності або змінного струму в режимі різнополярних імпульсів. Попередні дослідження технологічних можливостей розробленого плазмотрона показали високу ефективність його застосування для комбінованого зварювання, особливо алюмінієвих сплавів.

9. Запропонована модель теплопровіднісного режиму проплавления металу при лазерно-дуговому зварюванні ІАГ-лазером і аргоновою дугою з неплавким електродом. Встановлно, що основним механізмом впливу лазерного пучка на поведінку дуги в цих умовах є утворення зони лазерного випаровування металу, яке призводить до контрагування анодної області дуги і її стабілізації в межах вказаної зони. Обидва ці ефекти дозволяють істотно підвищити швидкість лазерно-дугового зварювання порівняно з аргонодуговим, що виконується при ефективній потужності дуги, рівній сумі ефективних потужностей лазерної і дугової складових комбінованого джерела тепла, які застосовуються окремо.

10. Проведені дослідження процесів взаємодії лазерного випромінювання і дугової плазми з дрібнодисперсними матеріалами. Показано, що при розрахункові динаміки лазерного нагрівання керамічних частинок, розміри яких порівнянні з довжиною хвилі лазерного випромінювання, необхідно враховувати інтерференційну структуру електромагнітного поля в об’ємі частинок і пов’язану з цією структурою просторову неоднорідність розподілу потужності випромінювання, яке поглинається частинкою. Комбінуючи плазмовий і лазерний способи нагрівання дрібнодисперсних керамічних матеріалів, можна добитись потрібного, наприклад, однорідного розподілу температури по об’єму частинок. Завдяки цьому використання комбінованого лазерно-плазмового напилення відкриває широкі можливості нанесення нових керамічних покриттів, зокрема покриттів з SiO₂.

11. Створено програмне забезпечення для комп’ютерного моделювання процесу плазмового напилення, яке дозволяє швидко і з достатньо хорошою точністю проводити кількісну оцінку теплових і газодинамічних характеристик турбулентних плазмових струменів, які використовуються при плазмовому нанесенні покриттів, а також моделювати процеси нагрівання і руху частинок матеріалу, що напилюється, в залежності від технологічних параметрів режиму напилення. Дане програмне забезпечення може бути корисне інженерам-технологам при розробці різних технологій плазмового напилення та використане як навчальний посібник для підготовки студентів і аспірантів відповідних спеціальностей.

Публікації автора:

1. Seyffarth P., Krivtsun I. V. Laser-arc processes and their applications in welding and material treatment // Welding and Allied Processes. – London: Taylor & Francis, 2002. Vol. 1. – 200 p.

2. Laser-arc discharge: Theory and applications / V. S. Gvozdetsky, I. V. Krivtsun, M. I. Chizhenko, L. M. Yarinich // Welding and Surfacing Rev. – Harwood Academic Publ., 1995. – Vol. 3. – 148 p.

3. К расчету коэффициентов поглощения и отражения оптического пучка при лазерной обработке металлов / В. С. Гвоздецкий, Г. М. Корчинский, И. В. Кривцун, А. Г. Загородний, И. П. Якименко // Автоматическая сварка. – 1987. – № 1. – С. 70-71.

4. Гвоздецкий В. С., Кривцун И. В., Чиженко М. И. Расчет теплофизических свойств и коэффициентов переноса термической плазмы при сварке в Ar-He смеси // Сб. научн. тр. ИЭС им. Е. О. Патона “Применение математических методов в сварке”. – Киев: Наукова думка, 1988. – С. 21-28.

5. Особенности поглощения энергии в слое диэлектрика, находящегося на металлической поверхности, при его термической обработке электромагнитным излучением / В. С. Гвоздецкий, Г. М. Корчинский, И. В. Кривцун, А. Г. Загородний, И. П. Якименко // Автоматическая сварка. – 1988. – № 11. – С. 15-19.

6. Технологический лазер на иттриево-алюминиевом гранате мощностью 400 Вт / Х. С. Багдасаров, В. В. Дьяченко, Е. А. Федоров, В. С. Гвоздецкий, И. В. Кривцун, А. А. Свиргун // Автоматическая сварка. – 1990. – № 2. – С. 73-75.

