dr hab. inż. Jacek Górka

Transkrypt

1 dr hab. inż. Jacek Górka Katedra Spawalnictwa Wydział Mechaniczny Technologiczny Politechnika Śląska ul. Konarskiego 18a, Gliwice Gliwice, 28 marzec 2017 R E C E N Z J A pracy doktorskiej Pana mgra inż. Jakuba Kędzi pod tytułem Metoda doboru parametrów technologicznych procesu spawania laserowego z wykorzystaniem identyfikacji systemów wykonanej pod opieką promotora Pana prof. dr hab. inż. Edwarda Chlebusa i promotora pomocniczego Pana dr hab. inż. Jacka Reinera, prof. nadzw. PWr., opracowana na zlecenie Rady Wydziału Mechanicznego Politechniki Wrocławskiej z dnia roku Autor w niniejszym opracowaniu podejmuje się bardzo trudnego zadania polegającego na rozwiązaniu problemów technologicznych procesu przetapiania laserowego z wykorzystaniem identyfikacji systemów co może pozwolić na znacznie zmniejszenie zakresu praktycznych badań eksperymentalnych i może przyczynić się do obniżenia kosztów wytwarzania różnego rodzaju konstrukcji. Analizując treść i zakres pracy należy stwierdzić, że wpisuje się ona w pełni w dyscyplinę naukową: Budowa i Eksploatacja Maszyn, choć również można się tutaj doszukiwać aspektów z obszaru Inżynierii Materiałowej. Współczesny, dynamicznie rozwijający się przemysł poszukuje nowych materiałów konstrukcyjnych, które spełniałyby wyznaczone kryteria odnośnie wytrzymałości, masy, estetyki, ceny. Zastosowanie nowoczesnych technologii metalurgicznych i przetwórstwa hutniczego, jak też nowe spojrzenie na znaczenie i rolę pierwiastków stopowych stosowanych w stalach, pozwoliło na wytworzenie różnych grup stali o szerokim zakresie własności mechanicznych i plastycznych. Opracowanie nowych gatunków stali, zwłaszcza niskostopowych o wysokiej wytrzymałości (HSLA High Strength Low Alloy) o strukturze ferrytycznej, ferrytyczno-perlitycznej, ferrytyczno-bainitycznej, bainitycznej lub martenzytu odpuszczonego pozwoliło na znaczną redukcję masy elementów i konstrukcji z nich

2 wytwarzanych. Redukcja grubości blach wytwarzanych w procesach walcowania termomechanicznego (ang. Thermo Mechanical Controlled Processing TMCP) na potrzeby przemysłu motoryzacyjnego, okrętowego, naftowego, z jednoczesnym zachowaniem wszystkich dotychczasowych parametrów użytkowych pozwala na osiągnięcie znacznych oszczędności, wynikających z mniejszych nakładów na przetwarzanie materiału i mniejszych kosztów transportu. Na przestrzeni ostatnich 20 lat przemysł motoryzacyjny szczególnie silnie akcentował zapotrzebowanie na blachy łączące wysokie własności wytrzymałościowe i plastyczne. Odpowiedź przemysłu stalowniczego na te potrzeby stanowią liczne projekty międzynarodowe z udziałem wielu firm, między innymi ULSAB-AVC (z ang. Ultra Light Steel Auto Body Advanced Vehicle Cocept) czy też Trailtech firmy Arcelor Mittal, których celem jest opracowywanie i wytwarzanie podzespołów ze stali o wysokiej wytrzymałości oraz mających dobrą podatność do obróbki plastycznej. Efektem takich działań jest możliwość redukcji masy pojazdów i obniżenie zużycia paliwa. W wyniku szybkiego rozwoju techniki nastąpił wzrost wymagań, jakie stawiane są materiałom inżynierskim w zakresie wytrzymałości mechanicznych, oddziaływania korozyjno-erozyjnego, czy też odporności na wysoką temperaturę. Trwałość eksploatacyjna zależy od struktury, warstwy wierzchniej współpracujących ze sobą elementów we wszelkiego rodzaju maszynach, jak również elementów pozostających w kontakcie ze środowiskiem zewnętrznym. Własności te zależą nie tylko od możliwości przenoszenia obciążeń mechanicznych przez cały czynny przekrój elementu z zastosowanego materiału, lecz bardzo często także lub głównie od struktury i własności warstw wierzchnich. Ciągły rozwój materiałów, a także wykorzystanie technik inżynierii powierzchni pozwala spełnić te warunki przez kształtowanie mikrostruktury, składu fazowego i chemicznego, stanu naprężeń własnych w warstwach wierzchnich obrabianych elementów, a więc kształtowanie ich własności użytkowych. Niezwykle istotną zaletą technik inżynierii powierzchni jest to, że stwarzają one szerokie możliwości wytwarzania produktów o żądanych własnościach na bazie istniejących już materiałów. W celu modyfikacji własności warstw wierzchnich materiałów szerokie zastosowanie mogą znaleźć metody spawalnicze, a w szczególności obróbka laserowa. Tego typu zastosowanie obróbki laserowej wynika w głównej mierze z własności promieniowania laserowego oraz jego oddziaływania na obrabiany materiał: nagrzewania, nadtapiania, odparowania. Techniki laserowe dają możliwość wykonania wielu operacji technologicznych na różnych materiałach, od trudno obrabialnych mechanicznie poprzez miękkie, na kruchych skończywszy, z wydajnością i dokładnością niejednokrotnie przewyższającą znacznie metody stosowane dotychczas. Dużą zaletą tego procesu jest również możliwość precyzyjnej regulacji parametrów procesu, takich jak: prędkość skanowania powierzchni przez wiązkę laserową oraz jej moc, średnicę i kształt ogniska, rodzaj osłony gazowej. Mając na uwadze doniesienia literaturowe oraz obecny stan 2

