Загальні теоретичні відомості

Рішення будь-якого технологічного завдання варто начитати з вибору методики розрахунку й аналіз вихідних даних.

Фізична модель процесу обробки лазером визначається цілим рядом параметрів:

а) радіусом плями лазера – rп, [м] тривалістю імпульсу впливу лазера -ti [с] й енергією в імпульсі - I [Дж] при імпульсній обробці;

б) швидкістю обробки деталі -vобр [м/c], потужністю впливу лазера Р [Вт] і часом впливу в зоні опромінення - tоб [c] при безперервній обробці лазером.

Додатково повинні бути представлені дані по розмірах деталі – D x W x H [м] (довжина, ширина, висота) і передбачувана глибина зони обробки – hз [м].

Основні теплофізичні властивості матеріалу студент повинен знайти з довідників [1-3]: теплопровідність - lт [Вт/м×K], теплоємність - сp [Дж/кг×0С], гусину -rm [кг/м3] і температуропровідність [м/c2], що пов'язана з попередніми параметрами формулою – a = lт. /(cp×rm).

Наступні оцінки допомагають визначитися з вибором моделі:

1. Це відстань, на яке поширюється тепловий фронт, по поверхні або вглиб матеріалу за час дії лазера

2. Швидкість поширення теплового фронту в матеріалі деталі за час дії лазерного променя.

Тоді вид джерела нагрівання буде:

а) розподілений (просторовий) при rп >> hт. У цьому випадку при розрахунку режимів обробки лазером відводом тепла із зони ЛВ впливу за час t = dп / vобр практично можна зневажити (dп = 2 × rп);

б) точковий при rп < hт, тобто необхідно враховувати відвід тепла з-під плями лазера по поверхні деталі, що значною мірою зменшує температуру нагрівання в зоні обробки впливу при інших умовах.

в) при vобр > vт – маємо потужне швидкодіюче джерело. У цьому випадку в процесі розрахунку технологічних режимів обробки відводом тепла по напрямку Х руху лазерного променя можна зневажити. Прораховується поширення тепла тільки по напрямку Y й Z у декартовій системі координат, тобто перпендикулярно руху променя й вглиб матеріалу деталі.

г) при vобр < vт - крапкове джерело, що рухається. Для даної моделі при розрахунку потрібно враховувати відвід тепла по всім трьох напрямках X, Y й Z.

д) при товщині оброблюваного матеріалу H >> hт набагато більше відстані, на яке поширюється тепловий фронт за час дії лазера - реалізується модель напів нескінченного тіла. У реальних розрахунках можна застосовувати умову min (D,W,H) > (4-5)×hт.

e) якщо ж кожний з мінімальних розмірів оброблюваної деталі min (D,W,H) £ hт менше або дорівнює відстані, на яке поширюється тепловий фронт за час дії лазера, то реалізується теплофізична модель тонкої пластини, тобто прогрів деталі відбувається на весь її мінімальний розмір.

Наступним важливим етапом розрахунку температурних режимів обробки матеріалів лазером є аналіз теплофізичних характеристик конкретного матеріалу. Наприклад, якщо оброблюється сталь ХВГ, необхідно звернутися до довідкової літератури [1-3] для з'ясування теплофізичних характеристик саме цієї марки сталі, причому саме для того інтервалу температур, де потрібно проводити розрахунок. Так якщо в завданні відзначено, що треба розрахувати температури на стадії охолодження матеріалу після обробки лазером і визначити гартівні швидкості, то по [1] ми визначаємо, що сталь ХВГ має Ас1 = 750 0С, Ас3= 940 0С, Мн=210 0С. У цьому інтервалі температур густина стали r = 7,66 г/см3 і визначається інтерполяцією по наведеним у довіднику значенням густини для 20, 300, 600 0С. Теплоємність цієї сталі з [2] з = 0,218 кал/г×град (необхідно перейти в систему СИ), а значення теплопровідності для цієї марки сталі не наведено. Тоді необхідно згадати, що дана сталь відноситься до класу інструментальних легованих сталей типу 9Х1, 9ХС, 9ХВГ, ХВГС і т.п. Зокрема, для марки 9Х1 в [2] наведена цифра lт = 0,07 кал/см×с×град, що і може бути використано.

При розрахунку технологічних режимів в основному визначають наступні величини: температуру Т(0,t) на поверхні деталі, температуру T(x,t) на необхідній глибині обробки – x (або z), глибину загартування Zhaz, швидкість нагрівання vнаг = d/dt матеріалу в зоні обробки, швидкість охолодження vохл = d/dt матеріалу зони обробки, швидкість обробки vобр, градієнт температур grad(T) = d/dz, необхідна потужність або енергія випромінювання для досягнення необхідних результатів обробки й ряд інших параметрів.

 

Імпульсна лазерна обробка однорідних матеріалів при використанні моделі напів нескінченного твердого тіла дозволяє одержати методом інтегральних перетворень аналітично точне рішення відповідного теплового завдання за умови, що інтенсивність лазерного джерела не залежить від часу. основні формули, використовувані в даній лабораторній роботі описані в [4, 5]:

- температура ЛВ нагрівання як функція координат у будь-який момент часу t <= ti описується формулою 6.1;

-температура охолодження після закінчення ЛВ як функція координат у будь-який момент часу t >= ti формулою 6.4;

-швидкість нагрівання як функція координат у будь-який момент часу t <= ti формулою 6.2;

-швидкість охолодження як функція координат у будь-який момент часу t >= ti формулою 6.5;

- температурний градієнт як функція координат у будь-який момент часу t <= ti формулою 6.3;

- температура в центрі плями на стадії нагрівання формулою 6.6;

- температура в центрі плями на стадії охолодження формулою 6.6;

-швидкість нагрівання в центрі плями в будь-який момент часу t <= ti формулою 6.8;

-швидкість охолодження в центрі плями в будь-який момент часу t >= ti формулою 6.9;

Варіанти завдань

1. Промоделювати процес лазерної обробки імпульсним випромінюванням: розрахувати температури на стадії нагрівання й охолодження, швидкості нагрівання й охолодження.

2. Промоделювати процес лазерної обробки імпульсним випромінюванням: розрахувати температури на стадії нагрівання й охолодження, швидкості нагрівання й охолодження в центрі плями.

3. Для заданого матеріалу визначити технологічний режим обробки (параметри обробки відомих лазерних систем), що дозволяють одержати максимальну глибину загартування без оплавлення поверхні.