7. Спектры спонтанного излучения полупространства неоднородной плазмы / В. С. Гвоздецкий, А. Г. Загородний, Г. М. Корчинский, И. В. Кривцун, И. П. Якименко // Физика плазмы. – 1990. – 16, №5. – С. 604-611.

8. Расчетная оценка влияния лазерного излучения на характеристики плазмы столба дуги в канале сопла / В. С. Гвоздецкий, И. В. Кривцун, А. А. Свиргун, М. И. Чиженко // Автоматическая сварка. – 1990. – № 8. – С. 8-14.

9. Моделирование процессов переноса в многокомпонентной плазме столба сварочной дуги / В. С. Гвоздецкий, В. Ф. Демченко, И. В. Кривцун, В. И. Махненко, А. В. Романенко, М. И. Чиженко // Сб. научн. тр. ИЭС им. Е. О. Патона “Проблемы сварки и специальной электрометаллургии”. – Киев: Наукова думка, 1990. – С. 221-229.

10. Технологический лазер на кристаллах ИАГ мощностью 1 кВт / Х. С. Багдасаров, В. В. Дьяченко, Е. А. Федоров, В. С. Гвоздецкий, И. В. Кривцун, А. А. Свиргун // Автоматическая сварка. – 1991. – № 4. – С. 67-69.

11. Бушма А. И., Кривцун И. В. Особенности нагрева мелкодисперсных керамических частиц лазерным излучением // Физика и химия обработки материалов. – 1992. – № 2. – С. 40-48.

12. Кривцун И. В., Парнета И. М. Особенности токопереноса в анодной области дугового разряда // Автоматическая сварка. – 1993. – № 3. – С. 28-30.

13. Кривцун И. В., Чиженко М. И. Основы расчета лазерно-дуговых плазмотронов // Автоматическая сварка. – 1997. – № 1. – С. 16-23.

14. Сом А. И., Кривцун И. В. Лазер + плазма: поиск новых возможностей в наплавке // Автоматическая сварка. – 2000. – № 12. – С. 36-41.

15. Компьютерное моделирование процесса плазменного напыления / Ю. С. Борисов, И. В. Кривцун, А. Ф. Мужиченко, Е. Е. Люгшайдер, У. Эритт // Автоматическая сварка. – 2000. – № 12. – С. 42-51.

16. Кривцун И. В. Модель испарения металла при дуговой, лазерной и лазерно-дуговой сварке // Автоматическая сварка. – 2001. – № 3. – С. 3-10.

17. Моделирование тепловых процессов при ремонте трубопроводов в условиях космоса / Ю. Л. Васенин, А. А. Загребельный, А. Т. Зельниченко, И. В. Кривцун, В. Ф. Шулым // Автоматическая сварка. – 2001. – № 4. – С. 19-24.

18. Кривцун И. В. Особенности работы трубчатого термокатода, подогреваемого лазерным излучением // Автоматическая сварка. – 2001. – № 10. – С. 56-62.

19. Коваленко В. С., Крівцун І. В. Комбіновані лазерно-дугові процеси обробки матеріалів. Ч. I. Ефекти комбінованої обробки і способи її реалізацїї // Наукові вісті НТУУ “КПІ”. – 2001. – № 5. – С. 33-44.

20. Кривцун И. В. Особенности проплавления металла при лазерно-дуговой сварке с использованием ИАГ-лазера // Автоматическая сварка. – 2001. – № 12. – С. 33-36.

21. Коваленко В. С., Крівцун І. В. Комбіновані лазерно-дугові процеси обробки матеріалів. Ч. II. Технологічні можливості комбінованого джерела тепла і взаємовплив його складових // Наукові вісті НТУУ “КПІ”. – 2001. – № 6. – С. 47-66.

22. Гибридная лазерно-микроплазменная сварка металлов малых толщин / Б. Е. Патон, В. С. Гвоздецкий, И. В. Кривцун, А. А. Загребельный, В. Ф. Шулым, В. Л. Джеппа // Автоматическая сварка. – 2002. – № 3. – С. 5-9.