3 wiedzy na ten temat celowym wydaje się podjęcie przez Doktoranta badań dotyczących opracowania metody doboru parametrów technologicznych procesu spawania laserowego z wykorzystaniem identyfikacji systemów. Niestety pojawia się tutaj pytanie czy Autor opracowuje metodę doboru parametrów technologicznych procesu spawania laserowego, czy procesu przetapiania laserowego, czy te procesy są sobie równoważne? Zdaniem recenzenta, nie. Opisany eksperyment badawczy dotyczy procesu przetapiania laserowego i chyba trafniejszym tytułem rozprawy byłoby: Metoda doboru parametrów technologicznych procesu przetapiania laserowego z wykorzystaniem identyfikacji systemów. Szkoda, że tego aspektu Doktorant nie skonsultował z pracownikami swojego macierzystego wydziału: Katedry Materiałoznawstwa, Wytrzymałości i Spawalnictwa. Autor rozprawy nie formułuje tezy wprost (w świetle przepisów nie ma takiego obowiązku), ale wykazuje, że: pełne zrozumienie fenomenu spawania laserowego wymaga zwrócenia szczególnej uwagi na multi-fizykę tego procesu, czyli znajomość praw fizycznych obecnych w trakcie jego trwania i odpowiadających między innymi za interakcję wiązki z materiałem, przepływ ciepła, czy też dynamikę ruchu ciekłego metalu - pozwoli na prawidłowe wykorzystanie tej techniki w zakresie kształtowania własności i struktury elementów stalowych wykorzystywanych w przemyśle motoryzacyjnym. Głównym celem badawczym Autora było wykazanie, że: dzięki zastosowaniu modeli dynamicznych pozyskanych metodą IS, możliwa jest optymalizacja technologiczna parametrów spawania w procesie laserowej obróbki 3D. Aby zrealizować cele badawcze Doktorant: dokonał oceny metod identyfikacji i parametryzacji procesu przetapiania laserowego, zaprojektował i zbudował stanowiska badawcze oraz opracował metody pomiaru głębokości przetopienia, dokonał analizy zależności pomiędzy parametrami technologicznymi, a geometrycznymi przetopienia, opracował model dynamiczny procesu przetapiania laserowego z wykorzystaniem Identyfikacji Systemów, dokonał walidacji eksperymentalnej opracowanych modeli systemów. Uważam, że Doktorant prawidłowo zaplanował i wykorzystał odpowiednie metody badawcze, które umożliwiły mu osiągnięcie celów pracy, a przede wszystkim zweryfikowanie domniemanej tezy. Opiniowana praca doktorska Pana mgr. inż. Jakuba Kędzi pt. Metoda doboru parametrów technologicznych procesu spawania laserowego z wykorzystaniem identyfikacji systemów o klasycznym układzie obejmuje w pierwszej części przegląd 3

4 piśmiennictwa, w drugiej badania własne. Praca jest złożona ze 110 stron, oraz z załącznika gdzie na 30 stronach przedstawiono informacje katalogowe firmy Arcelor Mittal, które nie podnoszą wartości naukowej opiniowanej pracy. Opiniowana praca doktorska Pan mgr. inż. Jakuba Kędzi składa się z 8 rozdziałów zawierających 111 rysunków, 13 tablic oraz literatury obejmującej 147 pozycji (w przeważającej większości anglojęzycznych). Szkoda, że Autor nie skorzystał w części literaturowej z osiągnięć naukowców z ośrodków polskich (Politechnika Warszawska, Politechnika Świętokrzyska, Politechnika Śląska i inne). Również w rozprawie doktorskiej Autor nie odnośni się do własnych publikacji, które posiada w tym zakresie badawczym. Klasyczny układ pracy nie budzi większych zastrzeżeń. Praca rozpoczyna się streszczeniem, w którym Autor nie ustrzegł się błędów językowych i terminologicznych (pierwszy akapit streszczenia). W ramach przeglądu literaturowego opisano zagadnienia związane z zastosowaniem technologii laserowych do obróbki materiałów konstrukcyjnych, scharakteryzowano rodzaje (techniki) spawania wiązką światła laserowego oraz opisano główne zjawiska występujące podczas procesu przetapiania laserowego: absorpcję promieniowania przez powierzchnię materiału obrabianego, dynamikę ruchu ciekłego metalu, sposób absorpcji energii w kanale parowym, powstawanie i oddziaływanie plazmy, przewodnictwo cieplne oraz przemiany fazowe. W dalszej części przeglądu literatury Doktorant opisuje geometrię i własności mechaniczne przetopienia w procesie laserowym oraz metody doboru parametrów technologicznych procesu przetapiania laserowego. Niestety Autor w tej część rozprawy nie ustrzegł się błędów merytorycznych, terminologicznych, językowych i edytorskich. Do głównych błędów i nieścisłości merytorycznych należy zaliczyć: niewłaściwe zdefiniowanie zastosowanego procesu obróbki laserowej, przedstawiona na rys. 5 interakcja fali elektromagnetycznej na granicy powietrzemateriał, jest prawdziwa jedynie dla materiałów które charakteryzują się przepuszczalnością wiązki światła laserowego, wzór (2.1.2) jest prawdziwy tylko dla metali (T = 0), argon jako gaz osłonowy nie zabezpiecza przed jonizacją tlenu, chodzi tutaj przede wszystkim o jonizację par metali i częściowo powietrza (azot + tlen), co Autor rozumie pod pojęciem: profil przepływu ciepła, jest to dla mnie termin niezrozumiały, co Autor rozumie pod pojęciem: stopień wtopienia w materiał rodzimy, str. 19, Autor używa sformułowania: siła Buoyancy jest to wypór hydrostatyczny cieczy. Odnośnie błędów i nieścisłości w zakresie terminologicznym, to należy tu zwrócić uwagę na: definicję technik spawania laserowego: spawanie przewodnościowe (z jeziorkiem) i spawanie z głębokim przetopieniem (z oczkiem), 4