23. Пат. 5700989 США, МКИ B23K 26/00, 10/00. Combined laser and plasma arc welding torch / I. S. Dykhno, I. V. Krivtsun, G. N. Ignatchenko. – Опубл. 23.12.97.

24. Спектры спонтанного излучения полупространства неоднородной плазмы / В. С. Гвоздецкий, А. Г. Загородний, Г. М. Корчинский, И. В. Кривцун, И. П. Якименко // Препринт ИТФ-88-110Р. – Киев: ИТФ, 1988. – 36 с.

25. Лазерно-дуговой разряд в канале / В. С. Гвоздецкий, И. В. Кривцун, А. А. Свиргун, М. И. Чиженко // Препринт ИЭС-89-6. – Киев: ИЭС им. Е. О. Патона, 1989. – 30 с.

26. Гвоздецкий В. С., Кривцун И. В., Чиженко М. И. Численное исследование характеристик разряда в канале лазерно-дугового плазмотрона // Препринт ИЭС-91-2. – Киев: ИЭС им. Е. О. Патона, 1991. – 42 с.

27. Radiation of electromagnetic waves by inhomogeneous plasmas / G. M. Korchinsky, I. V. Krivtsun, I. P. Yakimenko, A. G. Zagorodny // Proceedings of the XIX Int. Conf. on Phenomena in Ionized Gases, Yugoslavia, Belgrade, 1989. – P. 824-825.

28. Гвоздецкий В. С., Кривцун И. В., Чиженко М. И. Взаимодействие лазерного пучка с плазмой электрической дуги // Материалы VIII Всесоюзной конференции по физике низкотемпературной плазмы, Минск, 1991. – Ч. III. – С. 31-32.

29. Кривцун И. В., Парнета И. М. О механизме контракции тока в анодной области дугового разряда // Тезисы докладов Международной конференции “Физика дуги и источники питания”. – Киев: ИЭС им. Е. О. Патона, 1992. – С. 20-22.

30. Гвоздецкий В. С., Кривцун И. В., Чиженко М. И. Расчет характеристик лазерно-дугового разряда в потоке аргона // Тезисы докладов Международной конференции “Физика дуги и источники питания”. – Киев: ИЭС им. Е. О. Патона, 1992. – С. 24-25.

31. Исследование нагрева и движения частиц в потоке Ar-He плазмы при различных давлениях / Ю. С. Борисов, А. И. Бушма, И. В. Кривцун, А. В. Чернышов, М. И. Чиженко // Тезисы докладов XII научно-технической конференции “ Теория и практика газотермического нанесения покрытий”, Дмитров, 1992. – Т. 1. – С. 7-10.

32. Bushma A. I., Krivtsun I. V. Modelling of laser heating of the fine ceramic particles // Proceedings of the IV Europ. Conf. on Laser Treatment of Materials, Germany, Gцttingen, 1992. – P. 719-723.

33. Computer-aided simulation and experimental study of dusted plasma jets emitting into limited space / Yu. Borisov, A. Chernyshov, M. Chizhenko, I. Krivtsun, V. Shimanovich, I. Kratko // Proceedings of the VII National Thermal Spray Conf., USA, Boston, 1994. – P. 361-366.

34. Borisov Yu. S., Krivtsun I. V., Muzhichenko A. F. Software package for computer-aided simulation of plasma spraying process // Abstracts of the 5^th Int. Thermal Plasma Processes Conf., Russia, St. Petersburg, 1998. – P. 91.

35. Krivtsun I. V. Modeling of the laser-arc plasma torch // Abstracts of the 5^th Int. Thermal Plasma Processes Conf., Russia, St. Petersburg, 1998. – P. 132.

36. Krivtsun I. V., Som A. I. Modeling of the laser-arc plasma torch // Progress in Plasma Processing of Materials: Proceedings of the 5^th Int. Thermal Plasma Processes Conf., Russia, St. Petersburg, 1998. – New York: Begell House Inc., 1999. – 958 p.

37. Comparison of computer modeling and measurements in plasma spraying of Ni and Al₂O₃ / Yu. Borisov, I. Krivtsun, A. Muzhichenko, E. E. Lugscheider, U. Eritt // Proceedings of the XIII International Conference on Surface Modification Technologies. – Singapore, 1999. – P. 183-188.