5 nie przetop ale raczej przetopienie, w procesie spawania laserowego mamy do czynienia z parami metali, a nie oparami (wielokrotnie powtórzone w pracy), nie prędkość podgrzewania (prędkość to droga przebyta w jednostce czasu), tylko szybkość, str. 12, nie pióropusz plazmy, a obłok plazmy, str. 15, materiał transparentny materiał przeźroczysty, str. 17, kondukcja wymiana ciepła, str. 18, zaburzenie powierzchni lica, str. 19 nierówność lica (norma ISO 6520), nie wykres CCT, tylko wykres CTPc-S (czas-temperatura-przemiana-przy chłodzeniu- Spawalniczy), str. 23, co to jest rejon międzykrytyczny, str. 23, rys. 15, przedstawia wykres twardości, a nie mikrotwardości, str. 24, wzór (2.3.4) nie wskazuje, czy model neuronu zawiera bias (występujący w fundamentalnym modelu McCullocha-Pittsa), 20 osobników w populacji, a nie 20 populacji, str. 35, czytając pracę ma się wrażenie, że Autor trochę nadużywał Translatora, nie odnosząc się krytycznie do uzyskiwanych rezultatów tłumaczenia. Błędy językowe dotyczą przede wszystkim stylistyki, niewłaściwej odmiany wyrazów, braku interpunkcji, braku łączników wyrazów (błędów tych szczegółowo nie wymieniam), ale uważam, że te błędy oraz błędy edytorskie Autor, dostrzeże po wnikliwym przeczytaniu pracy i wyeliminuje w publikacjach, które powstaną w oparciu o przedstawioną rozprawę doktorską. Kolejne rozdziały zawierają założenia pracy (cele, tezę ukrytą oraz zakres pracy), metodykę badawczą oraz wyniki badań własnych wraz z podsumowaniem i wnioskami i tą część uważam za poprawną. W rozdziale 4 Pan Jakub Kędzia opisuje proces identyfikacji skupiając się na systemach LTI (liniowych, niezmiennych w czasie). Autor dość obszernie przedstawia metody identyfikacji modeli nieparametrycznych oraz parametrycznych. Zwraca także uwagę na problematykę modelowania zakłóceń. W dalszej części rozdziału Autor opisuje typy i własności modeli parametrycznych, a także zagadnienia predykcji odpowiedzi systemu, czyli przewidywania wartości przyszłych wyjść systemu (nie jak podaje Autor wartości aktualnych). Rozdział 5, dla mnie najciekawszy dotyczy badań eksperymentalnych, gdzie Autor przedstawił procedurę budowy dwóch parametrycznych modeli systemów LTI z pojedynczym wejściem i wyjściem; Model MG: moc wiązki głębokość przetopienia, model PG: prędkość posuwu głębokość przetopienia. Modele te przedstawiają zależność pomiędzy głównymi parametrami technologicznymi i jakościowymi procesu przetapiania laserowego, mocy wiązki i 5

6 prędkości jej przesuwu w funkcji głębokości przetopienia. Do badań eksperymentalnych Autor wykorzystał nowoczesny laser dyskowy TruDisk 4200 o maksymalnej mocy 2 kw. Zastanawia tutaj fakt wyboru materiału na badania eksperymentalne. Autor wykorzystał tutaj stal S420MC (rozdział 5.1.4) o strukturze ferrytycznej, podając tylko jej skład chemiczny (tablica 8), a swoje wyniki weryfikuje na stali DP600 (rozdział 6.4), o znacznie bardziej złożonej strukturze i zupełnie innych własnościach (zupełnie inny współczynnik umocnienia odkształceniowego tych stali). Zakres eksperymentu praktycznego nie jest zbyt szeroki, ale oczywiście nie to było głównym celem pracy, choć szerzej rozwinięty znacznie podniósłby wartość opiniowanej pracy. W dalszej części rozdziału 5-go Autor analizuje wpływ zmiany mocy wiązki lasera i prędkości posuwu na głębokość przetopienia. Te badania pozwoliły Autorowi stwierdzić, że analizowane systemy MG i PG posiadają własności członu inercyjnego I-rzędu co skutkuje obecnością tłumienia po przekroczeniu częstotliwości granicznej. Na podkreślenie zasługują wyniki prac związanych z opracowaniem parametrycznych modeli analizowanych systemów. Proces identyfikacji Autor rozpoczyna wyborem zakresów, w których może dokonać linearyzacji charakterystyk moc lasera-głębokość przetopienia, prędkość posuwu-głębokość przetopienia. Zasadnicze pytanie dotyczy wyboru systemu LTI, co doprowadziło do zawężenia użytecznego zakresu stosowalności tych modeli. Czy w wypadku, kiedy nie ma wymagań co do np. konieczności uaktualniania modeli on-line, a postać funkcji nieliniowej nie jest zbyt złożona, zastosowanie metod modelowania systemów nieliniowych nie byłoby zasadne. Autor rozpoczyna badania od określenia modeli nieparametrycznych oraz własności amplitudowoczęstotliwościowych analizowanych systemów. Czy rys. 74 i 83 prezentują tłumienie w systemie, czy raczej wzmocnienie? Kolejna wątpliwość odnosi się do rys. 73, 77, 78 na których zaznaczono pewien poziom ufności otrzymanych wyników, jaka jest jego wartość? Na podstawie przeprowadzonych eksperymentów dokonano wyboru najlepszych modeli z dostępnego zbioru (określenie model optymalny, wydaje się być nadużyciem). Następnie Autor wyznacza modele typu BJ procesu oraz błędu, nie podaje jednak jaką metodą dokonał estymacji. Sens wyznaczania modelu BJ, a nie poprzestania na modelu OE, podważa brak jego eksperymentalnej weryfikacji (o czym zresztą Autor wspomina na końcu rozdziału). W rozdziałach i Autor prezentuje odpowiedzi systemu na pobudzenie zmiennym sygnałem wejściowym. Dane zostają użyte do identyfikacji modelu. Zasadne w tym miejscu jest pytanie, czy tylko jedna realizacja pary sygnałów wejście-wyjście (Autor nigdzie nie podaje liczby zarejestrowanych realizacji sygnałów), jest wystarczająca do prawidłowego przeprowadzenia procesu identyfikacji, w kontekście wielu zakłóceń mogących wystąpić w rzeczywistym procesie dynamicznym. W rozdziale 5 pojawiają się ponownie błędy terminologiczne, np. zamiast piki składowe występujące w charakterystyce amplitudowofazowej. 6

7 Rozdział 6 to walidacja eksperymentalna opracowanych modeli systemów. Walidacja ta prowadzona jest w dość wąskim zakresie. Autor skupia się na minimalizacji czasu ustalania odpowiedzi skokowej, przy zmianie żądanej głębokości przetopienia, a także błędów związanych z wahaniami zaprogramowanej prędkości posuwu. Mimo relatywnie dobrych wyników, uzyskanych w wyniku zastosowania modeli, pewien niedosyt budzi bardzo ubogie porównanie wyników uzyskanych dla różnych typów modeli o różnych parametrach. Autor zakłada, że uzyskane rozwiązanie jest satysfakcjonujące, nie prezentując jednak szerszego odniesienia do aktualnych metod stosowanych w zakresie identyfikacji systemów LTI. W rozdziale 7 Autor przedstawił niewątpliwe osiągnięcia naukowe i utylitarne, które potwierdzają słuszność założeń ocenianej pracy. Za duże osiągnięcie naukowe Doktoranta należy uznać: opracowanie metody i algorytmu doboru parametrów technologicznych procesu przetapiania laserowego z pomocą klasycznych i powszechnie znanych metod identyfikacji systemów oraz opracowanie walidacji modeli. Wyniki tych badań zostały zweryfikowane w procesie umacniania dźwigara pochylenia oparcia siedziska samochodowego. Jako ważne osiągnięcie utylitarne recenzowanej rozprawy doktorskiej należy uznać zaprojektowanie i zbudowanie stanowiska służącego do ciągłej/dyskretnej zmiany/rejestracji mocy/prędkości posuwu podczas procesu przetapiania laserowego. Oczywiście wykonane badania nie wyczerpują w pełni problematyki badawczej, co podkreślił Autor w rozdziale 7.3, ale myślę że te aspekty wyznaczają dalszy kierunek badań Doktoranta i zostaną rozwiązane w następnych pracach. Moje uwagi krytyczne, czy dyskusyjne dotyczące niniejszej rozprawy, odnoszą się głównie do aspektów technologicznych i mam nadzieje, że będą pomocne w dalszych badaniach prowadzonych przez Doktoranta. Chciałbym jednak podkreślić, że podane uwagi nie wpływają na obniżenie ogólnej pozytywnej oceny opiniowanej pracy doktorskiej Pana mgr. inż. Jakuba Kędzi. Praca cechuje się dobrym poziomem merytorycznym, a uzyskane wyniki badań własnych są oryginalne, wartościowe poznawczo i mogą mieć znaczenie aplikacyjne. W mojej opinii przedstawiona praca doktorska Pana mgr. inż. Jakuba Kędzi zasługuje na pozytywną ocenę merytoryczną i formalną. 7

8 Wniosek końcowy Stwierdzam, że opiniowana praca doktorska Pana mgr. inż. Jakuba Kędzi pod tytułem Metoda doboru parametrów technologicznych procesu spawania laserowego z wykorzystaniem identyfikacji systemów spełnia wymagania określone w Ustawie o Stopniach Naukowych i Tytule Naukowym oraz o Stopniach i Tytule w Zakresie Sztuki (Dz. U. nr 65 z dnia 16 kwietnia 2003 roku poz. 595 z późniejszymi zmianami) i wnioskuję do Rady Wydziału Mechanicznego Politechniki Wrocławskiej o dopuszczenie Pana mgr. inż. Jakuba Kędzi do publicznej obrony. Opracował: 8